Неканальное тропо – внутренние секреты

1. Неканальное тропо
Большинство ежедневных любительских радиосвязей на диапазонах 2 метра и выше проводятся в помощью неканального (обычного) тропосферного прохождения. Хотя изредка на некоторых трассах удается проводить неординарные QSO в канальном тропо или с помощью ионосферных видов прохождения, рассеяние и рефракция радиоволн УКВ-диапазонов  ниже тропопаузы (от 8 до 20 км над поверхностью земли) остается нашим главным оплотом. 

Удивительно, но наше понимание неканального тропо не такое хорошее, как должно было бы быть, учитывая его частое возникновение. Физический базис понимания этого явления был установлен более 50 лет назад Букером и Гордоном (Booker and Gordon, A theory of radio scattering in the troposphere Proc, IRE 38:401-412), подробное описание этой теории можно найти в библиографии, приведенной в конце статьи, там есть и более популярные версии описания теории для радиолюбительской литературы. Центральной частью модели Букера-Гордона (http://www.quercus.demon.co.uk/booker.html, см. раздел 3) являются требования для «преломляющих пузырьков» – «refractive blobs» (изотерический термин), которые образуются в тропосфере из-за турбулентности. Есть хорошие экспериментальные доказательства существования таких областей в нижней части тропосферы, их корреляционное расстояние соответствует наблюдаемому прохождению, изменение индекса рефракции также соответствует опыту, при этом для более дальних трасс затухание растет. Это происходит из-за роста высоты расположения рассеивающего объема (http://www.quercus.demon.co.uk/geom.html, см. раздел 4),  в котором происходит прямое рассеяние радиоволн.

Если Вы уже проводили QSO с помощью неканального тропо на расстояния более 500 км, попробуйте представить, где в тропосфере на высотах более 8 км могло происходить прямое рассеяние. Это происходит выше наиболее активных и интересных нижних слоев тропосферы, там где данные метеозондов – диаграммы температура- энтропия (http://www.quercus.demon.co.uk/tephi.html, см. раздел 5) в основном бесполезны. В следующий раз при полете на пассажирском авиалайнере на таких высотах при хорошей погоде обратите внимание – большую часть времени в воздухе нет заметной турбулентности, видно только одно специфическое явление – легкий туман, мгла, которая скапливается на высоте непосредственно перед тропопаузой.

Тропопауза сама по себе имеет интересное влияние на неканальное тропо. Если Вы посмотрите изображения с радара BADC MST (http://www.badc.rl.ac.uk/badc/mst/images/), то увидите четко очерченную отражающую область (http://www.quercus.demon.co.uk/mst.html, см раздел 6), которая приблизительно и показывает, где в настоящее время находится тропопауза. Для большинства дальних QSO при неканальном тропо (кроме редких случаев, когда неканальное тропо образуется в стратосфере), тропопауза и должна формировать верхнюю границу рассеивающего объема. Т.е. не является ли высота расположения тропопаузы главным ограничителем для дальних трасс при неканальном тропо?

Если Вы хотите помочь мне лучше понять, что происходит при неканальном тропо, мне бы было очень интересно постоянно проводить тропо скеды/QSO с любительскими станциями, которые могут предоставить информацию о своих антеннах, мощности, точном местоположении, из M4 в северном направлении. Если у Вас есть диапазоны 2, 4 и 6 м, это было бы отлично, т.к. было бы очень полезно изучить взаимосвязь между длиной волны и дальностью. Меня также всегда интересна информация о необычных QSO в неканальном тропо, например, увеличение силы сигнала из-за наличия атмосферных фронтов и вообще влияние погодных условий на тропо.

