"История возникновения коротковолновой радиосвязи" - кандидатский минимум по философии науки и образованию

Содержание

ВВЕДЕНИЕ        3

1.        НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ЗАРОЖДЕНИЯ РАДИОТЕХНИКИ        9

2.        СУЩЕСТВОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО  ПОЛЯ        16

2.1 Теоретическое обоснование существования электромагнитного поля        17

2.2  Экспериментальное подтверждение существования электромагнитных волн        18

4. ИЗОБРЕТЕНИЕ РАДИОПРИЕМНИКА И СОЗДАНИЕ ПЕРВОЙ ЛИНИИ РАДИОСВЯЗИ        24

5. ИСТОРИЯ КВ РАДИОСВЯЗИ        33

6. ВОЗНИКНОВЕНИЕ ИОНОСФЕРЫ        41

6.1        Механизмы ионизации        44

6.2        Источники ионизации        47

6.3        Исчезновение свободных зарядов в верхних слоях атмосферы        49

ЗАКЛЮЧЕНИЕ        51

Введение

Существование ионосферы играет ключевую роль при распространении радиоволн. Радиоволны излучаются антенной в пространство и распространяются в виде энергии электромагнитного поля. И хотя природа радиоволн одинакова, их способность к распространению сильно зависит от длины волны. Земля для радиоволн представляет проводник электричества. Проходя над поверхностью Земли, радиоволны постепенно ослабевают. Это связано с тем, что электромагнитные волны возбуждают в поверхности Земли электротоки, на что и тратится часть энергии. Т.е. энергия поглощается землей, причем тем больше, чем короче длина волна (выше частота). Кроме того, энергия волны ослабевает еще и потому, что излучение распространяется во все стороны пространства и, следовательно, чем дальше от передатчика находится приемник, тем меньшее количество энергии приходится на единицу площади и тем меньше ее попадает в антенну [1].

Передачи длинноволновых вещательных станций можно принимать на расстоянии до нескольких тысяч километров, причем уровень сигнала уменьшается плавно, без скачков. Средневолновые станции слышны в пределах тысячи километров. Что же касается коротких волн, то их энергия резко убывает по мере удаления от передатчика. Этим объясняется тот факт, что на заре развития радио для связи в основном применялись волны от 1 до 30 км. Волны короче 100 метров вообще считались непригодными для дальней связи. Однако дальнейшие исследования коротких и ультракоротких волн показали, что они быстро затухают, когда идут у поверхности Земли. При направлении излучения вверх, короткие волны возвращаются обратно.

Еще в 1902 английский математик Оливер Хевисайд (Oliver Heaviside) и американский инженер-электрик Артур Эдвин Кеннелли (Arthur Edwin Kennelly) практически одновременно предсказали, что над Землей существует ионизированный слой воздуха – естественное зеркало, отражающее электромагнитные волны. Этот слой был назван ионосферой. Ионосфера Земли должна была позволить увеличить дальность распространения радиоволн на расстояния, превышающие прямую видимость. Экспериментально это предположение было доказано в 1923. Радиочастотные импульсы передавались вертикально вверх и принимались вернувшиеся сигналы. Измерения времени между посылкой и приемом импульсов позволили определить высоту и количество слоев отражения.

Рис. 1 Распространение длинных и коротких волн

Отразившись от ионосферы, короткие волны возвращаются к Земле, оставив под собой сотни километров «мертвой зоны». Пропутешествовав к ионосфере и обратно, волна не «успокаивается», а отражается от поверхности Земли и вновь устремляется к ионосфере, где опять отражается и т. д. Так, многократно отражаясь, радиоволна может несколько раз обогнуть земной шар (см. Рис. 1). Установлено, что высота отражения зависит в первую очередь от длины волны. Чем короче волна, тем на большей высоте происходит ее отражение и, следовательно, больше «мертвая зона». Эта зависимость верна лишь для коротковолновой части спектра (примерно до 25–30 МГц). Для более коротких волн ионосфера прозрачна. Волны пронизывают ее насквозь и уходят в космическое пространство. Отражение зависит не только от частоты, но и от времени суток. Это связано с тем, что ионосфера ионизируется солнечным излучением и с наступлением темноты постепенно теряет свою отражательную способность [1]. Степень ионизации также зависит от солнечной активности, которая меняется в течение года и из года в год по семилетнему циклу.

Рис. 2 Распространение коротких и ультракоротких волн

Радиоволны УКВ диапазона по свойствам в большей степени напоминают световые лучи. Они практически не отражаются от ионосферы, очень незначительно огибают земную поверхность и распространяются в пределах прямой видимости. Поэтому дальность действия ультракоротких волн невелика. Но в этом есть определенное преимущество для радиосвязи. Поскольку в диапазоне УКВ волны распространяются в пределах прямой видимости, то можно располагать радиостанции на расстоянии 150–200 км друг от друга без взаимного влияния. А это позволяет многократно использовать одну и ту же частоту соседним станциям (см. Рис. 2).

Свойства радиоволн диапазонов ДЦВ и 800 МГц еще более близки к световым лучам и потому обладают еще одним интересным и важным свойством. Вспомним, как устроен фонарик. Свет от лампочки, расположенной в фокусе рефлектора, собирается в узкий пучок лучей, который можно послать в любом направлении [2]. Примерно то же самое можно проделать и с высокочастотными радиоволнами. Можно их собирать зеркалами-антеннами и посылать узкими пучками. Для низкочастотных волн такую антенну построить невозможно, так как слишком велики были бы ее размеры (диаметр зеркала должен быть намного больше, чем длина волны). Возможность направленного излучения волн позволяет повысить эффективность системы связи. Связано это с тем, что узкий луч обеспечивает меньшее рассеивание энергии в побочных направлениях, что позволяет применять менее мощные передатчики для достижения заданной дальности связи. Направленное излучение создает меньше помех другим системам связи, находящихся не в створе луча.

Таким образом, волны радиодиапазона обладают различными свойствами распространения, и каждый участок этого диапазона применяется там, где лучше всего могут быть использованы его преимущества [1].

Важной задачей является повышение надежности оперативной коротковолновой (КВ) радиосвязи в ионосферном канале. Электронная плотность ионосферы меняется в зависимости от времени суток и времени года. Это изменение связано с изменениями ключевых параметров солнечного ветра (СВ) и межпланетного магнитного поля (ММП), определяющих последовательность развития магнитосферно-ионосферных возмущений. В свою очередь изменение электронной концентрации приводит к изменению границы рабочего диапазона и необходимости изменения рабочей частоты. В связи с этим, необходимо оперативное прогнозирование ионосферных параметров на интервалы от 30 мин до нескольких часов. При решении этой задачи выясняется, что совершенствование используемых физических моделей часто не приводит к желаемому результату. Это происходит из-за того, что полная физическая картина ионосферных процессов крайне разнообразна, имеет много факторов и параметров – в этих условиях усложнение аналитической модели не приводит к улучшению прогноза. Кроме того, существенно ионосферно-магнитосферное взаимодействие, обусловленное особенностями солнечно-земных связей. Практически это означает, что учет такого большого числа факторов становится невозможным при разработке аналитического описания физических моделей. Существует, однако, альтернативный подход для решения подобных задач – метод, основанный на использовании математического моделирования искусственного интеллекта [2]. Это метод искусственных нейронных сетей (ИНС). Он сочетает корреляционную обработку с нелинейным преобразованием изучаемой многофакторной последовательности.

В первые десятилетия существования радио считалось, что волны короче 250 м малопригодны для практических целей. Поэтому весь КВ диапазон был предоставлен в распоряжение любителей-энтузиастов для экспериментов. Первым законодательным актом, регламентировавшим любительскую радиосвяэь, был «Закон о радио», принятый Конгрессом США в 1912 г. По мере совершенствования техники радиосвязи выяснилось, что при определенных условиях на КВ возможна связь на дальние расстояния даже при минимальной мощности передатчика. В настоящее время для любительской связи на КВ выделены строго определённые диапазоны частот, которые несколько отличаются для разных стран мира [2]. Так, в Российской Федерации «Инструкция по регистрации и эксплуатации любительских радиостанций» устанавливает для любительской службы следующие диапазоны:

1. 1810—2000 кГц (160 м, условно считается коротковолновым)
2. 3500 — 3650 кГц
3. 3650 — 3800 кГц
4. 7000 — 7100 кГц
5. 7100 — 7200 кГц
6. 10100 — 10150 кГц
7. 14000 — 14350 кГц
8. 21000 — 21450 кГц
9. 24890 — 25140 кГц
10. 28000 — 29700 кГц Гражданский диапазон

1. Научно-технические предпосылки зарождения радиотехники в России

Освещение истории развития радиотехники в России в целом можно условно разделить на пять периодов.

