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我們能否預(yù)測電離層的行為及其對通信的影響

電子設(shè)計 ? 來源:電子設(shè)計 ? 作者:電子設(shè)計 ? 2022-02-21 13:47 ? 次閱讀

作者:DavidHTO

你是否在晚上聽過AM廣播,思索你如何能聽到遠方的電臺,但白天卻聽不到?科學(xué)家和研究人員同樣感到疑惑,他們花了數(shù)十年時間試圖了解我們上空發(fā)生了什么事情導(dǎo)致無線電信號在夜間“跳出來”。由此引出了更多問題,例如:為什么在一天的同一時間從同一地點發(fā)出的頻率不同的信號會跳過更長或更短的距離?或者,在一天的同一時間從同一地點以相同頻率發(fā)出的信號,為什么在不同季節(jié)里會有不同表現(xiàn)?又或者,即使所有上述條件(地點、時間、頻率和季節(jié))都相同,為什么信號在某些年份里可以環(huán)游世界,但幾年之后只能傳播幾十英里?最后,知道所有變量之后,我們能否預(yù)測電離層的行為及其對通信的影響?

當(dāng)然可以。

但是我們做不到。

首先,快速了解一下歷史,以便把這兩個看似矛盾但實則準(zhǔn)確的答案放到一個大背景中去看待。人類早已觀察到,自由運動的磁化物體會指向北方,這一事實很早就被人類用于航海活動。1839年,一位名叫Frederick Gauss的科學(xué)家提出,地球上方有一個帶電荷的空間區(qū)域,正是它引起了“指北”運動。在接下來的幾十年中,更多的假設(shè)和理論被提出,并進行了一些實驗,由此發(fā)展出早期的無線通信,稱為“火花隙”。這個名字非常形象。大家知道,在冬天,當(dāng)觸摸金屬物體或其他人時,你會感受到輕微的電擊。這本質(zhì)上就是火花隙。當(dāng)早期實驗者(例如Guglielmo Marconi)找到如何從遠處探測火花的方法時,無線電通信(使用Samuel Morse代碼的某種變體)即告誕生。

火花隙有很多缺點,包括:為使其在任何有意義的距離上工作,必須提供大量功率;其頻率范圍非常有限。接下來發(fā)生的事情讓我想到多米諾骨牌,一張一張相繼倒下,此時對于無線電的發(fā)展和我們對電離層的了解是最好的時機。第一張多米諾骨牌是1912年“無線電法案”的通過。1912年“最先進”的無線電技術(shù)是火花隙,其產(chǎn)生的信號頻率在1200 KHz以下(基本上是當(dāng)今AM無線電頻段的中部),因此該法案慷慨地將1500 KHz以上的頻譜交給了實驗者和業(yè)務(wù)無線電愛好者,國會輕率地認為這部分頻譜毫無用處。

位于新西蘭Awanui電臺的火花隙發(fā)射機。請注意此照片右下方的鼓風(fēng)機。這些高功率電臺的溫度很高。非常高。

聽到聲音了嗎?這是另一張多米諾骨牌倒下的聲音,因為就在第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)之前,Lee DeForest、Walter Schottky和其他人在真空管方面的開創(chuàng)性工作使得所設(shè)計的發(fā)射器能夠產(chǎn)生某種音調(diào),不再只是靜電聲。這被稱為連續(xù)波或CW?,F(xiàn)在,負擔(dān)不起商用和軍用火花隙電臺那樣極其強大的發(fā)射器和大型天線的業(yè)余實驗者,可以利用低得多的功耗和較小的天線通過連續(xù)波相互聯(lián)系。這些實驗者也開始注意到,他們能否聯(lián)系到遠方電臺取決于一天中的時間和頻率。利用這種經(jīng)驗,業(yè)余愛好者很快在美國東海岸與歐洲,以及西海岸與夏威夷之間建立起了創(chuàng)紀(jì)錄的連接?,F(xiàn)在又要倒下一張多米諾骨牌:國會法定的1500 KHz頻率充斥著大量信號,異常擁擠。因此,業(yè)余愛好者開始嘗試能在更高頻率下運行的新一代電子管。

