Распространение радиоволн

Кроме видимого света, Солнце испускает невидимые лучи, которые имеют ту же природу, что и радиоволны, и видимый свет. Это электромагнитные волны. Однако длина их меньше длины волны самого коротковолнового видимого света. Эти лучи называются ультрафиолетовыми. Они способны разрушать атомы газов, из которых состоит воздух.
Под влиянием ультрафиолетовых лучей из атомов может вырваться электрон, и положительный заряд ядра уже не будет уравновешен электронами. Атом станет положительно заряженным, т. е. превратится в ион.
Одновременно Солнце испускает поток летящих с колоссальной скоростью мельчайших частиц — электронов, протонов (ядер атомов водорода) и др. Сталкиваясь с атомами газов, находящихся в верхних частях атмосферы, эти частицы также превращают часть из них в ионы. В результате верхняя часть земной атмосферы оказывается насыщенной положительными ионами и свободными электронами. Ее называют ионосфера.
Сталкиваясь при своем беспорядочном движении, часть ионов и электронов вновь объединяется в нейтральные атомы. Чем больше разрушенных атомов, тем чаще происходят столкновения между образовавшимися ионами и электронами. Поэтому в конце концов между процессами разрушения и воссоединения атомов устанавливается равновесие.
Ночью атмосфера не подвергается действию солнечного излучения, и количество ионов и свободных электронов уменьшается. Это уменьшение тем больше, чем плотнее атмосфера, так как в плотной атмосфере встречи ионов и электронов происходят чаще, чем в разреженной атмосфере. Поэтому нижний ионизированный слой (на высоте около 80 км) ночью исчезает совершенно, в то время как верхние слои ионосферы существуют и днем и ночью, хотя, конечно, количество ионов и свободных электронов в этих слоях ночью меньше, чем днем.
Изменения, происходящие в ионосфере, изменяют условия радиоприема. Дело в том, что слои атмосферы, насыщенные ионами и свободными электронами, способны проводить электрический ток, а проводники способны отражать электромагнитные волны. Поэтому радиоволны отражаются от ионосферы, подобно тому как видимый свет отражается от зеркала. Благодаря этому сила радиоприема на больших расстояниях оказывается намного большей, чем при отсутствии ионосферы. Вместе с тем свободные электроны ионосферы под действием радиоволн приходят в движение и при этом поглощают часть энергии радиоволн. Сталкиваясь при своем движении с атомами газа, электроны передают им эту энергию. Таким образом, часть энергии радиоволн безвозвратно теряется в ионосфере.
Наибольшее поглощение длинных и средних радиоволн происходит в нижней части ионосферы, на высотах, меньших 100 км. После захода Солнца, когда нижние слои ионосферы исчезают, поглощение радиоволн резко уменьшается, а вместе с этим увеличивается дальность и громкость радиопередач на длинных и средних волнах.
Первые радиовещательные станции работали на волнах длиной 1—3 км. По мере увеличения количества радиостанций начали применять и более короткие волны.
Оказалось, что слышимость на средних волнах меняется в течение суток особенно сильно. В дневное время радиостанции, работающие на этих волнах, слышны только на сравнительно малых расстояниях.
Волны короче 200 м сильно поглощаются в земле и поэтому в первые годы развития радио их считали вовсе непригодными для дальних радиопередач.  Каково же было удивление радиоинженеров и физиков, когда начали поступать сообщения о том, что радиолюбители при помощи маломощных самодельных передатчиков, работающих на «бросовых» волнах, добились радиосвязи на тысячи километров.
Оказалось, что короткие волны слабо поглощаются в ионосфере, могут многократно отражаться от ионосферы и их можно принимать на больших расстояниях. Однако сила приема сильно зависит от состояния ионосферы и, следовательно, существенно изменяется в течение суток.
Длинные волны распространяются преимущественно непосредственно над земной поверхностью в виде поверхностной волны, а короткие волны главным образом в верхних слоях атмосферы в виде пространственной волны (рис. 1).

Часть энергии волн, излучаемых коротковолновой передающей антенной, распространяется вдоль земной поверхности. Но поверхностная волна коротковолнового диапазона быстро ослабевает из-за поглощения землей и уже на расстоянии в несколько десятков километров практически полностью затухает. Пространственная же волна, отразившись от ионосферы, возвращается на землю на расстоянии порядка сотен тысяч километров.
Область, до которой поверхностная волна уже не доходит, а пространственная волна еще не проникла, называется зоной молчания или мертвой зоной. Размеры этих зон ночью больше, чем днем, и зимой больше, чем летом. Это создает большое непостоянство в слышимости коротковолновых радиостанций. Например, хорошо слышимая днем радиостанция может быть совсем не слышна ночью, так как ночью мертвая зона станет больше и может захватить приемную станцию. Это явление особенно заметно на волнах 10—30 м, для которых зоны молчания вообще больше.
На коротких волнах часто наблюдаются более или менее резкие колебания и даже полное пропадание слышимости, называемое замиранием. Иногда оно проявляется так сильно, что прием становится невозможным. (На волнах до 600—300 м замирание также бывает, но гораздо реже и в меньшей степени.) Неустойчивость слышимости и зависимость распространения от времени года и времени суток являются главными недостатками коротких волн.
Тем не менее короткие волны используются очень широко. Ценным свойством является то, что во всем диапазоне до 10 м можно разместить без взаимных помех около 2 000 радиовещательных станций, а число радиотелеграфных станций, которые могут без взаимных помех работать в этом диапазоне, еще больше. На коротких волнах иногда наблюдается явление радиоэха, когда сигналы от передатчика приходят к приемнику двумя путями: по кратчайшему расстоянию (например, 2000 км) и по второму пути вокруг земного шара (в нашем примере 38000 км). Сигнал по второму пути приходит с некоторым опозданием (в данном случае примерно 1/1 сек). Прохождение коротких волн вокруг земного шара объясняется их многократным отражением от ионосферы и поверхности земли. Таким путем волна может даже 2 раза и больше обойти вокруг Земли. Советский ученый Н. И. Кабанов обнаружил, что радиоволны, попавшие после преломления в ионосфере на земную поверхность и испытавшие рассеянное отражение от нее, распространяются частично в обратном направлении и после вторичного преломления в ионосфере могут попасть в то место, откуда они были посланы (рис. 2). Это явление, получившее название «эффекта Кабанова», может быть использовано для радиолокации весьма удаленных частей земной поверхности.