 Первый период  (конец XIX века – 1917 год) характерен изобретением и началом применения радио в оборонных и народнохозяйственных целях и представлен преимущественно работами чисто технического плана.  Хотя дореволюционные исследователи не успели выйти на уровень серьезных обобщений по истории развития радиотехники, все же заслуживают быть отмеченными некоторые работы, в которых подчеркивается роль радио в различных областях деятельности человека. Среди них в первую очередь следует назвать изданную  междуведомственным радиотелеграфным комитетом книгу "Очерк развития радиотелеграфных сообщений в России и за границей" (СПб, 1913) и работу Н. П. Георгиевского "Радиостанции Карского моря" (Архангельск, 1916), а также ряд журнальных статей.  Одной из особенностей работ данного периода является то, что в числе их авторов были непосредственные участники и свидетели тех или иных событий. Наряду с несомненными преимуществами подобных публикаций, в некоторых из них предпринята попытка исказить истинную картину происходящего в интересах отдельных ведомств, фирм или личностей.

 Второй период (1918–1924 годы) отечественной историографии создания и развития системы радиотехники начального ее этапа характерен тем, что особой необходимости в освещении деятельности свергнутого самодержавия по развитию радиотехнической отрасли государства уже не было (тем более, что критика этой деятельности началась еще до февраля 1917 года), а период первоначальных оценок итогов деятельности молодой Советской власти в данном направлении еще не наступил. В связи с этим данный период историографии представлен весьма небольшим количеством работ как общеисторического, так и историко-технического плана.

Третий период  (1925–1944 годы) историографии радиотехники берет свое начало с празднования тридцатилетия изобретения радио А. С. Поповым – первого юбилея радио в России и СССР, инициатива празднования которого принадлежит В. К. Лебединскому и I Всероссийской электротехнической конференции связи, проходившей в Ленинграде в ноябре 1924 года. Условно работы данного периода можно разделить на два направления: в первом делались робкие попытки проанализировать состояние  радиотехнической отрасли дореволюционной России,  во втором же основное внимание уделялось развитию радио в стране в советский период.  При этом непременным атрибутом любой публикации являлся раздел о жизни и деятельности А. С. Попова, его приоритету в изобретении радио и событиям, связанным с его именем, занимавшим, порой, большую часть работы. При освещении развития радио до 1917 года исторические труды этого периода носят преимущественно обличительный характер, опускаясь иногда до нравственного неприличия и примитивизма. Историческая правда часто совмещается с вымыслами. Документальная база работ очень скудная.

Четвертый период (1945 – середина 80-х годов ХХ века) историографии радиотехники берет начало 7 мая 1945 года с опубликования постановления Совета Народных Комиссаров Союза ССР "Об ознаменовании 50-летия со дня изобретения радио А. С. Поповым". Данное решение Советского правительства послужило определенным толчком к активизации работы исследователей и созданию научной школы в области истории радиотехники, во главе которой стали видные советские радиоспециалисты А. И. Берг, Б. А. Введенский, В. П. Вологдин, Л. И. Мандельштам; плодотворно продолжали работать С. С. Кудрявцев - Скайф и Г. И. Головин. Характерной чертой историографии данного периода является то, что большинство исследований, посвященных истории развития радиотехники в России, не выходит за рамки 1900–1905 годов, т. е. времени, связанного с деятельностью А. С. Попова по развитию радио на флоте, опытам в Военном ведомстве, организации Кронштадтской  радиомастерской, устройству первых двух радиостанций народнохозяйственного назначения в Азовском море и т. д.  Анализ работ, опубликованных после 1945 года, позволяет сделать вывод, что официального запрета на объективные исследования по данной проблеме, как принято утверждать сегодня, не существовало. Вопрос состоял в другом – в позиции самих исследователей по отношению к прошлому, стремлении на документальной базе представить объективную картину происходивших событий, раскрыть их с учетом причинно-следственных связей. Следствием такого подхода явилось то, что в исследованиях по истории радиотехники данному периоду отводилось весьма недостаточно внимания, а выводы не всегда были аргументированными и объективными.  Благодаря такому подходу мы не имеем ясной всеобъемлющей картины развития радиосвязи в дореволюционной России, остались в небытии многие руководители центральных и местных органов, занимавшихся строительством радиостанций в России, строители станций и их обслуживающий состав. Исключением, пожалуй, явились работы коллектива авторов Научно-исследовательского института связи Военно-морского флота, которые были продолжены и впоследствии. К аналогичным работам можно отнести труды И. Т. Пересыпкина и коллектива авторов Военной академии связи им. С. М. Буденного. Несмотря на это, было бы безнравственно и не исторично отрицать и предавать забвению многое положительное, что сделано в изучении проблем развития радиотехники в 40–80-е годы. Работы этого периода внесли большой вклад в накопление и расширение источниковой и историографической базы, раскрытие отдельных фрагментов содержания проблемы, создали основу для выдвижения новых идей и оценок. Фрагментарное отражение отдельных вопросов проблемы можно найти также в обширной литературе по истории развития техники радиосвязи, антенным устройствам и становлению теории распространения радиоволн, а также публикациям по персоналиям. Начиная с 1945 года, регулярно издаются сборники трудов, посвященные юбилею радио.  В большинстве статей этих сборников имеется историческая часть, где в определенной степени дается обзор развития отрасли на раннем этапе.

В данный период появились труды по истории создания и деятельности радиотехнических предприятий в России, среди которых особо следует подчеркнуть сборник документов и материалов по учреждению первенца отечественной радиопромышленности – Радиотелеграфного завода Морского ведомства.  Не отрицая всех достоинств данной работы, все же следует отметить ее незавершенность, так как ее составители, к сожалению, не представляли проблему целиком. Данная проблематика  привлекла внимание не только специалистов по радиотехнике, но также журналистов  и профессиональных историков. Было обращено внимание исследователей на освещение проблемы развития радиосвязи на региональном уровне. Среди работ этого направления следует отметить, прежде всего, труды М. С. Высокова по истории связи на Дальнем Востоке, в которых используются документы фондов центральных и местных архивов, а также работы Т. К. Гусейнова и П. П. Виткевичюса. Существенным подспорьем для исследователей, занимающихся проблемой не только истории радио, но и почтовой, телеграфной и телефонной связи, может послужить замечательная работа сотрудников Российского государственного исторического архива и Центрального государственного исторического архива Санкт-Петербурга по обзору документов различных фондов дореволюционного времени.

Значительная часть работ данного периода затрагивает сюжет о попытках Маркони установить мировую монополию на производство, сооружение и использование радиостанций в интересах морской подвижной службы. Не говоря уж о том, что данная проблема представлялась весьма упрощенно, серьезных исследований по ней не было.Только в 1950 году появляется монография С. Б. Крылова по международно-правовому регулированию радиосвязи, в которой нашли отражение решения первых международных радиотелеграфных конференций в Берлине и Лондоне. Знаменательным событием в историографии проблемы явился выход в 1970 году книги И. В. Бренева,10 в которой предпринята попытка комплексного подхода к освещению истории начального периода радиотехники в России. При всех достоинствах работы нельзя не сказать, что автор лишь незначительно вышел за рамки традиционного подхода к освещению проблемы, существовавшего в данный период; почти половина ее посвящена приоритету А. С. Попова в изобретении радио и его деятельности по внедрению радио на флоте, вторая половина – в конспективной форме освещает важнейшие узловые моменты проблемы, в основном не выходя за пределы развития радиосвязи в Российском императорском флоте и хронологические рамки 1900–1905 годов.

Пятый период (со второй половины 80-х годов ХХ века) отечественной историографии характеризуется качественным поворотом, связанным с утверждением в обществе духовного плюрализма, и несет на себе печать происходящих в стране и сфере науки динамичных перемен.

К сожалению, свобода мнений и раскрепощенность научной мысли в ряде случаев стали переходить в необоснованное преувеличение значений отдельных событий и не вполне закономерное восхваление ряда личностей начала ХХ столетия в России, возводя им пьедестал выше их заслуг. Исследователи порой не совсем аргументировано пытаются доказать, что в области радиотехники в указанный период были достигнуты существенные успехи. Соглашаясь, в принципе с подобными утверждениями, не следует забывать, что порой неверная политика российского правительства в радиотехнической отрасли вела к потере национальной безопасности страны, а так называемые "достижения" обходились отечественному налогоплательщику в миллионы уплывающих за рубеж рублей. Одной из причин этого, на наш взгляд, является и политическая конъюнктура, имеющая место в постперестроечное время. Историография данного периода представлена, прежде всего, статьями, посвященными юбилейным датам в истории радио – 100-летию радио,1 90-летию Службы связи

Военно-морского флота, 100-летию отечественной радиопромышленности и 100-летию начала использования радио в России. Ряд исследований посвящено истории развития и роли радио в Военно-морском флоте. Отдельные работы посвящены продолжающейся дискуссии о приоритете в изобретении радио.4 Интересные материалы по истории развития радио на начальном этапе развития радиотехники содержит работа Ю. Я. Коваленко и А. Б. Стрелова. Однако, построенная на базе богатого фактического материала, и она не выходит за рамки традиционной отечественной научно-исторической школы и хронологических рамок в освещении истории радиотехники в России.

