3.1. Чем длиннее, тем дальше
Каждый раз, когда вы беретесь за ручку настройки радиоприемника и отправляетесь в путешествие по эфиру, перед вами открывается удивительный мир странствий, интересных и совсем не опасных приключений. Единственным их результатом будет расширение ваших знаний и кругозора.
Для обычного путешествия, как известно, нужны карта, компас (а лучше, спутниковый карманный приемник-навигатор — такие уже имеются), еще немного туристического снаряжения и элементарные знания и навыки. Для путешествия по эфиру, не выходя из дома. нужно все то же самое: снаряжение — радиоприемник, карта и “компас», справочник по радиостанциям мира и. конечно, знания и навыки. Как раз то, о чем мы сегодня собираемся поговорить.
Бесполезно искать ночью иголку в стоге сена, как бесполезно днем, находясь на территории России, искать в эфире американские радиостанции на средних волнах, хотя найти их можно ночью и днем. Итак, все наше многословие свелось к одному: вращая ручку настройки приемника, полезно хотя бы немного знать о распространении радиоволн на Земле.
Последней фразой я хотел подчеркнуть, что в Космосе все гораздо проще. Радиоволны, как и световые, и другие электромагнитные волны, распространяются прямолинейно. Они стараются это делать и на Земле, но она-то, как справедливо заметили еще средневековые ученые, круглая, и дальше горизонта на ней ничего не видно! Какой же смелостью надо было обладать Колумбу, а за тем и Магеллану, чтобы экспериментально, собственным путешествием доказать сферичность Земли!
Трудно сравнивать, но изрядной смелостью обладал и Маркони, когда не прошло и десятилетия после первых успешных опытов Генриха Герца. Оливера Лоджа и Александра Попова по передаче и приему радиоволн, а он уже поставил целью послать радиосигналы через Атлантический океан. Были натянуты гигантские по тем временам проволочные антенны, построены мощные передатчики. И такая связь между побережьями Англии и Канады была впервые осуществлена в 1903 г. Успех был огромен, хотя всего-то и принято было достоверно три телеграфных тире.
В те годы уже было экспериментально, т. е. методом проб и ошибок, установлено, что чем длиннее волна, тем дальше она распространяется. Первую трансатлантическую связь провели на сверхдлинных волнах. Отсюда и применение гигантских антенн — ведь длина волны первых примитивных радиопередатчиков прямо зависела от длины антенны. Кроме того, чтобы антенна эффективно излучала, ее длина должна быть хотя бы порядка четверти длины волны. Тогда же необходимо было объяснить факт зависимости дальности распространения от длины волны явлением дифракции. Упрощенно говоря, дифракция — это огибание волной препятствия. а препятствием является высота шарового сегмента Земли, разделяющего приемную и передающую радиостанции (рис. 16). От Санкт-Петербурга до Москвы, как известно, около 600 км.
Расчет дает высоту шарового сегмента h около семи километров, следовательно, длинные, километровые волны распространяются на такие расстояния.
У читателя может возникнуть вопрос: а как определить длину волны? Прежде ее обозначали в метрах прямо на шкале приемника, а теперь все чаще в килогерцах и мегагерцах (соответствующих длине волны), а уж современные цифровые шкалы и подавно измеряют только частоту. Длина волны 
и частота колебаний f радиопередатчика обратно пропорциональны и связаны через скорость распространения радиоволн — с, такую же, как и скорость света: = c/f. Практически, чтобы узнать длину волны в километрах, надо 300 разделить на частоту в килогерцах. Например, московская длинноволновая радиостанция на частоте 171 кГц (бывшая имени Коминтерна) имеет длину волны около 1,75 км. Ее можно было слушать почти на всей территории европейской части России круглосуточно.
Увлечение длинными волнами на заре радиотехники породило великую эпоху Радиостроя, когда антенны становились все выше, а радиостанции все мощнее. В 30-е годы радиостанция им. Коминтерна была самой мощной в Европе, излучая до 500 кВт, и ее слушали на детекторные приемники в самых глухих и отдаленных деревнях.
