Электрический ток распространяется только по "рельсам" - проводам, кабелям. С изобретением радио люди получили универсальный носитель информации, который не требует рельсов и может преодолевать любые расстояния как на Земле, так и в космосе

С радиоволнами, приносящими нам в дом радиопередачи и телевидение, знаком каждый. Всем известно, что этот марафонец, посланный с Земли, легко добегает до Луны, Марса, Венеры. Но не все знают, какие разновидности этих бегунов существуют и какими дорогами разрешает им природа нести информационный груз из одной точки пространства в другую.

Если бы наша планета не была окутана атмосферой, то все радиоволны, независимо от их длины волны, распространялись бы приблизительно одинаково. С их помощью удавалось бы установить связь только в пределах прямой видимости. В этом смысле они не отличались бы от световых лучей. Но Земля укутана не одной, а тремя воздушными шубами.

Первая из них, прилегающая к поверхности планеты, имеет толщину 10 - 12 километров и называется тропосферой. За ней следует более толстая - стратосфера, - простирающаяся до 60 километров. И наконец, самая толстая шуба и самая важная для радиоволн - ионосфера. Она от стратосферы простирается ввысь на 1000 километров и выше.

Если первые две шубы электрически нейтральны, то в третьей бушует электрический океан. Под действием солнечного излучения и космических лучей в ней происходит ионизация: отрыв электронов от атомов газа. При этом атомы превращаются в положительно заряженные ионы.

Степень ионизации измеряют числом свободных (оторванных от атомов) электронов. Их число в одном кубическом сантиметре доходит до одного миллиона!

И эта столь многочисленная воинственная армия хаотически движущихся свободных электронов создает непреодолимый барьер для некоторых радиоволн.

Самые медленные колебания, используемые для радиосвязи, лежат в пределах от 3 тысяч до 300 тысяч герц (от 3 до 300 килогерц). Они получили название сверхдлинных и длинных волн - (от 100 до 1 километра). И это название отражает их природу: всего за один цикл колебаний эти волны пробегают путь от 1 до 100 километров.

Очень интересен характер их распространения, вскрытый в последние десятилетия. Полупроводящая поверхность Земли и нижняя граница ионосферы создают для этих волн как бы сферический коридор (специалисты говорят - волновод), в котором и бегут эти волны. Сигналы на этих волнах хорошо огибают поверхность Земли, но быстро затухают. Поэтому только при больших мощностях передатчиков (сотни и тысячи киловатт) на этих волнах удается передавать сигналы на тысячи километров. Очень малая частотная протяженность этого диапазона (она не может вместить даже ¹/₁₀ полосы одного телевизионного канала) определила его использование для передачи сигналов дальней навигации, сигналов точного времени и метеосводок.

Не останавливаясь на малоинтересных для радиосвязи средних волнах, перейдем сразу к коротким (KB). Это частоты от 3 миллионов до 30 миллионов герц (от 3 до 30 мегагерц - Мгц) или радиоволны длиной от 100 до 10 метров.

Коротковолновый диапазон, как ни один другой, насыщен и перенасыщен телеграфными, фототелеграфными, телефонными и радиовещательными станциями. Здесь часто одна станция налезает на другую, а на эти две накладывается третья. Чем объяснить такую популярность этого диапазона?

Суть в путях распространения коротких волн. Для них ионосфера является непреодолимым барьером и отражает их почти так же легко, как зеркало световой зайчик. Второе зеркало для них - земная поверхность. Таким образом, многократно отражаясь от этих двух зеркал, радиоволна может достичь любой точки земного шара при незначительном затухании.

Более того, КВ-волна может обежать несколько раз вокруг земного шара и создать радиоэхо: один посланный импульс будет приниматься несколько раз со сдвигом во времени.

Благодаря такому "зеркальному" распространению коротких волн в этом диапазоне удается держать радиосвязь с очень далекими корреспондентами (даже антиподами) передатчиком мощности, не большей мощности комнатной лампочки. В этом диапазоне работают десятки тысяч радиолюбителей-коротковолновиков разных стран. Охота за освоение дальних связей настолько увлекательна, что многие радиолюбители ночи напролет проводят не в постели, а в "эфире". Кстати, честь открытия КВ-диапазона и его удивительных возможностей принадлежит именно радиолюбителям.