Усиление внимания общества к отечественной истории вызвало естественную потребность воссоздания истории учреждения и деятельности ряда старейших предприятий страны, в том числе и радиотехнических, каковыми являются завод им. Козицкого и научно-производственное объединение "Вектор". Новые акценты в освещение проблемы внесли авторы научных исследований по персоналиям. По своему содержанию, методологическим принципам они в целом являются продолжением исследований по отечественной и военной истории. В целом же исследования отечественных авторов 80–90-х годов ХХ века не внесли существенного сдвига в освещение проблемы. Обращение же к зарубежной историографии показывает, что в ней данный вопрос освещен еще меньше, если не сказать – почти не освещен.

Как свидетельствует анализ историографии, сегодня не существует комплексных работ с единой концепцией, освещающих историю развития радиосвязи в России в начале ХХ века, ее место и роль в модернизации страны и охватывающих все стороны этого сложнейшего процесса, в который были вовлечены все сферы деятельности государства.

2. Существование электромагнитного  поля

В 1820 г. датский физик Эрстед обнаружил, что магнитная стрелка поворачивается при пропускании электрического тока через проводник, находящийся около нее (рис.3).

рис. 3

 В том же году французский физик Ампер установил, что два проводника, расположенные параллельно друг другу, испытывают взаимное притяжение, если ток течет по ним в одном направлении, и отталкивание, если токи текут в разных направлениях (рис. 4).

рис. 4

 Явление взаимодействия токов Ампер назвал электродинамическим взаимодействием. Магнитное взаимодействие движущихся электрических зарядов, согласно представлениям теории близкодействия, объясняется следующим образом: всякий движущийся электрический заряд создает в окружающем пространстве магнитное поле. Магнитное поле — особый вид материи, который возникает в пространстве вокруг любого переменного электрического поля.

2.1 Теоретическое обоснование существования электромагнитного поля

Краеугольным камнем науки об электромагнетизме было открытие в 1831 году М. Фарадеем электромагнитной индукции и выявление роли среды в этом явлении. Исследования Фарадея были в дальнейшем продолжены и развиты многими учеными физиками. Особое значение среди этих трудов имело изучение механизма искрового разряда и определение в 1840 году его колебательного характера американским ученым Дж. Генри, а также теоретическое исследование этого явления в 1855 году английским физиком И. Томсоном (лордом Кельвином).  

Важным теоретическим обобщением всех исследований в области электромагнетизма явилось учение Дж. Максвеллао существовании в пространстве электромагнитных волн. Максвелл, основываясь на открытии М. Фарадея и исходя из предположения о неразрывности тока, теоретически доказал в 1864 году, что в диэлектрике может существовать особый вид тока, связанный с перемещением силовых линий электрического поля. Этот ток он назвал током смещения, который, почти доказано, что изменение во времени силовых линий электрического поля неизбежно вызывает изменение магнитного поля, созданного током смещения, и создает в окружающей среде волновой процесс, названный Дж. Максвеллом электромагнитной волной. Он пришел к выводу, что световые явления имеют также электромагнитную природу и что электромагнитные волны распространяются в пространстве со скоростью света, подчиняются световым законам и хорошо проходят через вещество, непроводящее  электрический ток. Максвелл вывел уравнения, характеризующие электромагнитную волну и связывающие напряженность магнитного поля с плотностью тока. Эти, носящие его имя, уравнения выражают также закон индукции электрического поля при изменении магнитного поля.1

Теория Максвелла была чрезвычайно смелым шагом в науке. Она носила настолько новаторский характер, что прошло много времени, пока она получила признание среди ученых. Одними из первых разделили его взгляды русские ученые во главе с А. Г. Столетовым. Их эксперименты доказали участие среды во взаимодействии заряженных тел, инерцию зарядов, прохождение тока смещения через диэлектрик и равенство между диэлектрической постоянной и квадратом показателя преломления изолятора и явились одним из подтверждений правильности теории английского физика.

2.2  Экспериментальное подтверждение существования электромагнитных волн

Только через девять лет после смерти Дж. Максвелла существование электромагнитных волн было экспериментально доказано молодым немецким физиком, профессором Высшей технической школы в Карлсруэ Г. Герцем. В 1888 году Герц доложил Берлинской академии наук результаты своей работы "О лучах электрической силы", подводившей итоги серии экспериментов, в ходе которых впервые удалось опытным путем получить электромагнитные волны и исследовать их свойства. Для генерирования электромагнитных волн Герц воспользовался открытым контуром в виде вибратора ("вибратор Герца"), состоящего из двух стержней, расположенных на одной оси. На противоположных концах стержней вибратора были напаяны металлические листы, имевшие форму квадрата. Сближенные концы стержней оканчивались шариками, образующими разрядник, который присоединялся ко вторичной обмотке катушки  Румкорфа. Во время каждого максимума переменного напряжения между шарами вибратора Герца происходил искровой разряд. В вибраторе возбуждались электромагнитные колебания, амплитуда которых уменьшалась со временем. Эти затухающие колебания в виде электромагнитных волн распространялись в пространстве вокруг вибратора. Герц не только нашел способ возбуждать  электромагнитные волны ("лучи Герца") в пространстве, но изобрел также и метод их обнаружения. В качестве приемника или индикатора волн Герц применил чрезвычайно простой прибор, названный "резонатором". В первом выполнении он представлял собой точную копию вибратора – это был металлический прут с сосредоточенными емкостями на концах (пластинами или шарами) и незначительным воздушным зазором (искровым промежутком) в середине. Более чувствительным и удобным оказался, однако, резонатор другой формы, выполненный в виде одного витка проволоки с небольшим искровым промежутком. Если длина проволоки и искровой промежуток резонатора соответствовали по своим размерам проводникам вибратора, то наступало явление резонанса, вследствие которого в момент излучения вибратором электромагнитных волн в искровом промежутке резонатора начинали проскакивать электрические искры. С помощью описанной комбинации вибратор-резонатор Г. Герцу удавалось обнаруживать электромагнитные волны на расстоянии до 16 м от вибратора. Схема передающей части опытной установки Герца была достаточно совершенной и уже после изобретения радио как средства связи почти без изменений просуществовала более десятка лет. Самым слабым ее местом был приемник – весьма простой по конструкции резонатор, чувствительность которого была, безусловно, недостаточной.

3. Зарождение радиосвязи

Теоретическое обоснование общности между электрическими, магнитными и световыми явлениями, выполненное Дж. Максвеллом, и экспериментальное подтверждение Г. Герцем существования электромагнитных волн очень быстро завладели умами ученых. После опубликования в 1888 году открытия Г. Герца во многих лабораториях мира начались эксперименты с электромагнитными волнами, в ходе которых создавались и совершенствовались технические средства генерирования и регистрации электромагнитных колебаний. Среди тех, кто после Герца занимался экспериментальными исследованиями свойств электромагнитных волн, прежде всего, следует назвать американского инженера Н. Теслу, английских физиков О. Лоджа, И. Томсона, М. Минчина, Э. Резерфорда, французских ученых Э. Бранли, Р. Блондло, итальянца А. Риги, индийца Д. Боса, немецких физиков Э. Лехера и А. Слаби, серба М. Пупина, русских физиков А. Г. Столетова, Н. Н. Егорова, И. И. Боргмана, О. Д. Хвольсона, П. Н. Лебедева и, конечно, А. С. Попова, которому принадлежит честь изобретения радиосвязи.

Одним из первых высказал мысль о практическом использовании электромагнитных волн для передачи сообщений американский профессор электротехники И. Томсон в лекции "О переменных токах и электрических волнах", прочитанной в 1889 году в Линне (Массачусетс).  Годом позже, в 1890 году, аналогичная мысль была высказана в журнале "Электричество" в примечании редакции к статье русского физика О. Д. Хвольсона об опытах Герца. В заключительном абзаце этой статьи автор писал: "Опыты Герца пока кабинетные; что из них разовьется дальше и не представляют ли они зародыш новых отделов электротехники – этого решить в настоящее время невозможно".  Редакция снабдила эти слова сноской: "Например, телеграфия без проводов наподобие оптической ". В 1892 году в лондонском популярном научно-техническом журнале была опубликована статья  английского физика В. Крукса, в которой он, говоря об электромагнитных волнах, писал:

"Здесь раскрывается поразительная возможность телеграфирования без проводов, телеграфных столбов, кабелей и всяких других дорогостоящих современных приспособлений".