Если хотите почитать информацию из более солидных источников, вот библиография, с которой можно начать:

1. Geoff Grayer's глава 2 в The VHF/UHF DX Book под редакцией Ian White, RSGB, ISBN 0-9520468-0-6. Очень ценная информация для тех, кто интересуется работой на VHF и выше.
2.  Ray Flavell's глава 3 in VHF/UHF Handbook под редакцией Dick Biddulph, RSGB, ISBN 1-872309-42-9. Подробно рассмотрены диаграммы температура-энтропия и т.п, хорошо читать вместе с предыдущей статьей.
3.  Beyond Line of Sight. A History of VHF Propagation from the Pages of QST под ред. Emil Pocock, ARRL, ISBN 087259-402-5. Прекрасный сборник статей, перепечатанных из QST, содержащий материалы и по другим видам прохождения, а также Gannaway's классическую интерпретацию тропосферного рассеяния.
4. Propagation of Radiowaves под ред. Hall, Barclay и Hewitt, IEE, ISBN 0-85296-819-1. Дорогая книга, больше посвящена коммерческому радио, но с отличным сборником рекомендаций ITU и несколькими прекрасными иллюстрациями канального тропо.
5. Doppler Radar and Weather Observations by Doviak and Zrnic, Academic Press, 2nd edn., ISBN 0-12-221422-6. Возможно, это взгляд на радио-прохождение «с другой стороны», но с очень хорошим пониманием и хорошими иллюстрациями. Тоже дорогая книга.
6. Wave Propagation and Scattering in Random Media by Ishimaru, reprinted by Oxford/IEEE Press, ISBN 0-19-859226-4. Основательный труд по математической физике, дорогая книга.
7. Fundamentals of Atmospheric Physics by Salby, Academic Press, ISBN 0-12-615160-1. В целом хороший доклад о тропосфере, вполне доступный, хотя имеет небольшое отношение к прохождению радиоволн.
8. Troposcatter Radio Links by Roda, Artech House, ISBN 0-89006-293-5. Ориентировано на коммерческие приложения, но содержит много полезной информации. Не является печатным изданием, доступно прямо из Artech House под их программой In-Print-Forever™  (см. http://www.artech-house.com/).

2. Как отличить канальное тропо от неканального

Как и при большинстве других типов прохождения, невозможно сказать наверняка, канальное это тропо или нет. Вот несколько признаков, которые помогают для данного QSO и трассы определить это.

Канальное тропо обычно:

• имеет признаки скачка - как спорадик, другими словами, дальние станции идут значительно громче, чем большинство более близких, которые не попали в зону действия канального тропо.
• приводит к тому, что сигналы дальних станций имеют очень большой уровень. Если рассчитать потери на трассе с использованием стандартных методов для обычного тропо, уровень сигналов для канального тропо на много дБ больше, как и при Es.
• географически селективно. Иногда бывает такое канальное тропо, что можно сработать с разными достаточно удаленными друг от друга корреспондентами, но обычно при этом прохождении корреспонденты, которые могут сработать, географически близко расположены друг к другу на обоих концах канала. Правда, в принципе возможно возникновение и нескольких каналов одновременно, точнее, нескольких «слоев».
• требует входа сигнала в канал с малыми углами. Если у Вашей антенны большой положительный угол излучения к горизонту (препятствия), Вы вряд ли сможете работать в этом прохождении, т.к. антенна будет излучать выше верхней границы канала.
• использует только нижнюю часть тропосферы. Почти всегда тропосферные  каналы образуются на высоте до 1 км, очень редко - выше 2-х км. Если у Вас в направлении на корреспондента гора высотой 1500 м, придется ждать другой тип прохождения, чтобы с ним сработать.
• чаще всего возникает над водой, при условии высокого атмосферного давления (антициклон) и при отсутствии сильного ветра.
• бесполезно на более длинноволновых диапазонах, т.к. там тропосферный канал должен быть больше по размерам, чтобы прохождение возникло. Если Вы работаете в канальном тропо на диапазонах 6 м или 4 м – Вам сильно повезло.

Неканальное тропо обычно:

• приводит к повышению уровня сигналов дальних станций, но не очень значительно по сравнению с расчетными потерями на трассе. То есть, сигнал станций, удаленных на 1500 км не будет сильнее тех, до которых, скажем, 750 км, но будет сильнее, чем полученный с помощью расчета потерь на трассе.
• затрагивает обширные области с обоих концов трассы. Прохождение бывает в очень больших географических зонах без выраженной селективности.
• может работать (с существенным ослаблением, конечно) для тех станций, у которых большой угол излучения к горизонту. Можно, например, проводить связи на расстояния более 700 км при угле излучения к горизонту 10 градусов, хотя в этом случае немного помогает рефракция, возникающая перед препятствием.
• использует верхние слои тропосферы. Чем длиннее трасса, тем более высокие слои тропосферы задействуются (эта зависимость нелинейная из-за рефракции на небольших высотах). Высота расположения тропопаузы может быть определяющим фактором, ограничивающим дальность прохождения, хотя неканальное тропо может возникать и в нижних слоях стратосферы.
• чаще всего возникает при высоком атмосферном давлении (антициклон), но не только над водными просторами. Неканальное тропо бывает лучше, когда атмосферное давление начинает понижаться, но предсказать его очень трудно, особенно если основываться только на погодных картах для земной поверхности. Более полезны для этого карты, показывающие свойства верхних слоев атмосферы.
• возникает сразу и на VHF, и на UHF, и на более высоких частотах, хотя на более длинноволновых диапазонах неканальное тропо обычно хуже, чем на более высоких частотах.

Еще один важный момент при попытке определить тип прохождения на VHF диапазонах – это понять тропосферное оно или ионосферное (в частности, E-спорадик или ионосферное рассеяние). Вообще говоря, при Es сигналы всегда более сильные на более низких частотах (для одинакового азимута). Если сила сигнала не увеличивается при понижении частоты, с большой степенью достоверности можно говорить, что это тропо.

3. Модель Букера-Гордона

Базовое уравнение, которое определяет принимаемую мощность, передаваемую из некоторого пункта и отраженную от объекта, перед тем как попасть в приемник – это бистатическое радарное уравнение:

,где P – это мощность (индекс t – для передаваемой, индекс r - для принятой), g – усиление антенны (индексы t и r имеют тот же смысл), лямбда – длина волны, r – это расстояние от передатчика до объекта и от объекта до приемника (здесь предполагается, что это одно и то же), сигма – поперечное сечение рассеивающего объекта, f – коэффициент распространения. (В литературе можно найти некоторые вариации в записи этого уравнения, я использую эту конкретную форму записи, как наиболее подходящую для наших рассуждений). Заметьте, что квадрат длины волны, входящий в формулу, говорит о том, что в неканальном тропо лучше передаются более низкие УКВ частоты.

Модель Букера- Гордона использует модифицированный вариант этого уравнения, в виде интеграла по всем областям отражения/рассеивания, имеющим место в «пузырьках» рассеивающего объема, версия уравнения Букера- Гордона:

,где V- это рассеивающий объем. К этому уравнению они добавили сложную формулу для сигма (сечения рассеивающего объема), в терминах двух характеристик среды рассеяния - вариации колебаний индекса рассеяния и корреляционного расстояния. Типичные значения для этих величин - порядка одной миллионной (10 в минус шестой степени) для вариации индекса рассеяния и от 20 до 130 метров для корреляционного расстояния. Если корреляционное расстояние много больше длины волны, что выполняется для 2-метрового любительского диапазона и более высоких частот, то сечение рассеивающего объема практически не зависит от длины волны и в основном зависит только от вариации индекса рассеяния и угла рассеяния. Однако, на 6 и 10-метровом диапазонах длина волны близка к типичному значению корреляционного расстояния.

Таким образом, было бы очень интересно изучить неканальное тропо для разных длин волн для одной трассы. По опыту известно, что качество связи при неканальном тропо сильно различается для разных диапазонов в разное время: иногда на 6 и 4-метровом диапазонах есть подъем прохождения, а на 2-метровом нет. А вообще-то обычно на 2-метровом диапазоне это прохождение появляется гораздо чаще, чем на более длинноволновых диапазонах. Проверить это более детально было бы интересно, т.к. это помогло бы понять взаимосвязи между погодой в средних и верхних слоях тропосферы и факторами, определяющими сечение рассеивающего объема.

4. Геометрия тропосферного рассеяния

Геометрия для неканального тропо очень проста, если говорить о прямом рассеянии сигнала. Допустим, передатчик находится в одной точке земной поверхности, его сигналы принимаются приемником в другой точке поверхности, находящейся за горизонтом. На рисунке отражена эта ситуация, и показан рассеивающий объем, в котором и происходит тропосферное рассеяние сигнала (здесь кривизна земной поверхности, как всегда на рисунках, сильно преувеличена).

