【工程师博客】变幻莫测:电离层历险记

作者:DavidHTO

你是否在晚上听过AM广播,思索你如何能听到远方的电台,但白天却听不到?科学家和研究人员同样感到疑惑,他们花了数十年时间试图了解我们上空发生了什么事情导致无线电信号在夜间“跳出来”。由此引出了更多问题,例如:为什么在一天的同一时间从同一地点发出的频率不同的信号会跳过更长或更短的距离?或者,在一天的同一时间从同一地点以相同频率发出的信号,为什么在不同季节里会有不同表现?又或者,即使所有上述条件(地点、时间、频率和季节)都相同,为什么信号在某些年份里可以环游世界,但几年之后只能传播几十英里?最后,知道所有变量之后,我们能否预测电离层的行为及其对通信的影响?

当然可以。

但是我们做不到。

首先,快速了解一下历史,以便把这两个看似矛盾但实则准确的答案放到一个大背景中去看待。人类早已观察到,自由运动的磁化物体会指向北方,这一事实很早就被人类用于航海活动。1839年,一位名叫Frederick Gauss的科学家提出,地球上方有一个带电荷的空间区域,正是它引起了“指北”运动。在接下来的几十年中,更多的假设和理论被提出,并进行了一些实验,由此发展出早期的无线通信,称为“火花隙”。这个名字非常形象。大家知道,在冬天,当触摸金属物体或其他人时,你会感受到轻微的电击。这本质上就是火花隙。当早期实验者(例如Guglielmo Marconi)找到如何从远处探测火花的方法时,无线电通信(使用Samuel Morse代码的某种变体)即告诞生。

火花隙有很多缺点,包括:为使其在任何有意义的距离上工作,必须提供大量功率;其频率范围非常有限。接下来发生的事情让我想到多米诺骨牌,一张一张相继倒下,此时对于无线电的发展和我们对电离层的了解是最好的时机。第一张多米诺骨牌是1912年“无线电法案”的通过。1912年“最先进”的无线电技术是火花隙,其产生的信号频率在1200 KHz以下(基本上是当今AM无线电频段的中部),因此该法案慷慨地将1500 KHz以上的频谱交给了实验者和业务无线电爱好者,国会轻率地认为这部分频谱毫无用处。

位于新西兰Awanui电台的火花隙发射机。请注意此照片右下方的鼓风机。这些高功率电台的温度很高。非常高。

听到声音了吗?这是另一张多米诺骨牌倒下的声音,因为就在第一次世界大战爆发之前,Lee DeForest、Walter Schottky和其他人在真空管方面的开创性工作使得所设计的发射器能够产生某种音调,不再只是静电声。这被称为连续波或CW。现在,负担不起商用和军用火花隙电台那样极其强大的发射器和大型天线的业余实验者,可以利用低得多的功耗和较小的天线通过连续波相互联系。这些实验者也开始注意到,他们能否联系到远方电台取决于一天中的时间和频率。利用这种经验,业余爱好者很快在美国东海岸与欧洲,以及西海岸与夏威夷之间建立起了创纪录的连接。现在又要倒下一张多米诺骨牌:国会法定的1500 KHz频率充斥着大量信号,异常拥挤。因此,业余爱好者开始尝试能在更高频率下运行的新一代电子管。

现在,一张非常重要的多米诺骨牌即将倒下,原因是在1920年代早期,随着频率的提升,实验者发现较远距离的通信在一天中的某些时间更容易实现。采集的数据越来越多(业余无线电爱好者善于保管记录的名声享誉世界,这使业余无线电成为一个全球性实验),物理学家加以整理和分析后,于1923年得出结论:Gauss于87年前假设的电离层应对此现象负责。现在,几件事情的发生导致一连串的多米诺骨牌开始倒下。

首先,早期被认为是玩具的无线电很快具备了商用可行性。全国各地建设了数以百计的地方电台,其所有者乐意将广播时间出售给当地的五金店、饲料商店、福音传教士和专利药品小贩,所有这些人都很高兴付钱向成千上万的潜在皈依者和顾客进行宣传。听众激增,许多制造商进入无线电接收机市场,包括廉价矿石收音机供应商;通过矿石收音机,家里没有电力的人也能听到这些广播。

没有电力?矿石收音机没问题!