Он считал, что принципиальные возможности такой связи уже имеются благодаря опытам Герца и что для технического воплощения их в новые приборы нужно разработать: во-первых, более эффективные и удобные способы генерирования электромагнитных волн различной длины; во-вторых, способы их улавливания и разделения по длине (селекцию); в-третьих, способы направленно пространственной канализации электромагнитных волн. В 1890–1891 годах, вскоре после опубликования опытов Г. Герца и Э. Бранли, студент Киевского политехнического института В. П. Добровольский разработал и математически обосновал систему "электрической сигнализации без проводов". После предварительных консультаций с ассистентом кафедры физики Политехнического института А. Н. Яницким и начальником телеграфа Юго-Западных железных дорог И. М. Ивановым, в конце 1891 года Добровольский отправил в редакцию журнала "Электричество", издаваемого VI отделом Русского технического общества, статью под названием "Опыты Герца в электрической сигнализации". В статье не только высказывалась мысль о применении электромагнитных колебаний для передачи радиотелеграфных и радиотелефонных сигналов, но и приводилось математическое обоснование выдвинутой идеи. Статья не была опубликована.

Изучая и проводя исследования с электромагнитными волнами, многие экспериментаторы поняли одно важное обстоятельство. Если герцевский вибратор электромагнитных волн был для своего времени достаточно удобным и мощным источником излучения, то примененный Герцем в качестве индикатора резонатор являлся очень несовершенным устройством. В поисках более совершенных технических устройств, позволявших регистрировать "лучи Герца", большинство исследователей обратилось к использованию проводимости металлических порошков, меняющейся под действием электромагнитной волны. Указанное явление было подробно описано в 1890 году Э. Бранли и легло в основу разработанного им лабораторного прибора, названного радиокондуктором. Новый прибор оказался более удобным и более чувствительным индикатором, чем резонатор Герца, и широко применялся в лабораторных опытах.

В 1894 году английский физик О. Лодж опубликовал лекцию "Творение Герца", прочитанную в Британском королевском обществе, где описал усовершенствованный им радиокондуктор Бранли. Лодж придал ему удобную форму переносного физического прибора для показа опытов с герцевскими волнами и сделал к нему механическое устройство для встряхивания опилок (часовой механизм, молоточек электрического звонка). Лодж назвал свой индикатор электромагнитных волн "когерером" (от лат. cohesion – сцепление, спаивание). Другой важной частью задачи практического воплощения идеи радиосвязи являлась разработка устройства, наилучшим образом излучающего электромагнитную энергию в окружающее пространство и извлекающего ее оттуда, т. е. антенны. Отыскание наиболее совершенных конструкций таких посредников между электромагнитным полем и аппаратурой было важно для увеличения дальности действия связи без проводов в такой же мере, как и повышение чувствительности приемника. Первые антенны были использованы Г. Герцем в опытах 1887–1888 годов и представляли собой симметричный излучатель и резонатор в форме петли (в приемном устройстве). В статье "Об электрическом излучении и его концентрации с помощью линз", опубликованной в 1889 году, О. Лодж и Д. Говард писали, что "для дальних передач линейный осциллятор является наилучшим". Из всех ученых, занимавшихся опытами с электромагнитными волнами, Н. Тесла и О. Лодж, несомненно, ближе других были к изобретению нового средства связи. Но если ни Бранли, ни Лодж не ставили перед собой практических целей и впоследствии недвусмысленно заявили об этом,  то Тесла много лет вынашивал идею беспроводной передачи энергии на расстояние методом возбуждения Земли как большого колебательного контура. Он увлек этой мыслью многие умы, разработал источники высокочастотной электромагнитной энергии и ее излучатели, но у него не было важнейшего звена электромагнитной волновой связи – приемника, чувствительного индикатора.

4. Изобретение радиоприемника и создание первой линии радиосвязи

Заслуга в изобретении нового рода связи – радио – принадлежит русскому физику Александру Степановичу Попову. Чтобы понять логику прихода А. С. Попова к мысли о применении электромагнитных волн для беспроводной связи и правильно оценить исторические события того времени, следует иметь в виду три обстоятельства. Во-первых, А. С. Попов, как сотрудник военно-морского технического учебного заведения, прекрасно понимал, что именно флот в первую очередь испытывает нужду в беспроводном средстве связи, что существующие методы сигнальной связи не всегда эффективны, а посредством электрической индукции не удалось обеспечить нужных расстояний. Во-вторых, творчески изучив работы Герца и его последователей, он убедился, что именно открытие Герца дает принципиальные возможности для решения задачи беспроводной связи. В-третьих, из многочисленных опытов с электромагнитными волнами А. С. Попов хорошо представлял (и это определяло исходные позиции его дальнейших работ), что основные принципиальные элементы, с помощью которых можно произвести беспроводную сигнализацию на электромагнитных волнах, уже существуют – созданы Герцем и его последователями. Но предстояла трудная задача усовершенствовать их и приспособить для конкретных практических целей – для связи. Поэтому Попов занялся планомерными и настойчивыми поисками технических решений для создания беспроводного средства морской связи. Анализируя те средства, которыми уже располагала наука, А. С. Попов убедился, что в качестве источника электромагнитных волн для передачи сигналов на расстояние вполне пригоден генератор, использованный Герцем, "вибратор Герца" или его модификации, например, предложенные А. Риги, О. Лоджем и др. Вибратор Герца был прост, а работал достаточно надежно и устойчиво. В процессе физических опытов А. С. Попов убедился, что его можно использовать в качестве передатчика электромагнитных колебаний, если с помощью любого включателя (например, телеграфного ключа) первичную обмотку индукционной катушки присоединять к источнику питания в соответствии с кодом передаваемого сигнала. Столь же очевидным для Попова было и то, что главные условия в экспериментальной работе должны быть направлены на создание надежного и устойчиво работающего индикатора электромагнитных волн. Лабораторные приборы, индикаторы электромагнитных волн, применяемые Э. Бранли и О. Лоджем, были, конечно, значительно удобнее, чем резонатор Герца. Тем не менее они, в их тогдашнем виде, еще не могли быть использованы для выполнения целей связи. Встряхивание трубочки "радиокондуктора " Бранли для приведения его в чувствительное состояние производилось вручную в произвольные моменты времени. В когерере О. Лоджа встряхивание происходило по "жесткой программе" механическим устройством. В обоих случаях прием сигнала в промежутки времени между предшествующим срабатыванием и последующим встряхиванием был невозможен. Кроме того, и это, пожалуй, главное, – радиокондуктор Бранли и когерер Лоджа были весьма несовершенны, имели низкую чувствительность и нестабильность параметров и срабатывали ненадежно, далеко не от каждого электромагнитного сигнала. Начиная работать над решением проблемы создания беспроводной связи, А. С. Попов поставил перед собой две задачи, которые определили два этапа его экспериментов. Первая задача состояла в создании достаточно чувствительного и безотказного в работе индикатора, способного действовать на больших расстояниях от генератора.

Путь решения этой задачи был чисто экспериментальным. После многочисленных исследований в начале 1895 года Попову удалось сконструировать достаточно чувствительный и надежный когерер, представлявший собой стеклянную трубку с платиновыми электродами и мелкими железными опилками. Суть второй своей задачи А. С. Попов определял следующим образом: "Добившись удовлетворительного постоянства чувствительности при употреблении трубки с платиновыми листочками и железным порошком, я поставил себе еще другую задачу: добиться такой комбинации [элементов конструкции], чтобы связь между опилками, вызванная электрическим колебанием, разрушалась немедленно, автоматически". При решении этой задачи Попов включил в цепь когерера и батареи телеграфное реле, которое при замыкании когерера срабатывало и, в свою очередь, включало цепь, состоящую из обычного электрического звонка. Сам же звонок располагался таким образом, чтобы молоточек при движении ударял о когерер и встряхивал его. Так родился принцип автоматического "декогерирования". Четко понимая роль достигнутого автоматизма действия прибора, А. С. Попов отмечал, что "такая комбинация, конечно, удобнее, потому что будет отвечать на электрические колебания, повторяющиеся одно за другим". В начале 1895 года Попов сконструировал переносный прибор для обнаружения и регистрирования электрических колебаний, существенно отличавшийся от лабораторных индикаторов Бранли и Лоджа, которые не предназначались для технических нужд. Прибор Попова был первым техническим средством индикации электромагнитных волн, практически пригодным для целей связи. Продолжая работу, А. С. Попов вместе со своим ассистентом П. Н. Рыбкиным перенес эксперименты в сад Минного офицерского класса в Кронштадте. Для увеличения чувствительности прибора и увеличения возможностей обнаружения электромагнитных волн на значительно больших расстояниях к когереру в качестве антенны был присоединен отрезок проволоки. Присоединением антенны Попов завершил создание классической принципиальной схемы приемного устройства, которая, можно сказать, без изменений сохранилась вплоть до наших дней. Современные радиоприемные устройства также имеют и антенну, и волноуказатель  (детектор), и регистрирующий прибор на выходе.3 Позднейшая техника добавила к этим основным частям лишь усилительные каскады. Электромагнитное устройство, служившее у Попова для встряхивания заключенного в когерере металлического порошка, на современном языке может быть названо системой обратной связи, так как это устройство, воздействовавшее на входную цепь приемника, срабатывало от того эффекта, который создавался на входе (замыкание реле, соединенного с оконечным устройством). Именно использование принципа обратной связи позволило Попову создать качественно отличный от предыдущих прибор – первый практически действующий радиоприемник.