Радиостанций становилось все больше, и они стали создавать помехи друг другу. Здесь надо заметить, что при передаче радиовещательной программы станция занимает в эфире не одну частоту, а целую полосу частот шириной до 20 кГц. В справочниках указывают центральную частоту этой полосы, называемую несущей частотой, или просто несущей. Именно эту частоту и генерирует высокочастотный, или, как его называют, задающий генератор передатчика. Затем его колебания усиливаются и модулируются колебаниями звуковых частот.
В 30-е годы было достигнуто соглашение — установить разнос частот радиостанций в 9 кГц. Оно соблюдается и поныне. Теперь легко сосчитать, что на длинных волнах, в участке, отведенном для радиовещания (примерно от 150 до 400 кГц), можно разместить не более двух с половиной десятков радиостанций.
Со временем стали строить средневолновые радиостанции — в этом диапазоне около 120 частотных каналов, но и дальность распространения меньше, поскольку длина волны короче (вспомните про дифракцию). Поэтому один и тот же частотный канал стали отводить нескольким, достаточно удаленным друг от друга радиостанциям. В дневное время они не создавали помех друг другу. Иное дело ночью, дальность распространения длинных и средних волн намного возрастала и становились слышны радиостанции, удаленные на несколько тысяч километров. Резко возрастали и взаимные помехи. Отчего это?
Ученые уже имели рабочую гипотезу. Высказал ее Оливер Хевисайд, чудаковатый английский джентльмен, чопорный и безукоризненно одетый, когда появлялся на людях. Но делать он этого не любил, а любил работать по ночам в жарко натопленной комнате и с наглухо занавешенными окнами. Говорят, что когда его избрали действительным членом Королевского Общества (по-нашему — Академии наук) и пригласили на торжественную церемонию избрания (черные мантии, головные уборы с четырехугольным верхом), он не нашел гинеи (а такой символический взнос надо было уплатить) и просто не пошел на заседание! К чести общества надо сказать, что оно все-таки избрало Хевисайда не действительным, но почетным членом, при этом не требовалось ни его присутствия, ни гинеи.
Так в чем же состояла гипотеза?
3.2. Жизнь преподносит сюрпризы!
Пока шла драка за распределение частот на длинных и средних волнах, короткими никто не интересовался, они считались просто непригодными для дальней радиосвязи и за ненадобностью были отданы… радиолюбителям. А такие уже были в начале двадцатых годов. Ведь и радиосвязь, и наблюдение за сигналами радиостанций — это очень интересно! И вот, от радиолюбителей стали поступать сенсационные сообщения: с помощью простейших передатчиков мощностью в несколько ватт и примитивных приемников устанавливались связи на десятки тысяч километров! Такой феномен уже нельзя объяснить дифракцией.
Тут-то и вспомнили гипотезу Хевисайда: верхние слои атмосферы должны быть ионизированы солнечным излучением. Ионизированный газ (ионосфера) содержит много свободных электронов и может проводить электрический ток, а значит, должен отражать радиоволны. Скорые на подъем американцы соорудили импульсный передатчик, и в 1924 г. инженеры Брейт и Тьюв получили отражение от ионосферы при вертикальном зондировании и измерили время запаздывания отраженного импульса, а по нему вычислили высоту отражающего слоя.
Ионосферу долгое время называли слоем Хевисайда. Позднее Эпплтон, анализируя отраженные сигналы, обнаружил, что отражающих слоев несколько. Ему же мы обязаны и названиями слоев. В своих расчетах он обозначил вектор напряженности электрического поля, как это обычно и делается, буквой Е. Когда же понадобилось обозначить поле другого отражения, он выбрал следующую букву алфавита — F. Убедившись, что отражения идут от разных слоев, он решил, что и названия им готовы — Е и F, при этом имея в виду, что в дальнейшем могут быть открыты и другие слои, для которых пригодятся и предыдущие, и последующие буквы алфавита. Это предвидение вполне оправдалось. Теперь известно, что в летний полдень можно наблюдать, по крайней мере, четыре четко различимых слоя. Самый нижний, слой D на высоте около 70 км, существует только днем. Слой Е на высоте 90… 120 км существует круглосуточно, лишь ночью в нем уменьшается электронная концентрация (Солнце-то, причина ионизации, не светит!) и увеличивается высота. То же, но в меньшей степени, происходит и со слоем F, но он расположен значительно выше — 200…250 км. Днем он распадается на два слоя — F1 и F2.
