7 мая (25 апреля) 1895 г. А. С. Попов впервые [1] на заседании русского физико-химического общества продемонстрировал свой радиоприе - polpoz.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
страница 1
Похожие работы
Название работы Кол-во страниц Размер
1. Рабочая группа по универсальному периодическому обзору, учрежденная... 2 549.73kb.
1. Рабочая группа по универсальному периодическому обзору, учрежденная... 2 515.31kb.
"Средства радиосвязи " 1 137.15kb.
Информация о выступлении белорусских спортсменов на международных... 1 71.9kb.
Положение о старостах учебных подразделений Химического факультета... 1 77.7kb.
Центр экологической политики России Краткий отчет о работе в 2008 г. 1 13.64kb.
Радиосвязь, электросвязь, осуществляемая посредством радиоволн. 1 151.04kb.
В минске чтз показал свою технику 1 18.91kb.
Секция краеведения и туризма Сочинского отдела Русского географического... 4 411.56kb.
Бельгия нидерданды люксембург 23 апреля 2 мая 2009 1 75.79kb.
Учебно-методический комплекс дисциплины 3 539.52kb.
Требования авиационных правил применяемых для коммерческих воздушных... 1 51.03kb.
1. На доске выписаны n последовательных натуральных чисел 1 46.11kb.

7 мая (25 апреля) 1895 г. А. С. Попов впервые [1] на заседании русского физико-химического - страница №1/1



К вопросу об открытии ионосферы и начальном этапе её исследований

Н.П. Данилкин

Открытие человеком одной из главных плазменных оболочек планеты «Земля» - ионосферы - является исключительно интересной и интригующей историей, в которой удивительно сочетаются гениальные прозрения и умственная ограниченность ведущих ученых, столпов науки, основателей научных знаний человечества. Автор этих заметок посчитал для себя возможным их написание в связи с тем, что ему посчастливилось в течение более полувека работать и общаться со многими выдающимися исследователями ионосферной физики, в том числе, с теми из них, которые были учениками, иногда соратниками родоначальников нашей науки. Ему также довелось работать в Великобритании под руководством сэра Гренвилла Байнона. Байнону присвоено почетное звание пэра Англии за выдающийся вклад в развитие ионосферной науки. Он был награжден за свою научную и общественную деятельность многими медународными наградами и званиямию.В течение многих лет он также руководил международным союзом радионаук. Это дало мне дополнительные возможности узнать многое из истории развития этой науки на Западе. Сэр Байнон был личным другом и соратником первооткрывателя ионосферы, лауреата Нобелевской премии английского ученого сэра Эдварда Эплтона. Разумеется, все сведения, приведенные в данной заметке, субъективны, весьма фрагментарны и не претендуют на обобщение. Они концентрируются около одной (правда, с точки зрения автора, центральной) проблемы физики ионосферы: радиозондирование, магнито-ионная теория и ионосферное распространение радиоволн.

7 мая (25 апреля) 1895 г. А.С. Попов впервые [1] на заседании русского физико-химического общества продемонстрировал свой радиоприемник. В России эта дата считается началом эпохи радиотехники. В то время в России работали многие выдающиеся физики [2]: П.Н. Яблочков, А.Н. Лодыгин, А.Г. Столетов, Н.А. Умов, П.Н. Лебедев, А.И. Садовский, П.А. Зилов и другие. И само это время было знаменательным для физики и физиков. Заканчивался период утверждения теории Максвелла. Окончательно сформировался ее математический аппарат (Г. Герц, О. Хевисайд, Дж. Флеминг), теория обогатилась учением о движении энергии (Н.А. Умов и Дж. Пойнтинг) и об электромагнитном импульсе и моменте импульса (У. Томсон, П.А. Лебедев, А.И. Садовский, Ж. Пуанкаре). Все детали будущих устройств радиосвязи также уже существовали: генератор азбуки Морзе, катушка Румкорфа, искровой вибратор Риги, трубка Бранли, когерер Лоджа. Возникновение радио и вслед за ним открытие ионосферы было исторически предопределенным.

Судьбы А.С. Попова и практически одновременно начавшего передачи с помощью радиоволн итальянского изобретателя Гульельмо Маркони были на начальном этапе примерно одинаковыми. А.С. Попов не получил достойной поддержки в России, кроме того служба в военном ведомстве накладывала определенные ограничения на его деятельность. Г. Маркони же, не получив поддержки в итальянском министерстве почты и телеграфа, переехал в Лондон, где с помощью своей матери (Анны Джеймсон Маркони), происходившей из известной и богатой семьи фабрикантов (производителей ирландского виски), сумел привлечь к своему изобретению крупный капитал.

Г. Маркони в 1909 г. была присуждена Нобелевская премия. Он получил ее вместе с К. Брауном, создавшим катодную трубку (прообраз телевизора) и обнаружившим униполярную проводимость кристаллов. На основе последней были созданы кристаллические детекторы, которые открыли новую эпоху (после когерера) в распространении радиоволн. Думается, что если бы в это время А.С. Попов был жив, то он вместе с К. Брауном и Г. Маркони также был бы удостоен этой высокой награды.