Изобретение прибора, способного принимать радиотелеграфные сигналы, и первые успешные опыты с ним в Минном офицерском классе показали всю практическую ценность нового средства электрической связи, которое не требовало никаких соединительных проводов. Закончив первый этап работ, А. С. Попов решает выступить с сообщением о своих опытах перед аудиторией ученых. Его доклад состоялся на заседании физического отделения Русского физико-химического общества, которое происходило в помеще нии физической аудитории Петербургского университета 25 апреля 1895 года. А. С. Попов подробно рассказал о результатах своих опытов и продемонстрировал действие "прибора для обнаружения и регистрирования электрических колебаний" от герцевского вибратора, включенного во вторичную обмотку катушки Румкорфа; в первичной цепи катушки имелся выключатель.

Первое печатное сообщение о докладе и работах А. С. Попова было помещено в морской газете "Кронштадтский вестник" 30 апреля 1895 года.

В декабре 1895 года А. С. Попов подготовил подробную статью о своих работах, которая была опубликована в январском номере Журнала русского физико-химического общества. В этой статье он подробно изложил ход своих исследований, в том числе наблюдения над влиянием атмосферного электричества на его прибор. Подчеркивая высокую чувствительность построенного прибора, Попов отмечал, что он "может служить для различных лекционных опытов с электрическими колебаниями и, будучи закрыт металлическим футляром, с удобством может быть приспособлен к опытам с электрическими лучами". И далее говорит еще об одном, метеорологическом применении прибора, если его присоединить к проводнику громоотвода, "когда этот проводник подвергается действию электромагнитных пертурбаций, происходящих в атмосфере". Полагая, что дальнейшее развитие работ по использованию прибора для беспроводной связи на большие расстояния будет связано с совершенствованием также и передающего устройства, т. е. с увеличением его мощности.

 Именно этим можно объяснить тот факт, что первое применение радиоприемник А. С. Попова нашел в области метеорологии для регистрации гроз, получив название "грозоотметчика". Летом 1896 года в зарубежной печати появились сообщения об опытах с электромагнитными волнами, которые проводил итальянец Г. Маркони. Молодой итальянец получил домашнее образование, при этом частные уроки физики ему давал профессор В. Роза. Кроме того, Г. Маркони посещал институт Кавалеро во Флоренции и

Национальный институт в Ливорно. Занятия эти были нерегулярными и, главным образом, частными, поэтому ему не удалось получить никакого официального документа об образовании. Проведя ряд опытов с электромагнитными волнами, Маркони решил применить их для создания системы беспроводной связи. В 1896 году он приехал в Англию, где ему удалось заинтересовать своей идеей английское почтово-телеграфное ведомство и адмиралтейство. Директор британских телеграфов, физик и электротехник В. Приспринял деятельное участие в испытании приборов Маркони и помог ему провести работы по осуществлению опытов беспроводной связи. В сентябре 1896 года в газетах сообщалось о беспроводной передаче сигналов, проведенной Маркони в районе Солсбери Плейн на расстоянии около 7 км. Весной 1897 года Маркони достиг в Бристольском канале дальности около 16 км. Эти опыты привлекли внимание представителей деловых кругов Великобритании, и в 1897 году Маркони организовал крупное акционерное общество "Marconi Wireless Telegraph and Signal Company Ltd", много сделавшее для развития беспроводной связи.

В июне 1896 года Г. Маркони подал в Британское патентное ведомство заявку на "усовершенствования в передаче электрических импульсов и сигналов на расстояние и в аппаратуре для этого", 2 марта 1897 года уточняет свою заявку на изобретение и в июле 1897 года получил патент.2 После этого в докладе, сделанном В. Присом в Королевском институте, были описаны приборы Маркони и стал ясен их принцип действия. За исключением второстепенных деталей, аппаратура Маркони по схеме и принципу действия была полностью аналогична приборам для беспроводной связи, которые разработал А. С. Попов за 14 месяцев до этого. Использовал он и автоматическое восстановление чувствительности когерера. В качестве передатчика Маркони использовал вибратор А. Риги с излучателем (в форме шаров в масле), работавшим на волнах длиной около 120 см. Следует подчеркнуть, что сходство первых приемных аппаратов А. С. Попова (1895) и Г. Маркони (1896) было еще и в том, что индикация сигналов производилась на слух по звукам электромагнитного ударника, встряхивающего когерер (у Попова – молоточка электромагнитного звонка, у Маркони – специального электромагнитного ударника). Включение встряхивателя и у Попова, и у Маркони производилось чувствительным телеграфным реле, которое было включено последовательно с батареей в цепь когерера. Некоторые незначительные отличия были у них в конструкции когерера: когерер Попова представлял собой стеклянную трубку с полуцилиндрическими платиновыми электродами, между которыми был небольшой зазор с мелкими железными опилками; у Маркони когерер был также в виде стеклянной трубки с плотно введенными в нее с двух сторон цилиндрическими серебряными электродами, зазор между которыми был заполнен мелкими железными опилками. Не вдаваясь в детальный анализ многолетнего спора о приоритете в изобретении радио, переместившегося уже давно из научной плоскости в плоскость демагогии, отбросив симпатии и антипатии, а также эмоции, следует обратиться к правовым аспектам данной проблемы. Так, согласно основополагающим положениям патентного законодательства большинства стран, выступление А. С. Попова перед научной об щественностью России (неограниченным кругом лиц) 25 апреля 1895 года с изложением устройства и принципа работы изобретенного им прибора для обнаружения и регистрации электрических колебаний (радиоприемника) является основанием, вопервых, к отдаче приоритета в изобретении радиоприемника А. С. Попову и, вовторых, к признанию данного доклада как источника, который мог порочить новизну любого аналогичного устройства (в том числе и заявленного Г. Маркони в Англии 2 июня 1896 года и уточненного 2 марта 1897 года) при попытке получить на него охранный документ в патентном ведомстве любого государства, патентным законом которого предусматривалась мировая новизна заявляемого объекта при экспертизе заявки на изобретение. Кроме того, в дополнение к многочисленным материалам, относящимся к данному вопросу, 2 следует привести редко упоминающееся, но весьма убедительное мнение министра почт и телеграфов Германии Кретке, высказанное в речи перед делегатами международной Берлинской предварительной конференции по беспроволочному телеграфу в 1903 году. Отмечая вклад А. С. Попова в изобретение радио, Кретке сказал:

"В 1895 году Попов... пришел на мысль воспользоваться волнами Герца для передачи телеграфных знаков и он устроил первый аппарат искровой телеграфии."

Относительно изобретения Г. Маркони было сказано что он "...первый употребил воздушную проволоку также для передающей станции и открыл новые пути практическому применению искровой телеграфии. Одновременно с ним и другие известные изобретатели работали над усовершенствованием этого телеграфа". Таким образом вклад Г. Маркони оценивался именно "усовершенствованием" радиоаппаратуры, как это и отмечено в его заявке на изобретение и формуле изобретения.4 В связи с этим уместно также привести слова академика Л. И. Мандельштама:

"Настоящим изобретателем по праву может считаться тот, кто дал идее конкретное осуществление, кто конкретными устройствами слил идею и осуществление в одно органическое целое, после чьих работ не остается сомнения в том, что поставленная практическая цель достигнута".

Человеком, решившим данную задачу в области радиотехники, является русский физик А. С. Попов. Изобретение прибора, способного принимать радиотелеграфные сигналы, и первые успешные опыты с ним, проведенные А. С. Поповым в России и Г. Маркони в Англии, ясно показали миру всю практическую ценность нового электрического средства связи, которое не требовало никаких соединительных проводов. Стадия лабораторных опытов, представлявших чисто научный интерес, была уже пройдена. Появилась новая область техники, получившая в то время название техники беспроволочной (искровой) телеграфии.

5. История КВ радиосвязи

О существовании ионизированной области в атмосфере высказывали предположения многие исследователи еще в конце прошлого столетия. Такое предположение позволяло объяснить изменения магнитного поля Земли.

В 1902 г., всего через несколько лет после открытия А. С. Поповым распространения радиоволн, английские ученые Кеннеди и Хевисайд высказали гипотезу о существовании в атмосфере поверхностей, отражающих радиоволны, т. е. ионизированной области. Согласно гипотезе от этой области происходит отражение радиоволн и благодаря этому распространение их на большие расстояния. Большую роль в подтверждение этой гипотезы сыграли радиолюбители, которые с помощью маломощных коротковолновых передатчиков устанавливали радиосвязи на очень большие расстояния [4].

Исключительно важное для практики свойство ионосферы отражать радиоволны, благодаря чему можно создавать линии радиосвязи на очень большие расстояния, побудило исследователей многих стран, и в том числе Советского Союза, начать интенсивные экспериментальные и теоретические исследования структуры ионосферы, а также процессов, происходящих в ней.