Диапазон KB более полстолетия был основным видом дальней радиосвязи на нашей планете. Потом ему на помощь пришли спутники связи. Но так как их еще мало, основной груз информации на большие дистанции по-прежнему несут КВ-бегуны. Связь с самолетами и кораблями, с дальними населенными пунктами и экспедициями, дальняя военная связь и т. д. - все это в диапазоне КВ. Вот почему он так перенаселен.

КВ-сигнал, устремившись к ионосфере, проникает в нее довольно глубоко. Но в ней царит настоящий электрический хаос, подобный бурям и штормам в океане. Временами "зеркало" начинает плохо отражать, "изображение" расплывается, и связь нарушается.

Можно написать книгу, даже поэму о героической борьбе человека... с ионосферой. Выдвинуты десятки блестящих идей, сделаны сотни остроумных изобретений, проведены тончайшие теоретические и экспериментальные исследования для того, чтобы на КВ-волне донести информацию потребителю вопреки ионосферному хаосу. Тут и новые методы погрузки информации на волну, и правильный выбор рабочей волны для данной трассы и данного состояния ионосферы, и кодирование сигналов, и остронаправленные антенны, и даже использование шумоподобных носителей информации.

Результаты, конечно, есть, и существенные. Но все эти методы не могут решить проблему дальней связи на планете. Дело в том, что протяженность всего КВ-диапазона по частоте очень мала (3 - 30 Мгц). В нем едва можно поместить пять телевизионных программ! А жизнь требует передачи на дальние расстояния в сотни и тысячи раз большего потока информации.

Казалось бы, есть диапазон радиоволн, где можно решить такую задачу, - это ультракороткие волны (УКВ): метровые, дециметровые, сантиметровые (частоты от 30 106 до 3 1010 герц - от 30 до 3 · 104 Мгц). В нем можно разместить, если пользоваться нашим сравнением, более тысячи телевизионных каналов. Беда в том, что УКВ-волны не отражаются ионосферой обратно на Землю, а беспрепятственно уходят в космос. Кроме того, луч УКВ не огибает Землю, как длинные или сверхдлинные волны, а распространяется только по прямой, и связь с его помощью можно установить только в пределах прямой видимости. Как же заставить волны преодолевать большие дистанции?

Первое решение состояло в сооружении рестрансляционных станций на пределе прямой видимости. На удалении 25 - 30 километров друг от друга строятся станции, которые принимают сигнал, усиливают его и передают следующий. Построив цепочку таких ретрансляторов, можно заставить УКВ-сигнал бежать далеко за пределы прямой видимости.

Но такой способ связи очень дорого стоит, да и сигнал жестко привязан к данным станциям. На выручку пришли искусственные спутники Земли (ИСЗ). Ведь если на них установить ретранслятор, то его антенна будет "видеть" значительную часть земного шара и может осветить ее своими сигналами. Наш спутник связи "Молния", например, "видит" сразу всю территорию Советского Союза. На этом пути и лежит фундаментальное решение проблемы дальней связи на планете.

Последние десятилетия ознаменовались разработкой оптических генераторов - лазеров. Человек научился добывать и в этом диапазоне колебания, близкие по своим свойствам к синусоидальным. Обычный белый свет, как мы знаем, есть смесь многих частот, и его невозможно использовать как несущее колебание, кроме передачи простых световых сигналов типа миганий.

Появилась возможность передачи информации на радиоволнах оптического диапазона. Частота колебаний здесь невероятно высокая. Так, участок частот видимого света занимает частоты от 4 · 10¹⁴ до 7,5 · 10¹⁴ герц, то есть в секунду синусоида делает значительно больше полных циклов, чем миллион миллионов раз!

Этот диапазон открывает безграничные возможности для передачи информации. В световом участке спектра можно разместить миллионы телевизионных каналов связи.

Но и у этих волн есть существенный дефект: они боятся дождя, снега, тумана, дымки и мглы. При хорошей погоде эти волны обеспечивают дальность порядка 20 километров (прямая видимость). В противном случае она резко уменьшается, и связь может нарушиться полностью.

Широкий простор для использования волн оптического диапазона открывает космос. Достаточно выйти за пределы тропосферы, где нет атмосферных осадков, и ничто не препятствует их распространению. Передатчики и приемники на этих волнах за пределами тропосферы свяжут орбитальные станции и космические корабли, удаленные практически на любое расстояние друг от друга.