Г. Маркони принадлежат, по его словам, три открытия. Как мы знаем, они революционизировали средства связи. О первом из них Γ. Маркони пишет: "B августе 1895 г. я открыл, что новое усовершенствование не только увеличивает расстояние, на которое я могу производить беспроволочную связь, но и делает ее независимой от вмешивающихся ("intervening") обстоятельств... Это усовершенствование заключается в подсоединении одного конца генератора Герца к антенне, а второго к Земле". Третье открытие относилось к распространению квазиоптических "микроволн".

Для нас же наиболее интересно второе. Г. Маркони пишет, что он использовал 32-метровую "дневную волну" (daylight wave), которая открыла эпоху (inaugurated the shortwave era) распространения коротких волн на дальние расстояния. Использование слов "дневная волна" показывает, что Г. Маркони отчетливо понимает, что загоризонтное распространение коротких волн сильно различается для условий дня и ночи. Фактически это равнозначно признанию существования ионосферы. Не следует забывать, что именно во время произнесения этих слов, непризнание ионосферы среди физиков было особенно сильным.

Г. Маркони не был ни профессиональным физиком, ни электротехником. Он, вообще, как сейчас сказали бы, не имел высшего специального образования, ограничившись, прослушиванием курса физики профессора Роса (Rosa) в Ливорно. Тем не менее увлеченность идеей, настойчивость и предприимчивость, а также богатство семьи привели Г. Маркони к поразительным успехам и к быстрому развитию беспроволочного телеграфа. В сентябре 1896 г. им была достигнута дальность радиосвязи в 1,75 мили, а в марте и мае 1897 г. соответственно на 4 и 9 миль. Особенно успешным для радиосвязи и популярности Г. Маркони был август 1898 г., когда Г. Маркони пересылает с помощью радиоволн медицинские бюллетени между престарелой королевой Викторией и ее сыном (будущим королем Великобритании — Эдуардом VII) на расстояние в две мили, в середине которого были холмы, перекрывающие прямую линию. Отметим, что в некоторых английских изданиях этот факт приписывается сыну Эдуарда VII также будущему королю Георгу V. В марте 1899 г. Маркони установил связь через пролив Ла-Манш и начал подготовку к пересечению Атлантического океана.

В 1897 г. Г. Маркони сформировал компанию беспроволочной телеграфии с капиталом в 100000 фунтов стерлингов, полученных в основном от матери, которая была дочерью одного из богатейших людей Великобритании. В этот период Г. Маркони привлек к работе на правах научного руководителя профессора Дж. Флеминга, талантливого ученика Дж. Максвелла. Последние два года жизни Дж. Максвелла они вместе проработали в Кавендишевской лаборатории.

Вдумаемся в эти факты и попытаемся представить себе обстановку того времени. Г. Маркони только что "освоил" первую сотню миль действия своего радиотелеграфа , получил первые коммерческие успехи, научное признание и известность (в том числе и в английской королевской семье, что для того времени было исключительным событием). И сразу рискует всем этим, сконцентрировав все силы своей еще довольно слабой фирмы на "безумном" мероприятии — скачке в 4000 км через могучий Атлантический океан, т.е. в десятки раз пытается увеличить дальность радиосвязи. Что это? Беспечность и глупость новичка, упоенного первыми успехами? Гениальность творца, мыслящего категориями, которые недоступны простым смертным? Твердый расчет инженера, предвосхитивший идею отражения в верхней атмосфере и каналирования распространения радиоволн около Земли? Вряд ли мы когда-нибудь это узнаем. Фактом остается то, что сам Г. Маркони хорошо представлял себе трудности и тщательно готовился к небывалому эксперименту. Он построил внушительных размеров антенну, состоящую из 50 вертикальных медных проводов, укрепленных вверху на горизонтальном поддерживающем проводе, который растягивался между двумя мачтами высотой 48 м. Провода антенны веером сходились внизу и соединялись с передатчиком. Приемная антенна поднималась на воздушном змее.

В нобелевской лекции Г. Маркони отмечает: "вера в то, что кривизна Земли не остановит распространение волн, и успех, полученный ранее (obtained by syntonic methods) в условиях препятствий распространению волн, привели меня к попытке установить радиосвязь через Атлантический океан" [36]. Любопытна историческая справка об этом «успехе, полученном ранее». Маркони был другом будущего короля Великобритании Георга V. В январе 1901 года бабушка Георга 5 (королева Виктория) умерла после самого длительного периода царствования (62 года) в английской истории. А летом и осенью 1900 года она, как и обычно отдыхала в летней королевской резиденции, которая находилась в юго-западной части Англии вблизи города Bath. Городок Bath отделен от Атлантического океана горной грядой. Георг V (по другим источникам Эдуард VII) плавал на королевской яхте вблизи той части побережья, которая близка к королевской даче и для организации связи с бабушкой пригласил Маркони к себе на яхту вместе с уже имевшимся к тому времени у Маркони радиооборудованием. Радиосвязь была вполне успешной и натолкнула Маркони на мысль, которую он и озвучил в своей Нобелевской лекции.

