W niniejszej
części podaję minimum wiadomości o właściwościach fal kilometrowych,
zastosowanych w Transatlantyckiej Centrali Radiotelegraficznej.
Wiadomości te uzasadniają ich użycie w latach dwudziestych dla
zapewnienia dalekosiężnej łączności radiowej.
24
WŁAŚCIWOŚCI FAL RADIOWYCH
BARDZO NISKIEJ CZĘSTOTLIWOŚCI
Fale radiowe
jakie wytwarzane były przez alternatory Alexandersona, miały
częstotliwość rzędu 20 kHz,
a więc zgodnie z akceptowanym podziałem częstotliwości, zalecanym
przez Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE)
mieściły się w przedziale fal niskich, obejmującym zakresy od 1 do
5, Tabela 1.
Tabela 1
nr nazwa
zakres częstotliwości długość fali skrót ang.
1. ultra
niskie 3...30 Hz 100 000...10 000 km ULF (Ultra Low Freq)
2.
ekstremalnie niskie 30...300 Hz 10 000...1000 km ELF (Extremely Low
Freq)
3. skrajnie
niskie 300...3000 Hz 1000...100 km ELF (Voice Freq)
4. bardzo
niskie 3...30 kHz 100...10 km VLF (Very Low Freq)
5. niskie
30...300 kHz 10...1 km LF (Low Freq)
Zakres 4
obejmujący fale o częstotliwościach od 3 kHz do 30 kHz, nazywany
jest zakresem bardzo niskich częstotliwości VLF (Very Low Freq)
i
bardzo dużych długościach fal od 100 km do 10 km.
Rozróżnianie
tak wielu zakresów w obszarze niskich częstotliwości stało się
kłopotliwe i wielu badaczy używa obecnie w publikacjach,
uproszczony, ale powszechnie stosowany, podział w zakresie niskich
częstotliwości, Tabela 2.
Tabela 2.
1. ultra
niskie ?...3 Hz ?...100 000 km ULF (Ultra Low Freq)
2.
ekstremalnie niskie 3...3000 Hz 100 000...100 km ELF (Extremely Low
Frq)
3. bardzo
niskie 3...30 kHz 100...10 km VLF (Very Low Freq)
Wówczas fale
o częstotliwości 20 kHz mieszczą się w zakresie 3, zwanym zakresem
bardzo niskich częstotliwości VLF (Very Low Freq)
i fal
kilometrowych.
Należy
zaznaczyć, że konsekwencją bardzo dużego zakresu użytecznych
częstotliwości radiowych, jest znaczne zróżnicowanie ich
właściwości.
Dekadowy podział częstotliwości jest dogodny, lecz
zupełnie formalny, ponieważ nie wynika z naturalnych właściwości fal
różnych zakresów.
Atmosfera
jest podstawowym ośrodkiem w którym wykorzystuje się
radiokomunikację.
Jej budowa i zjawiska w niej zachodzące mają
zasadniczy wpływ na rozchodzenie się fal radiowych.
Tylko w
niektórych przypadkach mamy do czynienia z propagacją fal w
przestrzeni swobodnej (okołoziemskiej).
W wielkim
uproszczeniu w atmosferze można wyróżnić, rys. 1, dwie istotne dla
radiokomunikacji warstwy:
troposferę i jonosferę, przedzielone dość
obojętną stratosferą.
Rys. 1
Schemat ilustrujący propagację fal radiowych [2].
Troposfera
rozciąga się od powierzchni Ziemi do wysokości od około 10 km nad
biegunami, a do 18 km nad równikiem.
Charakteryzuje się stałym
składem powietrza i spadkiem temperatury z wysokością. Propagacja
fal w troposferze jest silnie uzależniona
od zjawisk
meteorologicznych. Fale radiowe mogą być w niej tłumione i
rozpraszane w stopniu zależnym od zakresu.
Może w niej zachodzić
refrakcja, czyli odchylenie toru fali od linii prostej, która może
być dodatnia (w stronę Ziemi) lub ujemna.
Istnieje też
superrefrakcja, czyli refrakcja nadkrytyczna, przy której promień
zakrzywienia toru fali jest mniejszy od promienia Ziemi.
Fala wraca
wtedy na powierzchnię Ziemi.
Jonosfera
jest znacznie bardziej skomplikowanym obszarem. Jest ona mocno
zjonizowaną,
przez promieniowanie słoneczne częścią atmosfery,
znajdującą się na wysokości powyżej 60 km nad powierzchnią Ziemi.
Oprócz słońca czynnikami jonizującymi są promieniowane kosmiczne i
pył kosmiczny wchodzący w kontakt z atmosferą.
W jonosferze
wyróżniono szereg warstw o różnych właściwościach. Ich grubość
zmienia się zależnie
od intensywności czynników jonizujących,
szczególnie dobowej.
Zasadniczo
fale radiowe odbijają się od jonosfery. Fale długie, wskutek bardzo
małego tłumienia w gruncie,
który dla tego zakresu zachowuje się
praktycznie jak przewodnik, oraz dużej dyfrakcji,
czyli zdolności
ich uginania się i dzięki temu omijaniem przeszkód, rozchodzą się na
dość duże odległości w postaci fali powierzchniowej.
Jednakże już w
odległości 1000 - 2000 km od nadajnika natężenie pola fali
jonosferycznej przewyższa natężenie pola fali powierzchniowej.
Tak
więc rozchodzenie się fal radiowych o długościach 10 km - 300 km na
duże odległości,
można rozpatrywać jako rezultat ich
rozprzestrzeniania się pomiędzy dwoma odbijającymi koncentrycznymi
kulistymi powierzchniami,
utworzonymi odpowiednio przez powierzchnię
ziemi i dolną warstwę jonosfery.