現(xiàn)在,一張非常重要的多米諾骨牌即將倒下,原因是在1920年代早期,隨著頻率的提升,實驗者發(fā)現(xiàn)較遠距離的通信在一天中的某些時間更容易實現(xiàn)。采集的數(shù)據(jù)越來越多(業(yè)余無線電愛好者善于保管記錄的名聲享譽世界,這使業(yè)余無線電成為一個全球性實驗),物理學(xué)家加以整理和分析后,于1923年得出結(jié)論:Gauss于87年前假設(shè)的電離層應(yīng)對此現(xiàn)象負責(zé)?,F(xiàn)在,幾件事情的發(fā)生導(dǎo)致一連串的多米諾骨牌開始倒下。

首先,早期被認為是玩具的無線電很快具備了商用可行性。全國各地建設(shè)了數(shù)以百計的地方電臺,其所有者樂意將廣播時間出售給當(dāng)?shù)氐奈褰鸬?、飼料商店、福音傳教士和專利藥品小販,所有這些人都很高興付錢向成千上萬的潛在皈依者和顧客進行宣傳。聽眾激增,許多制造商進入無線電接收機市場,包括廉價礦石收音機供應(yīng)商;通過礦石收音機,家里沒有電力的人也能聽到這些廣播。

沒有電力?礦石收音機沒問題!

政府很快意識到,這個新行業(yè)需要有一個專門組織來監(jiān)管,以馴服這個新的“狂野西部”,因此在1926年成立了聯(lián)邦無線電委員會。一年后,1927年無線電法案獲得通過,決定收回1500 KHz以上的頻率(政府在1912年視其為無用頻譜),并將其分配給商業(yè)、業(yè)余、軍事和其他政府服務(wù)。這就把成千上萬的技術(shù)人員和實驗者投入到頻譜研究中,設(shè)計更高效的發(fā)射器和性能更好的電子管,收集了大量無線電接收數(shù)據(jù)。1926年,在Oliver Heaviside、Arthur Kennelly等理論家和物理學(xué)家的工作基礎(chǔ)上,物理學(xué)家Robert Watson-Watt首先使用術(shù)語“電離層”來描述無線電信號在大氣層中傳播或“跳躍”(這個詞在聽眾中更流行)的地方。

他們發(fā)現(xiàn),在適當(dāng)頻率和一天中適當(dāng)時間工作的無線電臺,可以在數(shù)千英里之外聽到,甚至遠涉重洋。一戰(zhàn)結(jié)束后,歐洲的緊張局勢一直在升溫,一些政府對此發(fā)現(xiàn)加以利用。德國和英國這兩個處于無線電研究前沿的國家,建立了可以在美國收聽到的電臺,讓他們能夠?qū)⑵溆^點不經(jīng)過濾地傳播到全世界——這與今天使用Twitter和其他社交媒體的方式差不多。受市場驅(qū)動,消費無線電制造商不久就在其無線電中包含了一個或多個短波波段。這意味著,許多收聽富蘭克林·羅斯?!盃t邊談話”的美國人,也能通過短波聽到希特勒、丘吉爾和其他外國領(lǐng)導(dǎo)人的講話,這要歸功于信號在電離層中的跳躍。

1936年Zenith 6-S-222型“立方體”收音機,有三個無線電波段

第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后,電離層跳躍對地緣政治的重要性愈發(fā)提高,因為冷戰(zhàn)雙方建立了龐大的短波電臺,通過高達一百萬瓦的電力來頌揚己方政治制度的優(yōu)勢和另一方的劣勢。然而,我們對電離層的理解,特別是我們預(yù)測電離層中信號行為的能力,對于火箭(無論是將核彈運送到敵方的火箭,還是將人發(fā)射到太空軌道的火箭)開發(fā)者來說,發(fā)展得還不夠快。但人們關(guān)注的不僅僅是電離層?;谠缭?0世紀(jì)初期進行的觀察,科學(xué)家們推測在電離層之外有一個帶電粒子區(qū)域。1958年1月,探險者1號(美國第一顆到達軌道的衛(wèi)星)上的實驗證明了所謂Van Allen輻射帶的存在。