И вот в 1901 г. радиосвязь через Атлантику установлена! Видимо, впервые практическая деятельность человека "соприкоснулась" с ионосферой. Свершилось небывалое и — с точки зрения большинства физиков — невероятное.

А что же происходило в это время в России? После исторического заседания Русского физико-химического общества А.С. Попов уехал на лето в Нижний Новгород, где он вынужден был из года в год пополнять свой скромный семейный бюджет дополнительным заработком. К тому же в 1896 г. А.С. Попов увлекся конструированием рентгеновского аппарата для своей жены (она была врачом) и затратил на это много времени. Однако, он продолжает и опыты с радиотелеграфией. А.С. Попов вводит в свой радиоприемник запись сигналов с помощью азбуки Морзе и проводит ряд демонстраций своего прибора, в том числе и на дальности около 5 км весной 1897 г. Дальнейшее усовершенствование прибора позволило А.С. Попову в 1900 г. достичь расстояния в 47 км во время спасательных работ на русском броненосце, севшем на камни в Балтийском море.

Таким образом, видим, что в первые пять лет предыстории открытия ионосферы работы А.С Попова и Г. Маркони, несмотря на разность финансового положения, идут приблизительно одинаково. Однако, радиосвязь через Атлантику, задуманная Г. Маркони в 1900 г. — это уже не количественный, а качественный скачок, открывающий совершенно новую страницу — страницу истории физики ионосферы и ионосферного распространения радиоволн.

А.С. Попов умер от кровоизлияния в мозг 31 декабря 1905 г. в возрасте 46 лет, не пережив "нагоняя", полученного от петербургского градоначальника по поводу студенческих беспорядков (А.С. Попов был директором Института). Россия — родина радио — не получила от своего открытия даже доли того, что получили другие страны, в первую очередь Великобритания и США. Почему? Почему при подготовке русского флота к печально известному походу вокруг Азии он оснащался радиостанциями фирмы Телефункен, а не отечественными станциями?

Многие пытались ответить на этот вопрос. Профессор В.Н. Кессених в 1952 г. писал [4], что все дело было в продажности, косности и невежестве царской власти, с которой А.С Попов и его ученики боролись. Академик А.И. Берг [5], однако, отмечал, что еще при царском режиме А.С Попов был признан, как первооткрыватель радиотехники и даже получил некоторую поддержку. Действительно, тому есть несколько сохранившихся документов [5]. Так, в 1907 г. профессор А.А. Петровский [10] писал: "Подобно большинству русских изобретений в России беспроволочное телеграфирование развивалось слабо. Хотя А.С Попов неустанно работал, доказывал необходимость и важность этого дела для армии и флота и представлял новые проекты, он оставался один и с весьма ограниченными средствами. Ему удалось организовать в Кронштадте небольшую мастерскую, а также наладить в весьма скромных размерах опыты во время плавания минного отряда и Черноморской эскадры. Кроме того, патентованные им приборы изготовлялись парижской фирмой Дюкрете. Так как Кронштадтская мастерская не могла достаточно быстро изготовлять срочные заказы, то во время последней войны пришлось обратиться за границу; выбор пал на фирму Телефункен, приборы которой и были введены на судах флота; русские же станции постепенно были выведены из употребления"

Ведущий редактор одного из центральных журналов России начала века В.К. Лебединский [31] также писал: "Действие приемника А.С Попова было продемонстрировано 25 апреля 1895 г., причем тут же была упомянута полезность присоединения воздушной линии (по-видимому, антенны, — прим. автора), которая и была осуществлена 12 марта 1896 г., тогда как система Маркони была впервые показана Пирсом 4 июня 1897 года".

История А.С. Попова и Г. Маркони чрезвычайно типична для первооткрывателей науки в России и на 'Западе. Она была уже далеко не первой и много раз повторялась впоследствии. Из других наиболее известных примеров, случившихся уже при совершенно другом режиме и при других обстоятельствах было открытие академиком П.Л. Капицей турбодетандера [6] и вся последующая история, как в капле воды, повторяющая историю А.С. Попова: открытие в России, признание и непризнание на Родине, интенсивное использование изобретения на Западе с огромным и окупающимся финансовым вложением, и, наконец, запоздалое второе признание, как правило сопровождающееся покупкой соответствующего оборудования на Западе. Стало быть дело не в политическом режиме. Может быть дело в нас самих, в нашем национальном характере, в недостаточно бережном отношении к самим себе, собственному труду и к собственным достижениям?

