Географическая граница обратного рассеяния радиоволн, зависящего от магнитного поля Земли. Volker Grassman, DF5AI

1. Введение. В прохождениях Аврора и FAI радиоволны рассеиваются структурами с коротким временем существования (от минут до нескольких десятков минут), расположенных в слое Е ионосферы (105-110 километров). Прохождения Аврора и FAI можно считать разновидностью E-sporadic прохождения с обратным рассеянием радиоволн (backscatter), при котором направление рассеяния зависит от направления силовых линий магнитного поля Земли, проходящих через рассеивающий объем. В результате у передающей станции направление на рассеивающую область и направление на корреспондента сильно различаются. Эта статья посвящена анализу DX-радиуса европейских и североамериканских любительских станций при прохождениях Аврора и FAI (т.е. максимальной дальности QSO при этих прохождениях). Так как склонение магнитного поля Земли для южной и северной Европы меняется примерно от 51 до 78 градусов, DX-радиус может меняться очень значительно в зависимости от географического положения радиостанции. Например, максимальная дальность связи в Авроре/FAI для станций юга Европы около 2000 километров, а для крайнего севера Европы – ноль километров, т.е. там QSO через Аврору и FAI вообще невозможны.

В этой статье интенсивность обратного рассеяния радиоволн вычисляется в соответствии с [2], где принята модель Букера (Booker) рассеяния на неизотропных неоднородностях [1]. В 1988 году программа AURORA была первым радиолюбительским программным обеспечением, использующим эту модель для анализа в реальном времени прохождения Аврора/FAI и вычисляющим с высокой степенью точности географическое положение Авроры и FAI [3], [4]. При написании этой статьи для расчета максимальных дальностей работы с DX в Авроре и FAI использовалась программа анализа BeamFinder [5] - последователь программы AURORA.

Рисунок 1. Конус рассеяния при прохождениях Аврора и FAI

Геометрия рассеяния при прохождениях Аврора и FAI. На рисунке 1 вектор ktx обозначает вектор падающей радиоволны (по линии передатчик – рассеивающий объем) а вектор krx обозначает вектор рассеянной радиоволны (по линии рассеивающий объем –приемник). Прохождения Аврора и FAI соответствуют так называемому бистатическому случаю, когда разностный вектор между векторами радиоволн перпендикулярен линиям магнитного поля, проходящим через рассеивающий объем. Ориентация векторов может быть получена геометрически с использованием конуса, вершина которого лежит в рассеивающем объеме и который окружает линию магнитного поля с углом, равном углу между вектором падающей волны ktx и линией магнитного поля B. Заметим, что оба вектора радиоволн ktx и krx лежат на поверхности конуса. С другой стороны, приемник RX расположен на поверхности Земли, т.е. RX лежит на кривой, являющейся пересечением конуса и поверхности Земли (кривая рассеяния).

2. Кривая рассеяния. Геометрия рассеяния объяснена выше. Рисунок 2 показывает практический пример, в котором радиоволны передатчика TX попадают в рассеивающий объем в северном направлении. Крестики показывают кривую рассеяния, т.е. пересечение конуса рассеяния с поверхностью Земли. Область рассеяния, вообще говоря, не является прерывистой, как показано на рисунке 2, это более-менее обширная географическая область, зона. Практически географическая область рассеяния имеет более сложную форму и может меняться из-за динамических процессов в ионосфере. Кроме того, возможность работы с DX также зависит, естественно, от азимута антенны и ее диаграммы направленности, которые влияют на эффективность облучения рассеивающего объема.

Рисунок 2. Пример геометрии рассеяния

3. Достижимые рассеивающие объемы и DX-радиус. В принципе, рассеивающий объем в слое Е ионосферы (105 км), расположенный ближе, чем 1150 км, может быть облучен передатчиком. Рассеивающие объемы на более дальних расстояниях находятся ниже уровня горизонта и недосягаемы (см. красную линию на рисунке 2). В случае прямого рассеяния при Е-спорадике любое отражение (рассеяние) удовлетворяет геометрическим требованиям для наземной радиосвязи. Для обратного рассеяния при Авроре и FAI это не так, например, радиолюбители на крайнем севере Европы не могут использовать авроральное прохождение, потому что конус рассеяния у них всегда направлен в небо. Другими словами, он никогда не пересекается с земной поверхностью, следовательно, даже хорошие авроральные отражения не могут использоваться для наземной радиосвязи (может быть, это приведет к новому типу экспериментов в любительской спутниковой связи). В принципе, все европейские радиолюбители в большей или меньшей степени затронуты этим явлением, т.е. каждая станция имеет собственные расстояния и азимуты, при которых использование Авроры и FAI невозможно.

Рисунок 3. Доступные рассеивающие области (зеленые точки) и DX-радиус (синий цвет) в прохождениях Аврора и FAI. Точки показывают области в ионосфере (высота 105 км), а закрашенная синим область – на земной поверхности.

С помощью программы BeamFinder в приведенном выше примере были учтены все рассеивающие области в ионосфере, которые могут использоваться данной станцией в наземной связи при Авроре и FAI (см. зеленые точки на рисунке 3). В предположении, что все эти "рассеиватели" одновременно обеспечивают обратное рассеяние, было получено большое количество кривых рассеяния, которые все вместе и образуют DX-область (DX-радиус) для Авроры/FAI (то есть, географическую область, для которой рассеянные авророй радиоволны могут быть приняты другой радиостанцией, см. синюю область на рисунке 3).

4. Анализ вариаций DX-радиуса. Размер и форма DX-области может меняться в зависимости от географического расположения станции. Были выбраны 6 европейских QTH для иллюстрации этих изменений, см. рисунки 4 – 9. Еще 7 QTH представляют DX-радиус для Северной Америки (см. рисунки 10 – 16). По ссылке http://www.df5ai.net можно посмотреть другие примеры вычисленных DX-областей. На этом сайте также есть раздел, где можно скачать программу анализа BeamFinder.

5. Ссылки.

[1] A theory of scattering by nonisotropic irregularities with application to radar reflections from the aurora. Booker, H.G., J.Atm. Terr. Phys. 8, 204-221, 1956.
[2] Analyse von Ruckstreubeobachtungen ultrakurzer Wellen an Polarlichtern. Czechowsky, P., Diplomarbeit, Max-Planck-Institute for Aeronomie, 1966.
[3] Aurora – Ein Computerprogramm zur Analyse von Aurora und FAI Ruckstreuungen. Grassman, V., DF5AI, Dubus, 1, 18-21, 1988.
[4] Aurora – A computer program to analyse Auroral and FAI-scattering. Grassman, V., DF5AI, Dubus, 2, 125-126, 1988.
[5] The BeamFinder analysis software. Grassman, V., DF5AI, http://www.df5ai.net

Перевел RA3DUT. Оригинал этой статьи и другие статьи по этой теме здесь: http://www.df5ai.net/Material/articles2 … FAIRadius,
вот карта для Москвы из этих статей:

Рисунок 17. Москва

http://www.vhfdx.ru/content/view/249/40/