Рассеивающий объем геометрически ограничен шириной диаграммы направленности антенн передатчика и приемника, углом их диаграмм к горизонту и высотой тропопаузы. Если у одной из антенн большой угол излучения к горизонту, нижняя граница ее диаграммы будет выше и рассеивающий объем поэтому будет меньше. Хотя антенны с хорошим усилением имеют преимущества по другим параметрам, у них более узкая диаграмма направленности, и поэтому они будут облучать меньший рассеивающий объем (не забывайте про третье измерение диаграммы). Высота тропопаузы - еще один важный фактор для работы с DX. В худшем случае, в зимнее время и при низком атмосферном давлении, высота ее может быть 8 км и ниже, что будет ограничивать величину рассеивающего объема.

Влияние высоты тропопаузы на рассеивающий объем и эффективность неканального тропо может быть проиллюстрирована некоторыми данными из контестов на 4-метровом диапазоне. 27 сентября 1998 г. я еле слышал Стюарта GM4AFF, удалось принять его позывной на пике медленных QSB, хотя редкие метеорные пинги с силой до S9+ подтверждали, что он работает на передачу. От моего QTH до него примерно 700 км, середина этой трассы близка к месту расположения MST-радара, в 350 км на север от меня. Использование 4/3 модели Земли для трассы сигнала до верхних слоев тропосферы при предположении «нормальной» скорости изменения индекса преломления давало высоту нижней точки рассеивающего объема около 8.6 км над земной поверхностью; простая модель земли предсказывала высоту этой точки около 11 км. В это же время MST-радар показывал высоту тропопаузы 11.2 км, что приводило к недостаточной величине рассеивающего объема для проведения этого QSO без увеличения эффективной изотропной излучаемой мощности (например). Наоборот, Стив G0AEV, у которого середина трассы в 300 км на север от его QTH, по расчетам должен был иметь рассеивающий объем, начинающийся с высоты от 6.5 км (модель 4/3) до 8.3 км (простая модель), что давало значительно большую величину объема для тропо рассеяния. Поэтому он должен был сработать с GM4AFF без труда. Действительно, в первой половине дня, когда радар показывал высоту тропопаузы 11.4 км, G0AEV сработал с GM4AFF.

В этой геометрической модели есть неизбежные упрощения - конечно, рассеивающий объем не имеет таких резких границ, некоторое рассеяние может происходить выше тропопаузы, сама граница тропопаузы может немного отражать или преломлять сигнал, т.е. улучшать прохождение. В частности, на низкочастотных УКВ диапазонах неканальное тропо может возникать больше из-за рефракции сигнала в тропосфере, чем из-за прямого рассеяния (см. мои более пространные рассуждения на эту тему по указанным выше ссылкам).

5. Данные метеозондов

Ray Flavell дал детальное описание, как можно исследовать данные с радиозонда, чтобы найти доказательства существования тропосферных каналов. Так как по теории Букера-Гордона важны очень маленькие изменения индекса преломления, можно предположить, что данные с зонда окажутся бесполезными при изучении неканального тропо. Так это или не так - но в настоящее время нет больше данных для изучения, кроме этих и данных с MST-радаров. Т.к. в мире есть всего несколько MST-радаров, а станций, собирающих данные с зондов, гораздо больше, нужно посмотреть, что полезного из их данных можно извлечь.

Классический способ представления данных зондирования верхних слоев атмосферы - это «тефиграммы» - «tephigrams» (диаграммы температура – энтропия), хотя лучше посмотреть более общий график температур влажных и сухих областей по высоте.

Необработанные данные чаще представляются в виде зависимости от атмосферного давления, которое не используется напрямую при изучении радио-прохождения, поэтому я заменил давление на высоту по оси Х (есть несколько способов это сделать, с разной точностью). Здесь видна одна полезная вещь - приблизительная высота тропопаузы, где температура становится почти постоянной (вместо того, чтобы падать), в данном случае эта высота - около 10 км. Пунктирная линия показывает температуру влажных областей, сплошная - сухих.