Однако вернемся к истории открытия ионосферы. "Его величество эксперимент" вынес вердикт — радиоволны распространяются далеко за горизонт. Сейчас нам кажется естественным объяснение этого явления их отражением от проводящего слоя в верхней атмосфере, которое уже в 1902 г. дали сразу и независимо в Америке и в Великобритании Кэннели и Хевисайд [16,17]. Тем более, что наука была уже подготовлена к этому событию: Бальфур Стюарт еще в 1878 г. выдвинул гипотезу о существовании в атмосфере проводящего слоя, где текут электрические токи, ответственные за суточные вариации геомагнитного поля. Еще ранее Гаусс (1839) высказывал подобные идеи в своей книге "Общая теория земного магнетизма". Есть также сведения [7,8], что аналогичные мысли высказывались Фарадеем и Кельвином.

Тем не менее гипотеза не была принята большинством ведущих ученых того времени. Против нее высказались А. Зоммерфельд, Дж. Релей и Ж. Пуанкаре [8,9]. Их позиция была совершенно естественна для физиков: "Зачем привлекать экстравагантную гипотезу о зеркале в атмосфере, если еще не исследованы возможности дифракции на сфере?" А. Зоммерфельд произвел обширные расчеты напряженности поля в зоне дифракционной тени. Впоследствии они, а также работы Дж. Ценнека легли в основу теории распространения длинных радиоволн вдоль поверхности Земли. Однако на коротких волнах экспериментальные данные показывали существенно большие амплитуды напряженности поля, чем предсказанные теорией А. Зоммерфельда. Кроме того, уже в первых экспериментах Г. Маркони на корабле была открыта "зона молчания", после которой вновь начинался уверенный прием радиосигналов. Тем не менее неприятие идей зеркала в атмосфере было сильным и многие журналы просто не принимали соответствующие статьи, считая их "вздорными затеями". Любопытно, что это неприятие было так велико, что даже те физики, которые получали экспериментальные данные, прямо указывающие на существование ионосферы, зачастую искали любые иные пути объяснения. Так А.А. Петровский [10], отмечая улучшение качества передачи ночью, считал, что "его следует приписать не ослаблению поглощения волн, а уменьшению истечений" с антенны "вследствие уменьшения проводимости воздуха".

Видимо, В. Икклз [32] был первым, кто попытался в 1912 г. сформулировать математически идею Кеннели и Хевисайда. Он получил выражение для преломления и поглощения волн в среде, где имеются свободные заряды. При этом он опирался на классическую работу Г. Лоренца [12], который впервые вычислил преломление волн в ионизированной среде параллельно и перпендикулярно магнитному полю. Однако, В. Икклз в качестве зарядов использовал атомарные ионы, а отражающий слой у него был подобен проводнику. В его теории волны отражались от относительно резких границ проводящего слоя. Он нашел, что это возможно для длинных волн, если частота соударений велика по сравнению с частотой волны, что маловероятно для ионов и, в целом, противоречиво.

К этому времени радиотехника и, особенно, радиолюбители (в том числе и в России) получили огромное количество новых экспериментальных данных о загоризонтном распространении радиоволн [4]. В 1925 г. радиолюбитель Ф.А. Лбов с передатчиком в 15 Вт передавал сигналы в Париж и Лондон. В 1928 г. Н.А. Байкузов, совершая полет на аэростате, установил связь с Баку, Томском и Владивостоком. Другой радиолюбитель Е.В. Андреев, совершая поход вокруг Европы на корабле, непрерывно поддерживал радиосвязь с Ростовским университетом.

Первыми в России в начале 20-х годов начали изучение преломления радиоволн в ионосфере профессор Московского Высшего Технического Училища М.В. Шулейкин [11.]. и профессор А.А. Чернышев, первая публикация [37] которого относится еще к 1916 г. М.В. Шулейкин получил соотношения для диэлектрической постоянной, проводимости и множителя затухания. Однако, он также поддался "гипнозу ионов" и все расчеты провел с ионами даже не атомарной, а молекулярной массы. Он справедливо полагал, что теперь же твердо экспериментально установленная способность электромагнитных волн преломляться в атмосфере благодаря наличию ее диэлектрической постоянной определяет условия радиосвязи. Он назвал такую рефракцию "ионической", в отличие от обычной рефракции. Фактически, соотношения, которыми оперировал М.В. Шулейкин, определяют диэлектрическую постоянную и проводимость в виде



где кроме обычных обозначений введены п — круговая частота, ρ — число соударений и η=п/р.

Как хорошо видно, эти соотношения, весьма близ­ки к тем, которые используются сегодня. Но М.В. Шулейкин использовал ионы молекулярной массы, хотя все необходимые соотношения с использованием массы электронов были опубликованы Г. Лоренцом [12] еще в 1909 г. Поэтому у М.В. Шулейкина получается весьма причудливая картина распространения радиоволн; слагающаяся из преломления в диэлектрическом слое с молекулярными ионами и отражения от проводящего слоя Хевисайда. Последнее необходимо, так как (см.выше соотношение для показателя преломления) использование молекулярной массы приводит к тому, что "отражательной способности" диэлектрического слоя не хватает, чтобы повернуть волны к Земле. Хорошо понимая это, М.В. Шулейкин пишет [11]: "если данное изменение показателя преломления существует, то оно справедливо лишь до некоторой высоты, после чего изменение показателя преломления идет значительно быстрее, и электромагнитный луч, частично поглощаясь, благодаря возрастающей проводимости, которую в данном случае мы не учитываем, или отражается или резко преломляется к поверхности Земли".