政府很快意识到,这个新行业需要有一个专门组织来监管,以驯服这个新的“狂野西部”,因此在1926年成立了联邦无线电委员会。一年后,1927年无线电法案获得通过,决定收回1500 KHz以上的频率(政府在1912年视其为无用频谱),并将其分配给商业、业余、军事和其他政府服务。这就把成千上万的技术人员和实验者投入到频谱研究中,设计更高效的发射器和性能更好的电子管,收集了大量无线电接收数据。1926年,在Oliver Heaviside、Arthur Kennelly等理论家和物理学家的工作基础上,物理学家Robert Watson-Watt首先使用术语“电离层”来描述无线电信号在大气层中传播或“跳跃”(这个词在听众中更流行)的地方。

他们发现,在适当频率和一天中适当时间工作的无线电台,可以在数千英里之外听到,甚至远涉重洋。一战结束后,欧洲的紧张局势一直在升温,一些政府对此发现加以利用。德国和英国这两个处于无线电研究前沿的国家,建立了可以在美国收听到的电台,让他们能够将其观点不经过滤地传播到全世界——这与今天使用Twitter和其他社交媒体的方式差不多。受市场驱动,消费无线电制造商不久就在其无线电中包含了一个或多个短波波段。这意味着,许多收听富兰克林·罗斯福“炉边谈话”的美国人,也能通过短波听到希特勒、丘吉尔和其他外国领导人的讲话,这要归功于信号在电离层中的跳跃。

1936年Zenith 6-S-222型“立方体”收音机,有三个无线电波段

第二次世界大战结束后,电离层跳跃对地缘政治的重要性愈发提高,因为冷战双方建立了庞大的短波电台,通过高达一百万瓦的电力来颂扬己方政治制度的优势和另一方的劣势。然而,我们对电离层的理解,特别是我们预测电离层中信号行为的能力,对于火箭(无论是将核弹运送到敌方的火箭,还是将人发射到太空轨道的火箭)开发者来说,发展得还不够快。但人们关注的不仅仅是电离层。基于早在20世纪初期进行的观察,科学家们推测在电离层之外有一个带电粒子区域。1958年1月,探险者1号(美国第一颗到达轨道的卫星)上的实验证明了所谓Van Allen辐射带的存在。

对Van Allen带的早期观测证实了科学家们的推测,即距地球9300万英里的太阳在产生由带有粒子组成的“太阳风”,其会在不同的时间以不同的强度推挤Van Allen带。虽然对它可以做一定的预测(例如太阳黑子周期为11年),但太阳耀斑的突然出现是非常难以预测的。因此,简单算算就会知道,从辐射带的发现到太阳的影响,还有几十个变量需要添加到电离层跳跃预测方程早已很长的变量列表中(频率、一天中的时间、一年中的时间等等)。这会是一个多么可怕的方程啊!(别担心,我不会抛出我处理不了的数学方程......因此本文一个方程也没有。)

在这篇文章的最开始,我问我们能否预测电离层对通信的影响。我当时的回答是:“当然可以。”然后我说“但是我们做不到。”希望大家能明白,我并没有刻意回避。事实是,即使在今天,经过180多年的理论探究、测试和数据收集(来自地面和太空观测),当要求物理学家和数学家们为电离层中发生的事情给出一个明确的预测模型时,他们也只能两手一摊,告诉我们下面这个词:

stochastic:/stəˈkastik/ 形容词

这个词源于希腊语,意思是“随机确定;具有随机概率分布或模式,可以进行统计分析,但可能无法准确预测。”这对我们来说意味着,不应该使用排列有序的多米诺骨牌来类比电离层,而应该使用骰子游戏,爱因斯坦说上帝不掷骰子是错的。上帝不仅掷骰子,而且不断玩出新花样。

我是从个人经验了解到这一点的,我本人是一名业余无线电操作员。介绍完所有背景,我想告诉大家我的一些亲身经历。首先,业余爱好者总是希望提高其与远方其他爱好者取得联系的几率(业余爱好者的行话称之为DX),并且有许多在线工具提供有关电离层跳跃的预测报告。这是此类报告的一个例子,发布在美国无线电中继联盟网站上发布,当把我们讨论的所有变量放入一个工具中时,它会显示结果,绘制世界上任何两个地方(本例中是美国东海岸与东欧)之间的预测活动图:

资料来源:美国无线电中继联盟

此图的竖直轴为频率,以MHz为单位(例如,1030的AM电台将位于1.3);水平轴是本月中的任何24小时周期(UTC,过去称为格林威治标准时间)。这就是为什么我们必须把多米诺骨牌换成骰子的原因,因为三条不同的彩色线条仅表示在特定时间和频率时两个业务爱好者在地球上的这两个地方之间可以建立联系的概率。红色代表10%的几率,绿色代表50%的几率,蓝色代表安全赌注(有点像使用庄家的钱),两个业余爱好者在给定时间和频率可以相互听到的概率超过50%。

根据该图,如果我在早上8点将收音机调到14 MHz,我有50/50的机会与布拉格的一位业余爱好者取得联系。在同一时间,如果以10 MHz的频率发射,那么建立联系的几率会更高。如果是18 MHz,联系几率将降至十分之一。因此,早上8时用18 MHz不是尝试建立联系的好选择。但我们同时发现(沿着绿线看),在当天晚些时候,18 MHz的联系几率会提高。六个月后回来看,当北半球以不同角度向太阳倾斜时,此图表会有所不同。六年半(太阳黑子周期的另一半)后再回来,此图表看起来也会大不相同。

所以,感谢Gauss、Heaviside、Van Allen和其他人所做的开创性工作。感谢那些从卫星、无线电信标、太阳观测站和其他来源收集数据以创建此报告及其他报告的人们。但你知道吗?对于我们这些在电离层冲浪的人来说,这些报告是很好的指南,但我对电离层跳跃的变幻莫测有切身经验,有时候,即使所有的图表和报告都指示某种状况,实际结果却是另一番状况。

2010年,太阳处于太阳黑子周期的低点,这意味着电离层不利于信号跳跃,尤其是28 MHz频段。数据显示,在UTC时间0200(美国东部时间晚上9点,这里是马萨诸塞州),与几英里之外的人取得联系的概率非常低。打开收音机之后,我已经准备好接受事实,但在关闭收音机之前,我决定调遍整个频段以防万一。突然间,我听到一个声音,起初很弱,但很快变得越来越强。尽管他的信号很弱,但我可以分辨出他正在呼叫CQ——在业余无线电领域,它代表“有人能听到我吗?”在20秒内,好像他就在我旁边的房间里一样。

“这是北库克群岛的E51JD,呼叫CQ并收听呼叫。”

等等,什么?这不可能。北库克群岛(...在Google地图上快速查找...)远在7,000英里之外。图形和表格说......好吧,万一......“E51JD,这是马萨诸塞州的WB2HTO,收到了吗?”

“收到,下午好,WB2HTO,这是南太平洋北库克群岛的E51JD。我叫Jim......”

这样,我们开始了交谈,虽然图形和表格说我不应该能与那个位置取得联系。交流很短暂,仅交换了基本信息(信号报告、姓名和其他一些细节),因为信号刚要增强便开始减弱了。所以趁我们还能听到彼此,我们很快结束了通信。我们一结束,我就听到其他电台试图联系Jim,但电离层瞬息万变,不知道是否有其他人联系到他。我只是在正确的时间和正确的频率利用了物理学家所称的零星的E开口,“E”指的是电离层有时发生的随机效应。

当电离层出现这种状况时,就像Forrest Gump的巧克力盒子一样,你永远不知道会得到什么(或者会持续多长时间)。我上调频率(以便让Jim有一个开阔的空间去联系其他人),通过麦克风呼出“CQ”,看是否有其他电台会回复。一松开麦克风按钮,我就听到“WB2HTO,这是澳大利亚麦夸里港的VK2HOT,能听到吗?”

真是匪夷所思。澳大利亚麦夸里港(又一次快速Google搜索)距离北库克群岛2000英里远。而我正和那里的人交谈。在夜间。在一个照理说不可能的频段上。

从澳大利亚麦夸里港到波士顿的距离超过9,000英里

随后我们快速交换了基本信息,并在我们还能听到对方的时候结束通信。与此同时,频段继续移动。我只有两个数据点——北库克群岛和东澳大利亚,但看起来从波士顿的信号跳跃在向西移动。我自然不会放过机会,继续联系其他人,但几经尝试后,发现电离层中的神奇魔法秀已经结束。也可能是没有业余爱好者在恰当的地方和恰当的时刻听到我。

几星期后,我收到了新朋友发来的邮件。这是一张QSL或确认卡。这种卡如今大多是通过电子方式发送,但我很高兴将它挂在我的无线电台上,提醒我电离层深不可测,或者说变幻莫测。

【工程师博客】变幻莫测:电离层历险记

本不可能联系上的联系人发来的确认或QSL卡

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