對Van Allen帶的早期觀測證實了科學(xué)家們的推測,即距地球9300萬英里的太陽在產(chǎn)生由帶有粒子組成的“太陽風(fēng)”,其會在不同的時間以不同的強度推擠Van Allen帶。雖然對它可以做一定的預(yù)測(例如太陽黑子周期為11年),但太陽耀斑的突然出現(xiàn)是非常難以預(yù)測的。因此,簡單算算就會知道,從輻射帶的發(fā)現(xiàn)到太陽的影響,還有幾十個變量需要添加到電離層跳躍預(yù)測方程早已很長的變量列表中(頻率、一天中的時間、一年中的時間等等)。這會是一個多么可怕的方程啊?。▌e擔(dān)心,我不會拋出我處理不了的數(shù)學(xué)方程......因此本文一個方程也沒有。)

在這篇文章的最開始,我問我們能否預(yù)測電離層對通信的影響。我當(dāng)時的回答是:“當(dāng)然可以?!比缓笪艺f“但是我們做不到?!毕M蠹夷苊靼?,我并沒有刻意回避。事實是,即使在今天,經(jīng)過180多年的理論探究、測試和數(shù)據(jù)收集(來自地面和太空觀測),當(dāng)要求物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家們?yōu)殡婋x層中發(fā)生的事情給出一個明確的預(yù)測模型時,他們也只能兩手一攤,告訴我們下面這個詞:

stochastic:/st??kastik/ 形容詞

這個詞源于希臘語,意思是“隨機確定;具有隨機概率分布或模式,可以進行統(tǒng)計分析,但可能無法準(zhǔn)確預(yù)測?!边@對我們來說意味著,不應(yīng)該使用排列有序的多米諾骨牌來類比電離層,而應(yīng)該使用骰子游戲,愛因斯坦說上帝不擲骰子是錯的。上帝不僅擲骰子,而且不斷玩出新花樣。

我是從個人經(jīng)驗了解到這一點的,我本人是一名業(yè)余無線電操作員。介紹完所有背景,我想告訴大家我的一些親身經(jīng)歷。首先,業(yè)余愛好者總是希望提高其與遠方其他愛好者取得聯(lián)系的幾率(業(yè)余愛好者的行話稱之為DX),并且有許多在線工具提供有關(guān)電離層跳躍的預(yù)測報告。這是此類報告的一個例子,發(fā)布在美國無線電中繼聯(lián)盟網(wǎng)站上發(fā)布,當(dāng)把我們討論的所有變量放入一個工具中時,它會顯示結(jié)果,繪制世界上任何兩個地方(本例中是美國東海岸與東歐)之間的預(yù)測活動圖:

100042549-67519-ping_mu_kuai_zhao_2019-04-25_xia_wu_1.53.22.png

資料來源:美國無線電中繼聯(lián)盟

此圖的豎直軸為頻率,以MHz為單位(例如,1030的AM電臺將位于1.3);水平軸是本月中的任何24小時周期(UTC,過去稱為格林威治標(biāo)準(zhǔn)時間)。這就是為什么我們必須把多米諾骨牌換成骰子的原因,因為三條不同的彩色線條僅表示在特定時間和頻率時兩個業(yè)務(wù)愛好者在地球上的這兩個地方之間可以建立聯(lián)系的概率。紅色代表10%的幾率,綠色代表50%的幾率,藍色代表安全賭注(有點像使用莊家的錢),兩個業(yè)余愛好者在給定時間和頻率可以相互聽到的概率超過50%。

根據(jù)該圖,如果我在早上8點將收音機調(diào)到14 MHz,我有50/50的機會與布拉格的一位業(yè)余愛好者取得聯(lián)系。在同一時間,如果以10 MHz的頻率發(fā)射,那么建立聯(lián)系的幾率會更高。如果是18 MHz,聯(lián)系幾率將降至十分之一。因此,早上8時用18 MHz不是嘗試建立聯(lián)系的好選擇。但我們同時發(fā)現(xiàn)(沿著綠線看),在當(dāng)天晚些時候,18 MHz的聯(lián)系幾率會提高。六個月后回來看,當(dāng)北半球以不同角度向太陽傾斜時,此圖表會有所不同。六年半(太陽黑子周期的另一半)后再回來,此圖表看起來也會大不相同。