Рис. 1. Приведена картина расположения лучей для приема радиосигналов за горизонтом по Шулейкину. Здесь z – точка расположения передатчика, h — высота слоя Хевисайда, все расстояния даны в километрах.


Не будем забывать, что все это написано существенно раньше "открытия" ионосферы, которое принято относить к 1926 г. Внимательное рассмотрение показывает, что фактически М.В. Шулейкин, опираясь на свою теорию "ионической рефракции", предвосхищает объяснение многих чисто ионосферных эффектов: интерференции лучей с разными траекториями распространения, наличия "мертвой зоны", различия в дневном и ночном приеме радиосигналов. На рис 1 приведена картина расположения лучей для приема радиосигналов за горизонтом по Шулейкину. Обратите внимание - преломления практически нет (см. соотношения), отражение происходит «как от зеркала».

Любопытно отметить, что всеобщее заблуждение относительно роли ионов при отражении радиоволн в верхней атмосфере дало собственно название "ионосфера", хотя казалось бы теперь куда логичнее именовать эту область "электроносферой". Но физики, думается к счастью, более консервативны, чем политики и не спешат переименовывать устоявшиеся термины. Тем не менее, хотелось бы отметить, что отсчет "открытия ионосферы" от середины 20-х годов [7,8,9] вряд ли правомочен. Уже более чем за десятилетия до этого физики успешно оперировали понятием "ионосфера". Необходимо было только в качестве действующего заряда рассматривать электрон, а не ион.




Рис. 2. Эдвард (Виктор) Эплтон


В начале 20-х годов физикам и радистам становится все более ясно, что существует некоторая общая причина, которая должна объяснить все наблюдавшиеся "чудеса радиосвязи", и прежде всего, явную зависимость радиосвязи от времени суток. Установление правильных закономерностей теперь становится исторически неизбежным. И оно происходит: Э. Эплтон со студентами [13], проводивший работы с различными антеннами и интерференционными явлениями, показывает, что «радиоволны приходят сверху». Работы Эплтона, который в Великобритании почитается как один из основателей радиолокации, развитие которой перед войной считается важнейшим этапом отражения налетов гитлеровской авиации на Англию, привели его к Нобелевской премии по физике 1947 года с формулировкой «за исследования физики верхних слоёв атмосферы, в особенности за открытие так называемого слоя Эплтона» и к получению рыцарского звания. Кстати, отметим, что это и до настоящего времени есть единственная Нобелевская премия по физике, выданная за исследования атмосферы и ближнего космического пространства. Работы Эплтона публикуются в 1925 г. В 1927 году он впервые пишет основные соотношения магнито-ионной теории (смотри ниже) с использованием массы электрона. Наконец, эксперименты Дж. Брайта и М. Тьюва [14], использовавших идею локации импульсными сигналами, бесповоротно доказали существование именно ''отражающего зеркала" и заложили основу метода радиозондирования ионосферы.

Эти экспериментальные доказательства открыли дорогу теоретикам, которые начали строить ионосферные модели, что, по шутливому замечанию Р. Уиттена [7], они продолжают делать и в настоящее время. Первый, обычно называемый "простой слой", был описан в России С.И. Крючковым [15] и на Западе С. Чепменом [18]. По-видимому, эти работы шли параллельно и ученые не знали работ друг друга.

В основу простого слоя положены известные ограничения: предполагается монохроматическое излучение и один сорт ионизируемых частиц, получающихся из нейтральной компоненты, распределенной с высотой по барометрической формуле. В предположении о стационарности ионосферного слоя простой слой хорошо описывается параболой, которая оказалась очень удобной для использования в практике ионосферного распространения радиоволн. Построение теории простого слоя дало возможность написать и экспериментально проверить выражения для коэффициентов ионизации и рекомбинации в уравнении баланса ионизации, построить модели слоев ионосферы и распространения радиоволн через эти слои и, соответственно, дало возможность А.Н. Казанцеву построить глобальные карты распределения их критических частот [19,20].


Рис. 3. Американские инженеры Дж. Брайт и М. Тьюв в своей лаборатории. Внизу на фоне фотографии основная формула физики ионосферы, которая была известна, но десятилетия неправильно интерпретирована. Вместо массы электрона использовалась масса иона

Следующим шагом было уже составление радиопрогнозов, первые из которых были также выполнены в России [22]. Отметим, что в США подобные карты стали составлять только в 1943 г. Здесь интересно отметить, что обобщая данные по распространению радиоволн, А.Н. Казанцев первый усомнился в существовании четко выраженных слоев (E, F1, F2), что впоследствии в эпоху уже ракетных исследований вполне подтвердилось.