3.3. Жизнь преподносит сюрпризы!
Ионизированные слои отражают далеко не все радиоволны. Чем ниже частота, тем сильнее поглощение радиоволн в ионосфере — оно пропорционально 
и может быть столь значительным, что отраженный сигнал из-за этого вообще не удается обнаружить. Значит, чем выше частота (короче длина волны), тем лучше отражение? Именно так, и именно по этой причине радиолюбителям удавались и удаются сверхдальние радиосвязи. Однако для каждого слоя существует верхняя граница по частоте (критическая частота fкр), до которой он отражает вертикально посланные радиоволны (рис. 17). При пологом падении волны на слой отражаются волны и с большими частотами, но и здесь есть своя верхняя граница. Если радиопередатчик посылает волну касательно к поверхности Земли (к горизонту), то можно определить максимально применимую частоту (МПЧ), выше которой ионизированный слой становится прозрачным для радиоволн, перестает их отражать, и они беспрепятственно уходят в космос.
Ультракороткие волны, например, ионосферой не отражаются, их частоты лежат выше МПЧ. Поэтому-то на УКВ московские радиостанции слышны в основном только в самой Москве и области, да и то далеко не всей. УКВ распространяются только в пределах прямой видимости, ну и ещё совсем чуть-чуть за горизонт. Чтобы расширить зону действия УКВ радиостанций, их антенны помещают на высоченных мачтах (вспомните Останкинскую башню). Телецентры вещают тоже на УКВ, и для них все это так же верно.
МПЧ сильно зависит от времени суток, времени года и от солнечной активности. Во время “возмущенного» состояния Солнца с его поверхности извергаются потоки заряженных частиц, возрастает и поток ультрафиолетового излучения. Все это приводит к возрастанию концентрации электронов в ионосфере Земли и к повышению МПЧ.
Итак, мы подошли к выводу: дальние радиостанции лучше всего слушать на частотах, несколько ниже МПЧ, когда еще есть отражение от ионосферы, а поглощение в ней минимально. Каждый слой ионосферы имеет свое значение МПЧ. Для слоя D, например, оно не превосходит сотен килогерц, и этот слой хорошо отражает только сверхдлинные волны. Слой Е хорошо отражает радиоволны с частотами до нескольких мегагерц, так что длинные и средние волны могли бы от него отражаться. Они это и делают, но только ночью. Поэтому ночью так много дальних станций в средневолновом диапазоне. У нас слышно практически всю Европу.
Дальность распространения средних волн “одним скачком” определяется радиусом Земли и высотой слоя Е (около 120 км), она составляет 2500…3000 км. А днем волне, чтобы отразиться от слоя Е и вернуться снова на землю, надо дважды пройти через слой D. При этом она сильно поглощается, и к радиослушателю практически ничего уже не приходит. Поэтому-то на средних волнах днем слышны только местные станции.
Короткие волны отражаются преимущественно слоем F, хотя возможны отражения и от более густых “облаков» ионизированного газа в слое Е. Их называют спорадическим слоем Е, или Es. Слой F значительно выше, и дальность распространения одним скачком может достигать 5000 км.
Но возможно распространение и несколькими скачками, когда радиоволна несколько раз переотражается поверхностью Земли и ионосферой. Более того, не исключены и рикошетирующие отражения, когда волна несколько раз переотражается слоями ионосферы и лишь после нескольких таких переотражений возвращается на Землю на очень большом расстоянии от передатчика.
На коротких волнах удавалось даже зафиксировать “кругосветное эхо”, когда к передатчику, обойдя вокруг Земли, приходит его собственный сигнал. Легко сосчитать время задержки сигнала, зная длину окружности Земли и скорость распространения радиоволн. Оно составляет около 1/8 с.
Чтобы отразиться от слоя F, волне надо дважды пройти сквозь слой Е, а днём ещё и через слой D, и при этом неизбежно поглощение. Поскольку оно тем больше, чем ниже частота и чем длиннее волна, кроме максимально применимой частоты вводят ещё и термин “наинизшая применимая частота” (НПЧ). Это — частота, ниже которой дальнее распространение радиоволн уже практически невозможно из-за поглощения.
