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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Radiometeorologia dimenticata. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Tecnologia di misurazione Perché dimenticato? E comunque, che razza di scienza è questa? Per definizione, la radiometeorologia è la scienza della connessione tra i processi meteorologici (meteorologici) e i processi di propagazione delle onde radio nell'atmosfera. Tuttavia, il significato di questa definizione è cambiato più volte nel corso della storia dello sviluppo dell'ingegneria radiofonica. Ricordiamo che il primo ricevitore radio di A. S. Popov fu utilizzato come rilevatore di fulmini, ovvero il primo utilizzo pratico della radio fu radiometeorologico! L'osservazione dell'atmosfera - impulsi di emissione radio causati dalle scariche dei fulmini - divenne piuttosto diffusa negli anni '20 e '30. Ad esempio, era noto un dispositivo del fisico svizzero Lujon, chiamato atmoradiografo, che era un rilevatore di fulmini Popov migliorato combinato con un anemocinemografo meteorologico [1]. Le osservazioni sono state effettuate su onde ultra lunghe (frequenze di decine di kilohertz), che hanno un lungo raggio di propagazione, in modo che sia stato possibile registrare centri remoti di attività temporalesca, compresi quelli tropicali. Durante la seconda guerra mondiale, quando la Svizzera era tagliata fuori dalle fonti di informazioni meteorologiche, grazie alle osservazioni degli scienziati atmosferici, fu possibile registrare la presenza di cicloni anche al largo delle coste della Florida. Attraversando l'Atlantico, questi cicloni determinarono poi il tempo in Europa. Successivamente, per una localizzazione più accurata delle sorgenti atmosferiche, il gruppo di Lujon si organizzò nel 1957-1959. posti di osservazione a Zurigo e Spitsbergen. La radiogoniometria con una base di 4200 km ha permesso di registrare temporali in quasi tutto l'emisfero settentrionale. La tecnica di osservazione dell'atmosfera migliorò significativamente quando apparvero i ricevitori radiogoniometrici con l'indicazione degli impulsi in arrivo non tramite l'orecchio, ma su uno schermo CRT. Lo schema a blocchi di un moderno radiogoniometro è mostrato in Fig. 1]. Si tratta di un ricevitore ad amplificazione diretta contenente tre canali identici con filtri passa-banda Z2-Z1 sintonizzati sulla frequenza ricevuta (ad esempio 3 kHz) e amplificatori A27-A1. Due canali ricevono un segnale dalle antenne a telaio WA3 e WA1 incrociate ad angolo retto (quelle magnetiche possono essere usate altrettanto bene), e il terzo da un'antenna a stilo omnidirezionale WA2. Il segnale del terzo canale è limitato in ampiezza dal limitatore U3 e serve da riferimento per il funzionamento dei due rilevatori sincroni U4 e U1 installati nei primi due canali.
Alle uscite dei rilevatori sincroni, i segnali demodulati sono proporzionali al seno e al coseno dell'angolo di arrivo delle onde radio. Alimentandoli, dopo opportuna amplificazione e sagomatura nei dispositivi U5 e U6, alle piastre di deflessione orizzontale e verticale del cinescopio, si ottiene un angolo di deflessione del fascio proporzionale all'arcotangente del rapporto di tensione nei canali con antenne a loop, cioè il azimut dell'angolo di arrivo delle onde. La regolazione iniziale del cercatore di direzione viene effettuata ruotando le antenne a telaio e lo sfasatore U3 nel circuito del segnale di riferimento. Come puoi vedere, il cercatore di direzione è abbastanza semplice, non contiene dispositivi mobili per ruotare le antenne, tuttavia consente di determinare l'azimut con una precisione sufficientemente elevata. L'atmosfera viene osservata sullo schermo sotto forma di un raggio espulso dal centro dello schermo nella direzione corrispondente all'azimut e la lunghezza dell'eiezione corrisponde all'ampiezza dell'atmosfera. Si forma così un diagramma polare dell'intensità dell'atmosfera. I tifoni e gli uragani danno un massimo acuto, mentre le aree frontali dei temporali danno un massimo ampio in direzione e minore in intensità [1]. La tecnica della radiogoniometria non ha in qualche modo ricevuto un'adeguata copertura nella letteratura nazionale ed è completamente assente dalla letteratura radioamatoriale. Allo stesso tempo, prevedere temporali, uragani, burrasche, acquazzoni e monitorarne lo sviluppo è estremamente importante, soprattutto nelle zone rurali. Sembra che qui ci sia un ampio campo di attività per i radioamatori. Un altro aspetto della radiometeorologia è associato all'osservazione del passaggio dei segnali radio attraverso l'atmosfera. Negli anni '20 e '30 si dava per scontato che la ricezione radio fosse legata alle condizioni meteorologiche. Tra gli operatori