所以,感謝Gauss、Heaviside、Van Allen和其他人所做的開創(chuàng)性工作。感謝那些從衛(wèi)星、無線電信標(biāo)、太陽觀測站和其他來源收集數(shù)據(jù)以創(chuàng)建此報告及其他報告的人們。但你知道嗎?對于我們這些在電離層沖浪的人來說,這些報告是很好的指南,但我對電離層跳躍的變幻莫測有切身經(jīng)驗,有時候,即使所有的圖表和報告都指示某種狀況,實際結(jié)果卻是另一番狀況。

2010年,太陽處于太陽黑子周期的低點,這意味著電離層不利于信號跳躍,尤其是28 MHz頻段。數(shù)據(jù)顯示,在UTC時間0200(美國東部時間晚上9點,這里是馬薩諸塞州),與幾英里之外的人取得聯(lián)系的概率非常低。打開收音機之后,我已經(jīng)準(zhǔn)備好接受事實,但在關(guān)閉收音機之前,我決定調(diào)遍整個頻段以防萬一。突然間,我聽到一個聲音,起初很弱,但很快變得越來越強。盡管他的信號很弱,但我可以分辨出他正在呼叫CQ——在業(yè)余無線電領(lǐng)域,它代表“有人能聽到我嗎?”在20秒內(nèi),好像他就在我旁邊的房間里一樣。

“這是北庫克群島的E51JD,呼叫CQ并收聽呼叫?!?/p>

等等,什么?這不可能。北庫克群島(...在Google地圖上快速查找...)遠在7,000英里之外。圖形和表格說......好吧,萬一......“E51JD,這是馬薩諸塞州的WB2HTO,收到了嗎?”

“收到,下午好,WB2HTO,這是南太平洋北庫克群島的E51JD。我叫Jim......”

這樣,我們開始了交談,雖然圖形和表格說我不應(yīng)該能與那個位置取得聯(lián)系。交流很短暫,僅交換了基本信息(信號報告、姓名和其他一些細節(jié)),因為信號剛要增強便開始減弱了。所以趁我們還能聽到彼此,我們很快結(jié)束了通信。我們一結(jié)束,我就聽到其他電臺試圖聯(lián)系Jim,但電離層瞬息萬變,不知道是否有其他人聯(lián)系到他。我只是在正確的時間和正確的頻率利用了物理學(xué)家所稱的零星的E開口,“E”指的是電離層有時發(fā)生的隨機效應(yīng)。

當(dāng)電離層出現(xiàn)這種狀況時,就像Forrest Gump的巧克力盒子一樣,你永遠不知道會得到什么(或者會持續(xù)多長時間)。我上調(diào)頻率(以便讓Jim有一個開闊的空間去聯(lián)系其他人),通過麥克風(fēng)呼出“CQ”,看是否有其他電臺會回復(fù)。一松開麥克風(fēng)按鈕,我就聽到“WB2HTO,這是澳大利亞麥夸里港的VK2HOT,能聽到嗎?”

真是匪夷所思。澳大利亞麥夸里港(又一次快速Google搜索)距離北庫克群島2000英里遠。而我正和那里的人交談。在夜間。在一個照理說不可能的頻段上。

從澳大利亞麥夸里港到波士頓的距離超過9,000英里

隨后我們快速交換了基本信息,并在我們還能聽到對方的時候結(jié)束通信。與此同時,頻段繼續(xù)移動。我只有兩個數(shù)據(jù)點——北庫克群島和東澳大利亞,但看起來從波士頓的信號跳躍在向西移動。我自然不會放過機會,繼續(xù)聯(lián)系其他人,但幾經(jīng)嘗試后,發(fā)現(xiàn)電離層中的神奇魔法秀已經(jīng)結(jié)束。也可能是沒有業(yè)余愛好者在恰當(dāng)?shù)牡胤胶颓‘?dāng)?shù)臅r刻聽到我。

幾星期后,我收到了新朋友發(fā)來的郵件。這是一張QSL或確認卡。這種卡如今大多是通過電子方式發(fā)送,但我很高興將它掛在我的無線電臺上,提醒我電離層深不可測,或者說變幻莫測。

審核編輯:何安

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