Итак, мы пришли к выводу, что для дальнего радиоприема годятся не все короткие волны, а лишь некоторый диапазон между НПЧ и МПЧ. Причем чем ближе частота к МПЧ, тем дальше и с меньшими потерями распространяются радиоволны.
3.4. Так что же делать?
А делать именно то, что вы и собирались: внимательно слушать эфир, имея в виду все вышесказанное. На длинных волнах, имея хорошую антенну и приемник с хорошей чувствительностью, в любое время суток вы имеете шанс услышать радиостанции, удаленные на тысячу-другую километров. Ночью этот шанс значительно увеличивается, а дальность приема возрастает. В Москве, например, днем вы можете услышать кроме мощных московских станций еще и радиостанции Киева, Санкт-Петербурга и Самары. Ночью же проходят с приличной громкостью Бухарест, Варшава, а попозже и Лондон.
На средних волнах все примерно то же самое, но в несколько меньших масштабах. Днем земной волной (за счет дифракции) проходят станции, удаленные на несколько сотен километров. А поскольку мощные средневолновые радиостанции располагаются, как правило, на больших расстояниях, то становится проблематичным принять из одного места и Москву, и Санкт-Петербург, и Киев.
Ночью средневолновый диапазон разительно оживает. Собственно, уже с раннего вечера начинают появляться сигналы дальних станций, сначала слабо, с федингами (периодическими изменениями силы сигнала) и шумами, а по мере того, как темнеет, все громче и яснее. Поздним вечером на средних волнах “гремит» уже вся Европа. Станций — масса, порой они создают помехи друг другу, а иногда на одной частоте слышно несколько станций. К утру прохождение заканчивается, эфир пустеет, а днем снова слышны только местные радиостанции.
На коротких волнах дальние радиостанции можно найти практически всегда. Надо только уметь правильно ориентироваться в особенностях прохождения. Для радиовещания на КВ выделены узкие участки, или диапазоны, традиционно называемые по их длине волны: 75,60,49,41,31, 25, 19, 16, 13 и 11 м. Некоторые приемники имеют много “растянутых» КВ диапазонов, перекрывающих именно эти частоты. Плотность настройки у такого приемника получается небольшой, и пользоваться им удобно. Когда же у приемника только один, «обзорный» КВ диапазон, то на шкале, как правило, обозначены (графически и цифрами) радиовещательные участки. Настройка тем не менее получается очень острой, и работать с таким приемником сложнее.
Итак, днем в годы минимума солнечной активности дальние станции можно найти вероятнее всего на 25- или 19-метровом диапазоне. Послушайте и на 16-метровом — если там тихо, значит, вы нащупали МПЧ — она где-то в районе 15… 16 МГц. На более высоких частотах, в диапазонах 13 и 11 м дальних станций уже заведомо не будет. Когда же Солнце активно, прохождение может наблюдаться и в этих диапазонах, причем особенно дальнее.
Прохождение может выкидывать разные «фокусы». Например, дальние станции слышны громко и хорошо, а станций, расположенных ближе, скажем 3000 км, не слышно совсем. Это так называемая «мертвая зона”, образовавшаяся от того, что ионосфера отражает только очень пологие лучи, касательные к горизонту. От ближних станций лучи падают круче, и ионосфера их не отражает. Такие станции можно принять в более низкочастотных диапазонах, например 31 м.
Спустимся ещё ниже по частоте (напомним, что дело происходит днём). В диапазонах 41 и 49-м ничего не слышно! Вернее, слышно, но только самые местные станции, вещающие из того же города, где вы живете. А ионосферные волны от дальних станций не проходят — они поглощаются. Значит, вы опустились ниже НПЧ.
Вечером ситуация разительно меняется — замолкают сначала диапазон 16, затем 19-м, зато “оживают» 41 и 49-м. Иногда эти диапазоны называют “ночными», а диапазоны волн короче 25 м — “дневными». Но это деление чисто условно.
Зимой и в годы минимума солнечной активности дневным диапазоном может оказаться и 31 м, поскольку НПЧ и МПЧ сильно опускаются вниз, а летом в годы максимума солнечной активности это типично ночной диапазон. Дневным в этих условиях будет 13 м. К тому же “погода” в ионосфере очень изменчива и часто бывают какие-либо аномалии.
Так что слушайте и познавайте далеко ещё не полностью изученную науку о распространении радиоволн.