radiofonici c'era persino un detto del genere: "bel tempo - cattiva ricezione, brutto tempo - bello!" Allo stesso tempo furono effettuati numerosi lavori e studi che dimostrarono la connessione tra la propagazione delle onde lunghe, medie e corte (LW, NE e HF) con le condizioni meteorologiche. Vi hanno preso parte i radioamatori G.I. Kazakov (Tashkent), M.A. Benashvili (Tbilisi), L.S. Leonov e A.P. Shchetinin (Mosca). Le loro osservazioni hanno prodotto risultati molto preziosi, ma ora poche persone li conoscono. Durante la Grande Guerra Patriottica, non c'era tempo per la radiometeorologia, ma i radar si stavano sviluppando, padroneggiavano le gamme delle onde decimetriche, centimetriche e successivamente millimetriche, quindi già negli anni '50 e '60 furono condotti studi teorici e sperimentali su la propagazione a lungo raggio delle VHF dovuta alla rifrazione nella troposfera e la diffusione sulle irregolarità troposferiche hanno scoperto l'esistenza di guide d'onda troposferiche. I riflessi radar sono stati ottenuti da nuvole, zone di precipitazione e persino da "cieli sereni" - aree della troposfera con grandi fluttuazioni nell'indice di rifrazione. Si è così formata la “terza” radiometeorologia, che studia la propagazione e la riflessione delle VHF nella troposfera [3]. Spesso comprende anche lo studio dell'atmosfera utilizzando palloni aerostatici dotati di trasmettitori radio. Ricordiamo il famoso sistema di radiosonde del Prof. Molchanov, lanciato per la prima volta nel gennaio 1930. Fu progettato con tale successo che anche molti anni dopo fu utilizzato dalla maggior parte delle stazioni meteorologiche domestiche. Fu proprio questa radiometeorologia, ma anche quella radar, a diventare dominante negli anni del dopoguerra, sostituendo completamente la vecchia radiometeorologia relativa a LW, NE e HF. Anche i famosi scienziati Pedersen e Austin contribuirono “accidentalmente” a questo, nel 1927-1931. che si è espresso a favore dell'indipendenza della propagazione di LW, NE e HF dalle condizioni meteorologiche (in effetti, la loro conclusione è stata fatta a seguito dell'osservazione in America del lavoro delle stazioni europee, e in tali spazi aperti si incontra qualsiasi tempo [ 1], quindi non può esserci dipendenza). Da allora, la scienza della propagazione delle onde radio ha stabilito disposizioni che si possono trovare in qualsiasi libro di testo: la propagazione di LW, SW e HF non è correlata al tempo, i parametri della ionosfera sono determinati solo da processi sul Sole e sulla Terra. Il campo magnetico terrestre e la propagazione a lungo raggio delle onde radio in questi intervalli sono determinati dallo stato della ionosfera. L'influenza della troposfera si osserva solo su VHF e microonde. In precedenza, l'autore di queste righe ne era sicuro, ma diversi casi pratici hanno fortemente scosso questa fiducia. Il primo incidente è avvenuto in un sito geodetico vicino a Serpukhov, 100 km a sud di Mosca. In un pomeriggio estivo, ascoltando una stazione radio a onde lunghe di Mosca, sono rimasto sorpreso di scoprire fluttuazioni nel livello del segnale con un'oscillazione di oltre 12 dB e con una periodicità di diversi secondi! È stato d'aiuto il fatto che la ricezione sia stata effettuata su un misuratore del livello di interferenza, che non aveva un AGC, ma aveva un indicatore del livello del segnale in ingresso, che svaniva in Estremo Oriente quando propagato su una breve distanza da un'onda terrestre? Non può essere! Tuttavia, l’ago si è spostato ostinatamente su tutta la scala. In completo smarrimento, uscendo dalla tenda, ho visto nel cielo un'enorme e bellissima nuvola temporalesca, che si avvicinava da sud. Il confronto tra la velocità della nuvola e la lunghezza d'onda ha mostrato chiaramente che lo sbiadimento era causato dall'interferenza di un'onda terrestre ordinaria e di un'onda riflessa dalla nuvola. Un altro incidente si è verificato su una nave idrografica che conduceva lavori scientifici nello stretto tra le Isole Curili. Nonostante la distanza dai grandi centri abitati, le onde radio erano piene: sul NE c'erano molte stazioni radiofoniche giapponesi, sull'Estremo Oriente si sentivano bene Khabarovsk, Petropavlovsk-Kamchatsky, Vladivostok e Magadan. Ma una bella mattina (nebbiosa come sempre), il ricevitore del reparto si rifiutò di ricevere qualsiasi cosa sull'Estremo Oriente e sul Nordest, e mi chiamarono per sistemare. Il ricevitore si è rivelato funzionante. L'ascolto dell'aria su un grande ricevitore di comunicazione degli operatori radio della nave ha mostrato che i segnali delle stazioni radio menzionate venivano assorbiti quasi completamente, solo la portante della stazione radio Petropavlovsk-Kamchatsky veniva ricevuta, piuttosto