Впервые правильные выражения для комплексного показателя преломления и поглощения в магнито-ионной теории (так называемая "основная формула ионосферы"), видимо, были опубликованы Э. Эпплтоном [13] в 1927 г. Он опирался на работу Г. Лоренца [12], в которой "действующими" зарядами были электроны. В 1932 г. Э. Эпплтон опубликовал свою теорию полностью и ввел новую систему обозначений, которой с тех пор и пользуются все западные ученые [8].

В России аналогичную работу независимо и практически в то же время выполнил по предложению М.В. Шулейкина его ученик Л.А. Жекулин [21]. Любопытно, что система обозначений Л.А. Жекулина, отличная от обозначений Э. Эпплтона и оказавшаяся также исключительно удобной, используется в России практически во всех работах [26] и в настоящее время, а система Эпплтона практически не используется. Таким образом, в конце 20-х и в течение 30-х годов работами М.В. Шулейкина, Л.А. Жекулина, А.Н. Щукина [23,24], исследовавшего вопросы поглощения радиоволн, С.П. Целищева [25], разработавшего начала теории нелинейных явлений в ионосфере, А.Н. Казанцева и других советских ученых была практически самостоятельно развита современная теория физики ионосферы и ионосферного распространения радиоволн, которая позволила отечественной науке и технике радиосвязи находиться на передовом уровне в мире. Практически все новые ионосферные явления были (иногда раньше, иногда позже) открыты в России независимо и на собственном экспериментальном материале.

Не будет преувеличением утверждать, что радиозондирование ионосферы на основе импульсного метода в диапазоне плазменных частот всегда было основным методом контроля ионосферы. Именно на основе этого метода построена международная сеть, контролирующая ионосферу и дающая прогноз ее поведения. Даже само "открытие ионосферы" произошло только после экспериментов Дж. Брайта и М. Тьюва [14], которые явились также началом развития техники радиозондирования. И недаром первые ионозонды на борту космических аппаратов появились уже через 5 лет после полета первого ИСЗ.

Следует отметить, что в развитии рассматриваемого метода Россия на начальном этапе даже опережала Запад. Впрочем, и на этот раз западные ученые, видимо, не знали об этом. Их развитие шло самостоятельно. В России под общим руководством М.В. Шулейкина и М.А. Бонч-Бруевича в 20 — 30-е годы была построена мощная 20-киловатная станция и проведены эксперименты по определению "высоты слоя Хевисайда" [33,34 ]. В 1925 г. в Томске была построена первая КВ-радиостанция, послужившая базой для постоянно действующей ионосферной станции. Впоследствии — после решения задачи об излучении мощного импульса в широком диапазоне частот и сопряжении частоты [28,29] передатчика и приемника здесь была построена первая панорамная ионосферная станция. Фактически именно методом, предложенным впервые в Томске Н.Д. Булатовым и В.Н. Кессенихом, которые начали систематические наблюдения в 1935 -36 гг., ионосфера контролируется последние 60 лет на всей глобальной сети станций.

Любопытно, что панорамный импульсный метод с сопряженными передатчиком и приемниками на Западе внедрялся с определенными трудностями. Так Э. Эпплтон — один из пионеров открытия ионосферы, автор первых современных соотношений магнитоионной теории и единственный из ионосферщиков, удостоенный за свои исследования Нобелевской премии по физике — в эти годы продолжал развивать интерференционный метод и "отмечал в 1933 году как большое достижение, что опытному наблюдателю удается, применяя его метод, произвести одно измерение критической частоты всего лишь за полчаса" [4]. Напомним, что в методе Н.Д. Булатова снятие всей высотно-частотной характеристики от 5 до 10 МГц происходит за 3 мин. Также известно, что первая панорамная импульсная ионосферная станция британского адмиралтейства [34] была устроена без синхронизации передатчика и приемника. Частоты в обоих случайным образом варьировались вдоль шкалы частот, а случайное пересечение их в каком-либо месте давало одно измерение действующей высоты. Понятно, что для снятия всей высотно-частотной характеристики требовался длительный период. Любопытно, что этот метод был использован почти через 50 лет японскими учеными при создании аппаратуры трансионосферного зондирования, которая является завершающим элементом системы импульсного радиозондирования ионосферы и прошла почти тот же тернистый путь развития, что и аппаратура наземного зондирования.

Оценивая свое изобретение, Н.Д. Булатов писал [28], что его метод открывает широкие возможности в смысле наглядного и непрерывного наблюдения за всеми изменениями в ионосфере. Проведение систематических наблюдений этим методом позволило А.И. Лихачеву систематизировать различные варианты состояния ионосферы и опубликовать первый атлас типов высотно-частотных характеристик ионосферы или ионограмм [30].