В начале 20-х годов советский ученый М. В. Шулейкин установил, что в ионосфере должно быть по крайней мере два максимума электронной концентрации: один на высоте порядка 100 км, а другой на высоте 200 км. Анализируя результаты измерений напряженности поля дальних радиостанции в различных пунктах земной поверхности, он пришел также к выводу о существовании в ионосфере неоднородностей, имеющих форму облаков [9].  В результате отражения радиоволн от таких облачных образований к антенне приемного устройства могут прийти два и более лучей, при сложении которых возможно либо усиление, либо ослабление (замирание) принимаемого сигнала. Итогом работы М В. Шулейкина была разработка основ современной теории преломления радиоволн в ионосфере. Его работы о влиянии ионосферы на распространение радиоволн нашли дальнейшее развитие в последующих исследованиях Л. А. Жекулина, В. Л. Гинзбурга и ряда других ученых. В середине 20-х годов одной из актуальных проблем была проблема распространения коротких волн. Освоение техники коротких волн и использование их для радиосвязи на большие расстояния тормозились незнанием законов их отражения от ионосферы [9].

Большое значение в изучении ионосферы сыграло экспериментальное изучение особенностей распространения коротких радиоволн." В конце 20-х годов под руководством М. А. Бонч-Бруевича организовываются такие исследования. В Нижегородской радиолаборатории (г. Горький) был установлен опытный коротковолновый передатчик, сигналы которого принимались в разных городах Советского Союза. Одновременно с этим приемная станция вела систематические наблюдения за прохождением коротких волн от передатчиков, установленных в разных городах Советского Союза.

В 1925 г. М. А. Бонч-Бруевич обратился к ректору Томского университета с предложением включиться в работу по изучению распространения коротких волн. Предложение было принято, и в короткое время была организована опытная линия коротковолновой связи Томск—Нижний Новгород. В результате круглосуточной работы в течение 4 лет был получен большой экспериментальный материал, который помог установить основные законы распространения коротких радиоволн [4].

В 1929 г. при Томском университете была впервые в СССР осуществлена опытная коротковолновая связь между движущимися судовыми и неподвижными береговыми радиостанциями.

Началом широких экспериментальных исследований ионосферы в СССР можно считать второй Международный полярный год, 'проводившийся в 1932—1933 гг.— в годы минимума солнечной активности. Начало этих исследований также связано с именем руководителя Нижегородской радиолаборатории М. А. Бонч-Бруевича. В 1932 г. под его руководством были проведены первые в СССР ионосферные измерения, для проведения которых необходимо было создать новую аппаратуру. Предложенный Бонч-Бруевичем принцип использования маломощных ламп специальной конструкции для получения больших мощностей в импульсе нашел впоследствии применение во всех ионосферных, в том числе и современных станциях. Ионосферная (Станция, построенная Бонч-Бруевичем, проводила радиозондирование ионосферы сначала в Ленинграде, а потом в Мурманске.

Основным элементом схемы ионосферного передатчика, построенного Бонч-Бруевичем, был самовозбуждающийся ламповый генератор, который отдавал свою энергию антенне. Анодное питание генератора осуществлялось от выпрямителя напряжением 20 ООО в. Оно накапливалось на конденсаторе и подавалось на аноды ламп генератора в моменты времени, когда конденсатор с помощью контакта подсоединялся к генератору. Контакт представлял собой конец иглы, вращаемый электродвигателем со скоростью 50 об/сек. Отраженные от ионосферы импульсы принимались приемным «устройством [9], расположенным недалеко от передатчика, и регистрировались осциллографом.

В том же 1932 г. начала действовать еще одна ионосферная станция, установленная в Москве на Радиоиспытательной станции, где наблюдения проводились на фиксированных частотах.

В 30-е годы работы по изучению распространения коротких волн и влиянию на них ионосферы продолжались под руководством В. Н. Кессениха [5]. Большое значение в проведении этих работ сыграл известный в то время коротковолновик-радиолюбитель Н. Д. Булатов.

К середине 30-х годов при Томском университете сформировался коллектив опытных радиоспециалистов и исследователей. В 1936 г. здесь под руководством Н. Д. Булатова создается ионосферная станция, которая с тех пор ведет непрерывные наблюдения за состоянием ионосферы. За 27 лет непрерывной работы станции накоплен экспериментальный материал более чем за два 11-летних цикла солнечной активности. Обработка и анализ этого материала в значительной степени помогли выявлению основных особенностей строения ионосферы и процессов, происходящих в ней [8].

Опыт изучения ионосферы показал, что для наблюдения за быстрыми изменениями ее состояния необходимо иметь возможность получать характеристику состояния ионосферы за несколько секунд. Для этого Булатовым в 1936 г. был предложен панорамный метод снятия высотно-частотных характеристик, при котором они последовательно получаются на экране осциллографа как изображение на экране телевизора. Панорамный метод применяется в настоящее время на всех современных ионосферных станциях.

Еще одним исследователем ионосферы и распространения коротких волн был А. Н. Щукин. Он  начал свою работу еще в 1925 г. Сначала для наблюдения за распространением коротких волн он использовал простое приемное устройство. Впоследствии им была разработана оригинальная конструкция коротковолнового измерителя, пользуясь которым он впервые количественно измерил напряженность поля коротких радиоволн. Для изучения особенностей замираний на коротких волнах им применялось фото-записывающее устройство [7,9]. Проанализировав большое число измерений напряженности поля и эксплуатационные данные по прохождению коротких волн, А. Н. Щукин в 1932 г. публикует первый метод расчета напряженности поля в диапазоне коротких волн.

В результате большой работы, проведенной разными исследователями по изучению прохождения коротких радиоволн, А. Н. Казанцев построил карты ионизации слоя F2 и других слоев для всего земного шара. В 1946 г. он предложил, а в 1956 г. усовершенствовал метод расчета напряженности поля по таким картам. Метод расчета - А. Н. Казанцева в настоящее время широко применяется для расчета коротковолновых линий радиосвязи.

Экспериментальные исследования ионосферы в арктических районах и, в частности, на дрейфующих полярных станциях связаны с именем изобретателя и конструктора Ф. Я. Заборщикова, работающего в Арктическом и антарктическом институте в Ленинграде. Начиная с 1954 г., ведутся непрерывные наблюдения на ионосферной станции в обсерватории «Мирный» в Антарктиде [7].

Результаты экспериментальных исследований ионосферы послужили базой для теоретических исследований по ионосфере. Так, в 1930 г. независимо друг от друга советским ученым С. И. Крючковым и английским геофизиком Чепменом были сформулированы основы теории образования в ионосфере простого ионизированного слоя. Теоретическим исследованиям процессов в ионосфере посвящены также работы В. Л. Гинзбурга, С. М. Рытова, Я. Л. Аль-перта и др.

Дальнейшим шагом в исследовании ионосферы был Международный геофизический год (МГГ), проводившийся в течение 1957—1958 гг. в период максимальной солнечной активности, в котором Советский Союз принимал деятельное участие. Характерной особенностью исследований ионосферы в период МГГ было большое число стран, участвующих в этом мероприятии, а также согласованность в 'программах наблюдений и их объеме. Международный геофизический год был примером делового содружества ученых многих стран. В период МГГ получен огромный экспериментальный материал, обработка и анализ которого в ближайшие годы позволят глубже проникнуть в процессы, происходящие в ионосфере, и помогут овладеть их законами [5,8].

В период проведения МГГ во всех странах, и в том числе в СССР, были значительно расширены наблюдения за ионосферой с помощью ионосферных станций, сеть которых была значительно увеличена. Всего во время МГГ во всех странах мира велись наблюдения за ионосферой примерно на 160 ионосферных станциях.

Во время МГГ были организованы новые виды исследований ионосферы с помощью геофизических ракет и искусственных спутников Земли. Большое внимание было уделено организации измерений поглощения в ионосфере, исследований неоднородностей в ней и работам по возвратно-наклонному зондированию [4,7].

Ракетные исследования атмосферы в Советском Союзе были начаты еще в 1933 г., когда впервые была запущена исследовательская ракета. Применение разработанного советскими учеными метода отделяемого от ракеты контейнера позволило установить еще в 1951 г., что данные ракетных измерений давления воздуха, выполненные в США, приблизительно в 10 раз превышают действительные значения. Подобные ошибки объяснялись тем, что измерительная аппаратура во время измерений находилась в непосредственной близости от нагретой ракеты.

Особо большой размах ракетные исследования в верхней атмосфере приняли в период Международного геофизического года. Осуществляя программу МГГ, 21 февраля 1958 г. с территории европейской части СССР была запущена одноступенчатая геофизическая ракета, достигшая рекордной по тому времени высоты (473 км). В числе других важных измерений, проводимых с помощью ракеты, впервые было экспериментально измерено распределение электронной концентрации в ионосфере до высоты 473 км.