Warunki
propagacji fal długich ulegają małym i powolnym zmianom w czasie, co
jest dużą zaletą łączności długofalowej.
Dzięki temu łączność
radiowa z wykorzystaniem tych fal jest nie zawodna, mimo pewnych
wahań warunków ich propagacji w rytmie dobowym,
pór roku, rocznym i
jedenastoletnim (okres zmian aktywności słonecznej). W związku z
dużym pochłanianiem fal długich przy odbiciu
od jonosfery, do
łączności radiowej na duże odległości z wykorzystaniem tych fal,
konieczne są silne nadajniki. Tak więc można powiedzieć,
że zakres
fal długich posiada stabilne warunki rozchodzenia się energii
elektromagnetycznej.
Dlatego też
można stwierdzić, że wybory jakie zostały dokonane, dotyczące
alternatorów: użycie dużej ich mocy
i z konieczności wytwarzające
ciągły sygnał o niskiej częstotliwość, dla dalekosiężnej łączności
były wówczas optymalne.
Przytoczę
kilka informacji dotyczących omawianego problemu, uzyskanych na
drodze eksperymentalnej, pochodzących z lat 1920,
jakie udało mi
się znaleźć w [7]. „Podczas eksploatacji maszynowych generatorów
wysokiej częstotliwości o mocy od 2 do 600 kW
i częstotliwości od
18 do 50 kHz, po osiągnięciu wystarczającego poziomu odbieranego
sygnału, stabilność łączności nie zależy o pory roku,
oddziaływania
słonecznego i pogody. Już w 1918 roku stwierdzono, że możliwe jest
nawiązanie łączności z antypodami,
t.j. na odległościach równych
maksymalnej odległości po maksymalnym okręgu powierzchni globu
ziemskiego ( 20.000 km.).
Głównymi niedostatkami zakresu długich
kilometrowych fal są, po pierwsze, bardzo skomplikowane, ciężkie i
trudne
w eksploatacji urządzenia do wytwarzania i wypromieniowania
tych fal, po drugie, mała liczba możliwych kanałów łączności
bez
wzajemnego ich oddziaływania. Przytoczono rysunek, rys. 2, na którym
pokazano wykorzystanie zakresu częstotliwości
od 10 d0 100kHz w
latach 1930 – 1940.
Rys. 2
Wzrost liczby kanałów i liczby wykorzystywanych fal kilometrowych
od 3000 do 30000 m w latach 1930 – 1940 [7].
Wpływ pory
roku, czasu doby i warunków geo - słonecznych jest w tym zakresie
tym większy, im wyższa jest częstotliwość.
Rys. 3 ilustruje dobową
zmianę natężenia pola dla trzech długofalowych radiostacji
wykorzystujących różne częstotliwości podczas transmisji
na trasie o
długości ok. 5000 km na północnej części oceanu atlantyckiego.
Rys. 3
Dobowa zmiana natężenia pola długofalowych stacji w miesiącu
styczniu na trasie 5000 km.”[7]
Badania
przeprowadzone w styczniu wykazały, że podczas gdy natężenie pola na
częstotliwości 54.5 kHz w ciągu dnia maleje
do wartości 2 mkV/m, na
częstotliwości 17.3 kHz pozostaje podczas całej doby na odpowiednio
wysokim poziomie.
Potwierdzają one wnioski jakie są podawane w tej
dziedzinie we spółczesnej literaturze [1– 6].
Oprócz
wymienionej zalety, należy wspomnieć, że fale kilometrowe
charakteryzują się zdolnością głębokiego przenikania w morską wodę,
co umożliwiało wykorzystanie ich do łączności z łodziami podwodnymi
będącymi w zanurzeniu.
Przy przechodzeniu takiej fali w głąb wody
pole fali podlega silnemu osłabieniu wskutek efektu, analogicznego
do efektu obserwowanego
w metalowych przewodnikach. Głębokość
wnikania w morską wodę określa się jako głębokość, na której
następuje osłabienie pola
w stosunku jednego nepera (8.7 decybeli),
w stosunku do pola na powierzchni wody [8]. Obliczenia wykazują, że
takie osłabienie zachodzi
na głębokości 2 m lub 4.3 decybeli na
metr.
Jak podano w
[9] „fale bardzo długie mogły odbierać okręty podwodne przebywające
na głębokości od kilku do kilkudziesięciu metrów.
Jako ciekawostkę można potraktować fakt, iż Niemcy do łączności z
okrętami podwodnymi wykorzystywali
polską długofalową stację
nadawczą w Babicach.”
Literatura.
[1]
http://www.oa.uj.edu.pl/J.Kubisz/elf/W2-Pola%20ELF.htm
[2]
http://heading.pata.pl/prop1.htm
[3]
http://www.elektronikjk.republika.pl/s.html
[4] http://pl.wikipedia.org/wiki/Promieniowanie_elektromagnetyczne
[5]
http://faleelektromagnetyczne.republika.pl
]6]
http://portalwiedzy.onet.pl/33073,,,,fale_elektromagnetyczne,haslo.html
[7]
Rozprzestrzenianie fal radiowych (Razprostranienie radiowołn), W. N.
Kessenih, Moskwa 1952.
]8]
Rozprzestrzenianie długich i ultra długich fal radiowych (Razprostranienie
dlinnych i swierch dlinnych radiowołn).
Zbiór artykułów pod redakcją
W. B. Piesrtriakowa, Moskwa 1960.
[9]
http://www.swiatradio.com.pl/archiwum/2002/ubot.htm