Рис. 4. Образцы ионограмм или «картинки по Лихачеву», которые были еще перед войной классифицированы по типам и в таком виде рекомендованы к массовой обработке. Внизу справа показаны траектории лучей радиоволн для характерных случаев.
На рис. 4 приведены образцы ионограмм вместе с необходимыми пояснениями о типах лучевых траекторий и соответствующими буквенными обозначениями слоев и лучей. Эти, так называемые в то время "картинки по Лихачеву" стали впоследствии основным рабочим инструментом ионосферной морфологии, и именно на их основе созда­ются и в наше время все документы международной сети ионосферных станций (f-графики, h-графики, месячные таблицы и т.п.). Кстати, к концу 30-х годов Ф.Я. Заборщиков — один из пионеров развития радиозондирования в России отмечал [27]: "В настоящее время, по данным, которыми я располагаю, возможно, неполным, имеется ионосферная сеть станций, состоящая из 10 действующих единиц. Из них три находятся в Советском Союзе, Это Томская станция, станция в бухте Тихой (на Земле Франца-Иосифа), самая северная из всей сети станций «Слуцкая станция" (близ Санкт-Петербурга). В мировую сеть тогда входили: Вашингтон, Хуанкайо (Перу), Ватеру (Австралия), Слау (Великобритания), Тромсе (Норвегия), У-Чан (Китай) и Токио.

В 30-е годы метод радиозондирования был окончательно развит. Возникает целая сеть лабораторий, которые в разных геофизических условиях начинают систематические наблюдения ионосферы. После лаборатории Бонч-Бруевича возникает ионосферная станция в Томске; ионозонд для нее изготавливает Булатов и за его изобретение получает авторское свидетельство. В это же время Лихачев публикует первый «Альбом ионограмм вертикального зондирования» – «картинки по Лихачеву». Создают ионозонды и проводят исследования методом радиозондирования: в Ростове-на-Дону – Чавдаров (который также создает в 1939–1940 гг. первую станцию по измерению поглощения радиоволн [6]), в Москве – Казанцев, в Ленинграде – Заборщиков. В Англии проводит радиозондирование Радиоисследовательская станция в Слау (Лондон) и Кэвендишская лаборатория в Кэмбридже, в США – Институт Карнеги и Бюро Стандартов.



Таким образом, к началу 40-х годов старшее поколение российских ионосферщиков подготовило прекрасные позиции для новых — тогда совсем еще молодых ученых — которые пришли в эту область науки. Это В.Л. Гинзбург, Н.П. Бенькова, Я.Л. Альперт, Ю.В. Кушнеревский, Н.В. Медникова (Москва), М.П. Долуханов и В.М. Дриацкий (Санкт-Петербург), С.С Чавдаров (Ростов-на-Дону) и многие другие. Но это уже другие истории. Расскажем из них только одну малоизвестную военную историю.

В 1941 г. было одно из самых интересных солнечных затмений XX в. Одним из наиболее подходящих мест для наблюдателя ионосферного эффекта при затмении был город Ростов-на-Дону, где на недавно построенном по рекомендации и с помощью В.Н. Кессениха панорамном ионозонде работал С.С. Чавдаров. Время затмения совпало с моментом, когда немцы штурмовали Ростов (Ростов-на-Дону был первым городом, который во время войны был освобожден от немцев; его дважды захватывали и дважды освобождали). С.С. Чавдаров провел наблюдения, разобрал ионосферную станцию, спрятал ее в подполье и едва ли не последним на велосипеде выбрался из города. После освобождения Ростова он вернулся и восстановил станцию.

Послевоенный период характеризуется огромной активностью в области вертикального радиозондирования ионосферы. Появляется большое число автоматических ионозондов промышленного изготовления: в СССР – АИС, в Германии – SP-3, в США – С-4 и др. На основе этих ионозондов возникает мировая сеть ионосферных станций, которая по стандартным, согласованным в международном масштабе программам проводит регулярные, одновременные и однотипные измерения методом вертикального радиозондирования ионосферы приблизительно в 150 точках. Создается консультативная группа по мировой сети ионосферных станций при Международном научном радиосоюзе (УРСИ), которая выпускает специальное руководство УРСИ по интерпретации и обработке ионограмм вертикального радиозондирования ионосферы [7]. Единая инструкция по обработке и одновременные измерения на всем земном шаре, в том числе и по специальным программам, создание сети Мировых центров данных (МЦД), аккумулирующих и распространяющих данные вертикального радиозондирования по запросам всех желающих, быстро продвигало ионосферную науку.



Выведение ионозонда вертикального радиозондирования на орбиту ИСЗ, которое произошло всего через 5 лет после начала космической эры, знаменовало появление новых возможностей старого метода. Целая серия космических ионозондов позволила в дальнейшем получить всеобъемлющие сведения о морфологических особенностях и свойствах внешней части земной ионосферы.
Литература


  1. Попов А.С. Прибор для обнаружения и регистрирования электрических колебаний. — ЖРФХО, 1896, т. 28, выл.1.

  2. Кудрявцев П.С. История физики, т.2, — М.: Учпедгиз, 1956.

  3. Шулейкин М.В. — Электросвязь, 1938, № 3.

  4. Кессених В.Н. Распространение радиоволн. — М.: Гос. изд-во Технико-теоретической литературы, 1952.