Большие перспективы экспериментального исследования ионосферы открылись после запуска искусственного спутника Земли (ИСЗ), произведенного впервые в Советском Союзе 4 октября 1957 г [8]. Спутник был запущен во исполнение программы исследований МГГ. Уже первый полет спутника дал исключительные материалы по изучению ионосферы. Во время полета первого спутника была измерена плотность атмосферы по результатам наблюдений за уменьшением периода обращения спутника вследствие торможения земной атмосферой. При последующих запусках советских и американских спутников Земли и космических кораблей, запущенных в направлении Луны, были измерены интенсивность космического излучения, давление и состав атмосферы, а также ультрафиолетовое и корпускулярное излучения Солнца, распределение электронной Концентрации ионосферы по высоте и некоторые другие.

Результатом экспериментальных исследований околоземного пространства было открытие трех радиационных поясов, расположенных примерно на .высоте 1 600, 3 600 и 60 000 км. Открытие неизвестных ранее радиационных поясов Земли имеет большое значение, так как наличие в околоземном пространстве областей заряженных частиц, энергия которых измеряется сотнями тысяч и миллионами электронвольт, представляет большую опасность для космонавтов.

С запуском геофизических ракет, ИСЗ и космических ракет удалось установить, что ионосфера простирается вплоть до 20 000 км. Было обнаружено, что в ней отсутствуют резкие провалы ионизации между слоями Е, D, F\ и F2, как это представляли раньше [3,8].

В 1946 г. Н. И. Кабанов, наблюдая за ионизированными следами метеоров, вторгающихся в земную атмосферу и сгорающих в ней, установил новое явление, названное впоследствии его именем. Им было обнаружено, что отраженные от ионосферы радиоволны, падая на земную поверхность, могут ею частично рассеиваться. Часть энергии рассеянной волны возвращается к источнику излучения и может быть обнаружена, например, на экране осциллографа. Открытие Кабанова привело к появлению нового вида радиолокации на коротких волнах, которую называют ионосферной радиолокацией. С ее помощью можно проводить наблюдения далеко за пределами горизонта. Например, за тысячи километров можно определять место атомного взрыва. Помимо ионосферной радиолокации, эффект Кабанова позволяет проводить возвратно-наклонное зондирование ионосферы и тем самым получать оперативные сведения о состоянии ионосферы на коротковолновой линии связи. Это позволяет повысить эффективность работы коротковолновой линии радиосвязи и уменьшить взаимное действие радиостанций [7].

О существовании в ионосфере неоднородностей указывали еще М. В. Шулейкин в 1923 г. и М. А. Бонч-Бруевич в 1933 г. Экспериментальные исследования ионосферных неоднородностей, особенно за последние 15 лет, привели к открытию явления распространения УКВ на расстояния, превышающие дальность прямой видимости, благодаря рассеянию радиоволн на этих неоднородностях [9]. Характерная особенность таких линий радиосвязи заключается в исключительно высокой надежности их работы во время ионосферных возмущений и поглощений, когда радиосвязь на коротких волнах обычно прерывается. Это особенно важно для полярных районов, где ионосферные возмущения и поглощения — частые явления.

6. Возникновение ионосферы

Ионосфера - это самый верхний слой атмосферы, он начинается на высоте около 50-ти километров и простирается до границы магнитосферы Земли. Ионосфера содержит большое количество ионизированных молекул и свободных электронов и является щитом, оберегающим Землю от смертоносного потока солнечной радиации. Собственно, и самим своим возникновением ионосфера в значительной мере обязана Солнцу. Ядерные процессы, происходящие на поверхности светила, сопровождаются истечением плазмы в межпланетное пространство. Этот так называемый солнечный ветер мог бы истребить всё живое на нашей планете, если бы не защитный барьер - магнитное поле Земли, отражающее большую часть заряженных частиц. Однако для ультрафиолетового и рентгеновского излучения магнитное поле Земли - не преграда. Это излучение проникает в верхние слои атмосферы, сталкивается там с молекулами воздуха и вызывает их ионизацию. Вокруг планеты образуется плазменная оболочка, препятствующая дальнейшему проникновению радиации [3].

Ионосферу невозможно изучать без соответствующего исследования процессов на Солнце и их влияния на процессы в земной атмосфере. Это утверждение, прежде всего, основывается на том, что излучение Солнца - основной источник энергии для атмосферных процессов. Более того, специфическая ионизирующая радиация, которая и является причиной существования ионосферы, или прямо возникает в результате определенных процессов на Солнце, или сильно зависит от солнечных магнитных полей. Излученная Солнцем ионизирующая радиация составляет лишь небольшую часть всей его энергии излучения. Тем не менее, влияние Солнца оказывается весьма значительным, если речь идет о распространении радиоволн. Еще более сильным оказывается влияние избыточной ионизирующей радиации, которая возникает в результате возмущений на Солнце.

Ионосфера образуется при фотоионизации атмосферных компонент рентгеновским излучением Солнца и коротковолновым (короче 1300 А) ультрафиолетовым излучением. Исключением является нижняя область D; она образуется галактическими космическими лучами. Несмотря на обширное количество сведений об ионосфере, относительное влияние этих излучений еще не достаточно ясно. Причина этого заключается в том, что еще мало точных данных о характеристиках ионизирующего излучения Солнца и недостаточно знаний о процессах деионизации и их скоростях. В настоящее время самая главная проблема - это, вероятно, недостаток знаний об излучении Солнца [4].

Солнечные вспышки являются наиболее важной частью солнечной активности, влияющей на ионосферу. Во время этих возмущений, которые будут описаны более подробно далее, происходит интенсивное излучение в рентгеновской области спектра. Рентгеновские лучи с большой энергией проникают глубоко в ионосферу, в результате чего ионизированные области образуются на малых высотах, а это существенным образом изменяет характеристики распространения радиоволн, так что временами происходит полное прекращение радиосвязи на высоких частотах. Поток энергии, вызывающий подобные эффекты, может быть меньше, чем 10-2 эрг/см2·сек.

Иногда во время солнечных вспышек происходит излучение большого количества протонов, которые являются причиной временной повышенной ионизации на малых высотах (область D) в районе полярных шапок. Солнечные вспышки также сопровождаются геомагнитными возмущениями, что влияет на поведение потоков электронов в полярных областях, вызывая уменьшение интенсивности космических лучей.

Солнечная активность связана с числом пятен на диске Солнца. Среднее число пятен изменяется с периодом приблизительно 11 лет. Средняя степень ионизации ионосферы и количество возмущений, следовательно, также изменяется с солнечным циклом [4].

Идея о существовании ионосферы в виде некоторого слоя всегда была присуща ионосферным теориям. В количественной форме эта идея была впервые выражена в теории образования ионосферного слоя, созданной Чепменом в 1931 г. Хотя в дальнейшем ряд авторов уточнили условия образования истинного "слоя Чепмена", сама идея все еще остается фундаментальной для ионосферных моделей. Это означает, что для соответствующих атмосферных компонент и длин волн ионизирующей радиации могут быть найдены высота и скорость максимума ионизации. Существующие в настоящее время модели учитывают просто более широкую полосу спектра ионизирующей радиации и охватывают большее количество атмосферных компонент [3].

Существование ионосферных слоев зависит как от образования электронно-ионных пар и их последующей судьбы, что определяется свойствами ионизируемой компоненты, так и от вида и концентрации окружающей нейтральной среды.

В настоящее время вместо наименования "слой" более употребительным стал термин "область". Основой для такого изменения послужили ракетные измерения, в результате которых оказалось, что в ионосфере нет четко ограниченных слоев, представление о которых возникло при интерпретации радиолокационных исследований. И теоретические модели, и эксперименты показывают, что "слои" представляют собой просто большие градиенты электронной концентрации. Градиенты и максимумы концентрации перемещаются (в ограниченной области высот) под влиянием солнечной активности. Область D располагается ниже примерно 90 км. Хотя иногда встречаются упоминания о лежащей еще ниже области С, такое обозначение применяется редко. Промежуток между областью F (около 180 км) и 90 км обычно рассматривается как область Е. Граничные высоты, конечно, не определяются точно. Мы будем рассматривать области ионосферы, расположенные на высотах ниже 160 км, и, следовательно, будем иметь дело в основном с областями D и Е [5].

Современные исследования показали, что действие солнечного ветра может значительно влиять на электронную плотность ионосферы экваториальных и тропических широт, особенно в период активизации вспышечной активности Солнца.

1. Механизмы ионизации

Процесс ионизации заключается в отрывании одного (реже нескольких) электронов из наружной оболочки атома. В результате этого электрическое равновесие нарушается, и атом приобретает один (или несколько) элементарных зарядов. Электроны, входящие в наружную оболочку, притягиваются к положительно заряженному ядру, поэтому для их удаления из сферы притяжения необходимо затратить вполне определённую работу, называемую работой ионизации или работой выхода.