Далее, можно посмотреть индекс преломления радиосигнала, который может быть вычислен по формулам, которые приводит Flavell (или подобным). Вот график индекса преломления (N) от атмосферного давления:

По крайней мере видно, что с тропосферными каналами нам тут не повезло. Опять же, лучше смотреть график индекса преломления (N) по высоте:

На этом графике видно, что индекс преломления стремится к 1 на больших высотах, и как он изменяется на малых высотах. Т.к. для модели Букера-Гордона нужно фиксировать очень малые изменения и понимать, например, будут ли эти изменения индекса уменьшаться на высоте тропопаузы, то в конце концов, график, который нас интересует - это изменение индекса преломления (dN) по высоте:

Большие колебания на малых высотах являются артефактами (вызваны погрешностями вычислений) и, вероятно, могут быть удалены с помощью сглаживания. На уровне высоты тропопаузы dN становится очень маленьким, и затем медленно падает на нижних слоях стратосферы. При желании Вы можете провести оценку всех других типов измерений, получаемых при зондировании верхних слоев тропосферы, включая Brunt-Vaisailla Buoyancy Frequency. Я покопаюсь в этом при создании следующих версий этих страниц.

Недавние исследования, включая работу Newell и др. (Nature 398:316-319; "Ubiquity of quasi-horizontal layers in the troposphere", RE Newell, V Thouret, JYN Cho, P Stoller, A Marenco & HG Smit, 1999), вызывают некоторые вопросы к данным, полученным с обычных зондов. Авторы описали данные, собранные с помощью датчиков, установленных на коммерческих самолетах, эти данные хорошо иллюстрируют наличие слоев с разными свойствами в тропосфере на высотах до 1-го км, которые, как правило, не обнаруживаются обычными метеозондами, потому что данные с зондов недостаточно точны. Хотя у зондов есть возможность фиксировать измерения для каждых 30 – 100 метров высоты, большинство данных передаются только с интервалом 1 – 2.5 км. Данные с самолетов (по проектам MOZAIC и NASA PEM) показывают, что есть тропосферные слои, более тонкие, чем эти интервалы, отличающиеся высокой или низкой концентрацией озона, или высокой/низкой влажностью. Прогнозируемые профили скорости нагрева говорят о том, что эти слои могут вызывать нестабильность воздушных масс и турбулентность на их границах. Таким образом, они могут являться потенциальным источником прямого рассеяния радиоволн. Конечно, для подтверждения этого требуется дальнейшая работа.

6. Значение MST-радара

Итак, я надеюсь, что у Вас появился некоторый интерес оценить высоту и состояние тропопаузы. Можно сделать это разными способами, но наиболее очевидный и наглядный – посмотреть данные по вертикальному отражению радиоволн (рассеянию назад) с MST радарной станции. Вот отрывок для иллюстрации этого способа.

Небольшой кусок изображения с MST-радара выглядит так:

  Цвета используются для обозначения уровня принятой мощности при обратном рассеянии, фиолетовый – низкий уровень, зеленый – выше, красный – высокий уровень. Обычно бывает два диапазона высот с сильным отражением сигнала – один нижний – до 5 – 7 км, и второй от 8 до 14 км, т.е. близко к тропопаузе. Второй диапазон высот на приведенном рисунке выглядит как интервал зеленого цвета на высоте около 13 км. Наблюдая за поведением этого верхнего интервала я убедился, что неканальное тропо в данном направлении бывает лучше всего, когда этот интервал находится высоко и четко очерчен (т.е. выглядит сплошным и резко отличается от области, находящейся ниже по высоте). Когда этот интервал прерывистый, размытый и находится низко, то проведение дальних тропо QSO в этом направлении очень затруднено. Однако нужно помнить, что обратное рассеяние, которое показывает MST-радар, определяется другими физическими механизмами, чем прямое рассеяние при неканальном тропо. То есть, MST-радар показывает структуру тропосферы, но не является достоверным индикатором наличия хорошего прямого рассеяния радиоволн. 

Обновлено 2 октября 1998 г.

Howard Oakley

Mail Этот адрес e-mail защищен от спам-ботов. Чтобы увидеть его, у Вас должен быть включен Java-Script

*******************

Перевод – RL3DO

Статья находится здесь: www.quercus.demon.co.uk/tropo.html