  5. Попов А.С. Сб. статей, докладов, писем и других материалов. Под ред. А.И. Берга, 1959.

  6. Капица П.Л. Письма о науке. — М.: Моск. рабочий, 1989 г.

  7. Уиттен Р., Поппов И. Физика нижней ионосферы. — М.: Мир, 1968.

  8. Дэвис К. Радиоволны в ионосфере. — М.: Мир, 1973.

  9. Ратклифф Дж. А. Магнито-ионная теория и ее приложения к ионосфере. — М.: ИЛ, 1962 г.

  10. Петровский А.А. Научные основания беспроволочной телеграфии. Ч.1. — С- Петербург, 1907 г.

  11. Шулейкин М.В. Курс радиотехники. Ч.1. Распространение электромагнитной энергии. — М.: Первое русское радиобюро, 1923.

  12. Лоренц Г.А. Теория электронов и ее применение к явлениям света и теплового излучения. Пер. под ред. Т.П. Кравца — М.: 1934.

  13. Appleton E.V. Ргос. Phys. Soc, 1925, v. 37; Nature, 1927,v. 120.

  14. Breit G, Tuve M.A. A Test of the Existence of the Conducting Layer, Phys.Rev., 1926, v. 28.

  15. Крючков СИ. Условия распространения коротких электромагнитных волн в земной атмосфере. Журнал прикладной физики, 1930, 7, 3; О структуре проводящего слоя Хевисайда. Научно-технический сб. ЛЕИС, 1935, 8; Физика ионосферы невозмущенного дня. Изв.АН СССР, сер. геогр. и геофиз., 1940, 125.

  16. Heaviside О. Telegraph Theory. — Encyclopedia Britannica, 1902, v. 33, p.215.

  17. Kennely A.E. Electr. World, 1902, v. 39, p. 473.

  18. Chapman S. Proc. Phys. Soc, 1931, 43, 26.; Proc. Roy. Soc. Α.,1931, 131, 353.

  19. Казанцев АЛ. Построение карт ионизации на 1936 — 1937 гг. и их применение для расчета коротковолновых линий связи — Изв АН СССР, ОТН. 1938, №7.

  20. Казанцев А.П. Определение электронной плотности на линии Москва-Хабаровск. Построение карт ионизации. — Изв. АН СССР, ОТН, 1938, №4.

  21. Жекулин Л.А. Распространение электромагнитной волны в магнитно-активной ионизированной среде. — Вест, электротехники, 1930, т. 2.

  22. Косиков К.М. Радиопрогнозы. — Изв. АН СССР, сер. геогр. и геофиз., 1939.

  23. Щукин А.Н. — Вест, электротехники, 1930, № 5.

  24. Щукин А.Н. — ЖТФ, 1932, т.2.

  25. Целищев С.П. — Труды СФТИ, Томск, 1940, т. 4, вып. 1.

  26. Альперт Я.Л., Гинзбург В.Л., Фейнберг Е.Л. Распространение радиоволн. — Μ.: ГТИ, 1953.

  27. Заборщиков Ф.Я. — Изв. АН СССР, сер. геогр. и геофиз., 1939.

  28. Булатов П.Д. — Труды СФТИ, Томск, 1936, т. 4, вып. 3.

  29. Кессених В.Н., Булатов Н.Д., Лихачев А.И. Ионизация верхних слоев атмосферы во время магнитной бури 18-20.06.1936 г. и солнечного затмения 19.06.1936 г. в Томске. Труды экспедиций по наблюдению полного солнечного затмения 19.06.1936 г., т. 1.

  30. Лихачев А.И. Типы высотно-частотных характеристик ионосферы при вертикальном падении. — ЖТФ, 1940, том 10.

  31. Лебединский В.К. Вопросы физики, 1907, 9, 363.,С-Птб.

  32. Eccles W.H. On the diurnal variation of Electric Waves Occuring in Nature and on the Propagation of Electric Waves round the End of the Earth, Proc. Roy. Soc, 1912, A87, 79.

  33. Бонч-Бруевич M.A. О первых опытах в СССР по измерению высоты Хевисайдова слоя. Научно-технический сборник ЛЕИС, 1933, вып. 1, 18. Измерения слоя Хевисайда в полярном районе, Научно-технический сборник ЛЕИС, 1934, вып. 4-5, 3.

  34. Чавдаров С.С. Частные беседы, 1957-1968.

  35. Казанцев АЛ., Лукин Д.С. — Радиотехника и электроника, 1967, №11.

  36. Bondyopaclliyay Р.К Fleming and Marconi: The Cooperation of the Century, The Radiosdentist & Bulletin, June 1994, vol. 5, No. 2, pp. 52 — 60.

  37. Чернышев А.А. Роль Земли и верхних слоев атмосферы в распространении электромагнитных волн вокруг земного шара. — ЖРФХО, часть физическая, 1916, т.48, № 3.

  38. Данилкин Н.П, Начальный этап изучения в России ионосферного распространения радиоволн. Радиотехника. 1995 №4-5, стр. 68-73