Рассмотрим два вида ионизации, а именно фотоионизацию и ударную ионизацию. Фотоионизация – основной вид ионизации для среднеширотной ионосферы, тогда как в полярной ионосфере ионизация осуществляется в основном высыпающимися через полярные каспы высокоэнергичными частицами (ударная ионизация).  

Обозначая работу ионизации через W, можно утверждать, что если данный газ подвергается действию лучей с энергией фотонов hv, то ионизация может произойти при соблюдении условия

hv >W,                                       (1)

которое можно переписать в виде

где                                              

Неравенство (1) показывает, что ионизация данного газа происходит при воздействии излучения, частота которого превышает некоторое критическое значение, называемое ионизующей частотой (или, при выражении частоты в длинах волн, ионизующей длиной волны). Никакое увеличение интенсивности излучения (числа фотонов), частота которого не удовлетворяет неравенству (1), не может привести к ионизации газа [5].

При малых скоростях выбиваемых электронов, когда релятивистскими поправками можно пренебречь, общий баланс энергии выражается равенством

Приведённая формула показывает, что увеличение частоты излучения при неизменном числе фотонов приводит к увеличению скорости выбиваемых электронов. Так обстоит дело при фотоионизации.

При ударной ионизации непосредственной причиной вырывания периферического электрона из сферы притяжения ядра является попадание в молекулу или атом частицы (корпускулы), обладающей достаточным запасом кинетической энергии. Полагая по-прежнему, что релятивистской поправкой на массу движущихся частиц можно пренебречь, условие ионизации можно написать в виде неравенства

>W,

или в виде                                    

где                                              

— критическое  значение   скорости  частицы,   при   которой   наступает ионизация.         Общий баланс энергии при этом будет выглядеть так:      

Здесь  и  соответственно масса и скорость ионизующей частицы, а т и  — масса и скорость выбитого электрона. Связь между кинетической энергией и работой ионизации устанавливается соотношением

где е — заряд электрона в кулонах, a U — разность потенциалов в вольтах, по прохождении которой покоившийся в начале движения электрон приобретает скорость . Легко установить связь между ионизующей длиной волны и ионизующей энергией W, эВ.

т.е.                                    .

Исследования показывают, что ионизация даже наиболее легко ионизуемого газа (окиси азота) может быть осуществлена только весьма короткими ультрафиолетовыми лучам.

Отметим, что земной поверхности достигает только длинноволновое ультрафиолетовое излучение с длинами волн, превышающими 2900А. Более короткие из ультрафиолетовых лучей целиком поглощаются в верхних слоях атмосферы, затрачивая энергию на ионизацию, диссоциацию, образование слоя озона, фотохимические реакции и другие процессы [5].

2.  Источники ионизации

Основным источником ионизации днем является коротковолновое излучение Солнца с длиной волны λ короче 1038 Ǻ, однако важны также и корпускулярные потоки, галактические и солнечные космические лучи и др. Каждый тип ионизирующего излучения оказывает наибольшее действие на атмосферу лишь в определенной области высот, соответствующих его проникающей способности. Так, мягкое коротковолновое излучение Солнца с λ=85-911Ǻ большую часть ионов образует в ионосфере в области 120-200 км (но действует и выше), тогда как более длинноволновое излучение с λ=911-1038Ǻ вызывает ионизацию на высотах 95-115 км, т.е. в области Е, а рентгеновское излучение с λ короче 85Ǻ - в верхней части области D на высотах 85-100 км. В нижней части области D, ниже 60-70 км днем и ниже 80-90 км ночью, ионизация осуществляется галактическими космическими лучами. Существенный вклад в ионизацию области D на высотах около 80 км вносят корпускулярные потоки (например, электроны с энергией ≤30-40 кэВ), а также солнечное излучение первой линии серии Лаймана (Lα) водорода c λ=1215.7Ǻ

Ионизацию создают также метеоры, вторгающиеся в земную атмосферу со скоростями 11—73 км/сек. Метеорное вещество нагревается при попадании в плотные слои атмосферы, испаряется, причем частицы вещества, будучи ионизированными, ионизируют окружающий воздух. За счет метеорной ионизации возрастает средний уровень ионизации. Это сказывается главным образом в предутренние часы [6].

Кроме повышения среднего уровня ионизации, метеоры создают местную ионизацию. За метеором образуется столб ионизированного воздуха, имеющий форму цилиндра. След метеора быстро расширяется и рассеивается, существуя в атмосфере от одной до нескольких секунд. Такие ионизированные следы метеоров образуются на высоте 80—120 км над земной поверхностью. Заметную ионизацию создают частицы массой более 105 г.

 Простые рассуждения показывают, что даже в однородной по составу атмосфере число электронов, образующихся в 1 см3 в 1 сек, не постоянно и имеет некоторый максимум. Действительно плотность ионизирующего потока убывает с приближением к земной поверхности (энергия потока тратится на ионизацию), а давление уменьшается с высотой. На больших высотах в области малых давлений содержится незначительное число молекул, способных ионизироваться, поэтому плотность ионизации в этой области мала. На небольших высотах плотность ионизирующего потока мала и энергия его недостаточна для ионизации большого числа молекул [6]. На некоторой высоте давление и плотность потока излучения достаточно велики, и в этой области образуется максимальное число электронов.

Процессом, обратным ионизации, является процесс нейтрализации, или рекомбинации. Наблюдаемые в ионосфере концентрации ионов и электронов есть результат баланса между скоростью их образования в процессе ионизации и скоростью уничтожения за счет рекомбинации и других процессов.  Скорость исчезновения ионов в ионосфере характеризуется эффективным коэффициентов рекомбинации , который определяет величину  и ее изменение во времени. Например, когда известен источник ионизации, т.е. скорость образования ионов в 1 см³ в 1 сек – , то

Значения  для различных областей ионосферы различны.

3.  Исчезновение свободных зарядов в верхних слоях атмосферы

Наибольшее влияние на распространение радиоволн оказывают свободные электроны, являющиеся более легкими и подвижными, чем ионы. Поэтому следует учитывать главным образом число электронов, имеющихся на той или иной высоте в  атмосфере [8].

Ионосфера в целом является квазинейтральной, т. е. число имеющихся в ней положительных зарядов равно числу отрицательных зарядов.

Заключение

Коротковолновая связь с помощью ионосферного канала широко используется в течение многих лет и она обладает целым рядом несомненных достоинств. Одним из основных преимуществ КВ-радиосвязи является возможность поддерживать связь на расстояниях от нуля до нескольких тысяч километров без использования промежуточной базовой аппаратуры за счет особенностей распространения радиоволн в данном диапазоне. Кроме того, к неоспоримым достоинствам КВ-радиосвязи можно отнести полную автономность на больших расстояниях и низкую стоимость оборудования по сравнению с любыми другими видами связи, обеспечивающими такую же дальность передачи. Сегодня возможности КВ аппаратуры таковы, что для многих применений ее можно рекомендовать как реальную альтернативу спутниковым сетям связи [17, 18].

Но есть у нее и серьезные недостатки, снижающие её значимость – а именно низкая скорость и недостаточная помехоустойчивость передачи информации. Эти недостатки обусловлены физическими свойствами канала связи – анизотропией ионосферы [16,19]. Именно структура ионосферы Земли и сложность законов распространения в ней электромагнитных волн не позволяет пока найти исчерпывающие научно-технические решения, обеспечивающие достижение потенциальных возможностей в скорости и помехоустойчивости передачи информации по ионосферному каналу связи. В связи с этим особенно важным является изучение причинно-следственной связи изменений критической частоты слоя F2 ионосферы с ключевыми солнечно-магнитосферными параметрами.

1.  Поляк Н. Ю., Адамский В. К., Павлов Б. Н., Виткевич В. В. История радиосвязи Военно-морского флота Союза ССР // Бюллетень связи ВМФ. М.–Л., 1945, № 6/7.
2.  Служба связи Военно-морского флота (история развития) / Под ред. Г. Г. Толстолуцкого. М., 1966. Зернов М., Трухнин Н. Служба связи в русском флоте в годы Первой мировой войны // Военно-исторический журнал. 1966, № 3. Буль А., Трибельский Д. Развитие связи в русском флоте в 1900–1905 гг. // Военно-исторический журнал. 1981, № 1.
3.  Пересыпкин И. Т. Радио на службе обороны страны. М., 1946. Он же. Радио – могучее средство обороны страны. М., 1948. Он же. Военная радиосвязь. М., 1962.
4.  История военной связи / Под ред. маршала войск связи А. И. Белова. Т. 1. М., 1983.

8.  Из истории отечественной радиопромышленности. Сб. документов и материалов. М., 1962.

9. Попов А. С. Описание приемника депеш, посылаемых с помощью электромагнитных волн. Привилегия № 6066 от 30 сентября 1901 г., заявлено 14 июля 1899 г. // Свод привилегий, выданных в России. СПб., 1901, в. 11.

11.  Попов А. С. Прибор для обнаружения и регистрирования электрических колебаний // Журнал РФХО. Часть физич., 1896, т. XXVIII, вып. 1, отд. 1.