indovinata, in modalità telegrafica da due punti . L'etere ha preso vita solo a frequenze superiori a 3,5 MHz, dove è stata osservata la normale trasmissione KB. Per tre giorni in Estremo Oriente e in Oriente ci fu “silenzio come in un carro armato” e solo gradualmente il passaggio fu ripristinato. Molti anni dopo, l'autore ha ricevuto un libro meraviglioso [1] di Dmitry Nikolaevich Nasilov, uno scienziato dell'Università statale di Mosca, scritto principalmente sulla base dei risultati della ricerca negli anni '20 e '30. Per la prima volta in letteratura ho letto di un incidente simile accaduto in un'area completamente diversa del globo - durante il viaggio della nave da spedizione "Perseus" da Arkhangelsk alla Terra di Francesco Giuseppe (FZL). È stato notato che quando si lasciava la calda Corrente del Golfo nelle fredde acque artiche, tutte le stazioni radio situate a sud diventavano appena udibili o scomparivano completamente. Ma quando ci si avvicina a FJL, l'udibilità è stata ripristinata e, allo stesso tempo, gli idrologi hanno notato l'apparizione di un altro getto caldo della Corrente del Golfo. Gli osservatori hanno spiegato la "zona del silenzio" con la rifrazione delle onde radio da parte di uno spesso ed esteso strato di nebbia sopra una corrente calda che invade le acque fredde. Da notare che alle Isole Curili la situazione è simile: la calda corrente Kuro-Sio, proveniente dalle isole giapponesi, si scontra con le fredde acque del Mare di Okhotsk. La spiegazione dell'effetto Kuril-Kola non era supportata da scienziati autorevoli in quel momento, e fino ad oggi molti fatti simili non sono inclusi nei libri di testo sulla propagazione delle onde radio. Ma i fatti sono ostinati e gli esperimenti confermano che i fenomeni di rifrazione, riflessione e propagazione delle guide d'onda si osservano anche in LW, SW e HF, proprio come in VHF. Di grande interesse a questo proposito sono le osservazioni dell'intensità del campo delle stazioni radiofoniche. Ad esempio, il ricercatore americano R. Colwell, trovandosi a 170 km da Pittsburgh e misurando l'intensità del campo di una stazione radio in questa città su un'onda di 305 metri, ha stabilito una correlazione del 98% con le condizioni meteorologiche. Nel 1939, il suo gruppo ottenne sperimentalmente riflessioni in HF (frequenze 1614 e 3492,5 kHz) da strati troposferici situati significativamente al di sotto dello strato ionosferico E, anche ad altitudini di 1...2.3 km! I valori misurati della riflettività sono dell'ordine di 10-4 per nubi sottili sotto forma di foschia, sempre presenti a quote di 12...16 km, e dell'ordine di 0,001...0,05 per fronte caldo nuvolosi, possono aumentare fino a 0,7 (!) per nubi cumuliformi e temporalesche potenti, spesso accompagnati da un fronte freddo.
Le fluttuazioni nell'intensità del campo delle stazioni radio durante i temporali sono state notate da molti - come esempio in Fig. La Figura 2 mostra una registrazione della stazione radio di Kiev (1209,6 metri), effettuata dal punto di ricezione radio di Kiev con il bel tempo (Fig. 2, a) e durante un temporale (Fig. 2, b) [1]. Le fluttuazioni possono essere spiegate con la comparsa di aree di maggiore ionizzazione dell'aria a basse altitudini. Ma anche in assenza di temporali, l’avvicinarsi, ad esempio, di un fronte caldo provoca un generale aumento dell’intensità di campo nell’Estremo Oriente e nel Nordest, mentre un fronte freddo provoca brusche fluttuazioni, sbiadimenti e può anche portare alla perdita del segnale. Nell'atmosfera si osservano anche effetti non lineari, che si manifestano sotto forma di "sovrapposizioni" sulla portante della stazione radio ricevuta. Nel 1938, M.A. Benashvili propose di determinare la posizione dei fronti atmosferici in base alla natura delle "sovrapposizioni" sui segnali delle stazioni radio a lungo raggio e a onde medie ricevute da diverse direzioni e distanze. Pertanto, un fronte freddo sul percorso delle onde radio genera crepe e clic, un fronte caldo produce fruscii e un sottofondo continuo. In un articolo è impossibile raccontare molti dei fenomeni più interessanti che compaiono ascoltando attentamente l'aria e studiando i processi di propagazione delle onde radio. Lo scopo di questa pubblicazione è attirare l'attenzione dei radioamatori su questi fenomeni semi dimenticati, in qualche modo persi nella nostra epoca di computer e comunicazioni satellitari. Vale la pena ricordare che anche l'emissione radio cosmica è stata scoperta da normali ingegneri radiofonici che eseguivano lavori di routine di misurazione delle interferenze radio, e la propagazione a lungo raggio di HF è stata scoperta da radioamatori. Letteratura
Autore: V.Polyakov, Mosca
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