XVII. НЕБЕСНЫЙ РЕФЛЕКТОР

XVII. НЕБЕСНЫЙ РЕФЛЕКТОР

Великий физик Джеймс Клерк Максвелл с помощью математических выкладок впервые открыл существование радиоволн. Он теоретически доказал, что при искровом разряде возникают электромагнитные волны, которые, распространяясь в пространстве со скоростью света, отличаются от световых волн большей длиной, т.е. меньшей частотой колебаний. Но Максвелл не дожил до триумфа своих математических выводов. Он умер в 1879 году в возрасте сорока восьми лет. Восемь лет спустя молодой немецкий учёный Генрих Герц впервые поставил серию опытов, практически получив волны, совершившие революцию в области связи и изменившие облик планеты.

Любопытно, что сам Герц не верил в практическую целесообразность своей работы и, тем более, не предполагал, что радиоволны будут использованы как средство связи. Между прочим, такое неверие в практическую ценность своих научных открытий - нередкое явление среди физиков (да и не только физиков). Выдающийся английский физик Эрнст Резерфорд, первый проникший в тайны атома и изучивший его структуру, открыто смеялся над журналистами, когда кто-нибудь из них спрашивал его о возможности использования атомной энергии для практических целей."Этого никогда не будет, - отвечал он на вопросы журналистов, - для расщепления атома требуется гораздо больше энергии, чем он может выделить". Но спустя восемь лет, т.е. ровно столько, сколько потребовалось Герцу, чтобы практически подтвердить выводы Максвелла, трагедия Хиросимы опровергла выводы Резерфорда.

Свыше тридцати лет посвятил итальянец Гульельмо Маркони развитию радио. Ему было немногим более двадцати лет, когда он впервые послал радиосигналы на дистанцию в одну милю. Переехав в Англию из Италии, он провёл ряд замечательных опытов по радиосвязи [47].

Уже на заре развития радиотехники было обнаружено, что если соответствующим образом подобрать приёмную аппаратуру, то можно слушать передачу только одной радиостанции, хотя при этом будут работать и другие. Сейчас мы по нескольку раз в день совершаем подобную операцию на своих приёмниках, не задумываясь о том, что кому-то пришлось сделать открытие, прежде чем появилась такая возможность. Впервые она была продемонстрирована сэром Оливером Дж. Лоджем (1857-1940)  в 1897 году.

Гульельмо Маркони

Один из первых приемопередатчиков Маркони. Трубка спереди наверху - это когерер

К началу двадцатого века радио уже распространилось в Европе и в 1901 году сделало скачок через Атлантику. В Ньюфаундленде Маркони установил приёмную антенну на воздушном змее, запустил его и ему удалось принять сигналы кода Морзе, переданные из Польдью (полуостров Корнуэлл - южная оконечность Англии). Это было настоящим чудом. Если предположить, что радиоволны ведут себя подобно световым волнам, то непонятно, каким образом им удалось обогнуть землю по кривой. Луч прожектора, установленного на мысе Корнуэлл, виден с Атлантического океана не более чем за несколько десятков километров, какой бы силы ни был этот прожектор. Из-за кривизны поверхности земли луч его света неизбежно теряется в небесном пространстве.

Положение антенн помечено желтой звездочкой

Антенны для трансатлантической радиосвязи, последовательно построенные Маркони в Польдью (Poldhu).

Надписи на монументе в Польдью в честь первой трансатлантической радиосвязи

В 1902 году Оливер Хевисайд (одновременно с Кеннели[48] в Соединённых Штатах) дал объяснение этого, на первый взгляд непонятного, явления. Он предположил, что на большой высоте в атмосфере есть сильно ионизированный слой, отражающий радиоволны обратно на землю, поэтому они и не исчезают бесследно в космосе. Трудно было поверить, чтобы природа оказалась столь предусмотрительной и как бы специально для осуществления связи с помощью радио создала отражающий слой высоко над поверхностью земли. Поэтому учёные не сразу согласились с таким объяснением. И только в 1924 году - за два месяца до смерти Хевисайда - учёные Э. Эпплтон [49] и М. Барнетт показали, что в атмосфере действительно есть отражающие слои, даже не один, а по меньшей мере два. А сегодня сотни ракет пересекают ионосферу, и недалёк тот день, когда человек сам отправится в космос [50].

На заре развития радио инженеры и учёные, создавая оборудование для приёма радиоволн, встретились с двумя серьёзными трудностями. Устройство для выпрямления волн было очень громоздким (детекторных приёмников тогда ещё не существовало) и, кроме того, не знали, как усиливать получаемые сигналы.

Джон Амброз Флеминг, его "клапан-диод" и схема простейшего радиоприемника с вакуумным диодом в качестве детектора

Первый серьёзный шаг к преодолению этих трудностей был сделан в 1904 году, когда англичанин Джон Флеминг (1849-1945) изобрёл так называемый "клапан-диод", примитивнейшую радиолампу - предок миллионов ламп, которые сегодня применяются в радио и телевидении. Впоследствии за этой лампой укрепилось название "диод", однако слово "клапан" как нельзя более точно характеризует её свойства. Диод позволяет сигналам проходить только в одном направлении, т.е. выпрямляет их, и превращает радиоволны, как всякие электрические колебания, быстро меняющие своё направление, в чёткие сигналы. Однако усиливать их ещё не умели.

Но зта проблема также вскоое была решена. В 1907 году Ли Де Форест изобрёл триод. Пропуская слабые сигналы через металлическую сетку, вмонтированную в диод Флеминга, Форест установил, что их можно усиливать почти неограниченно. Изобретением триода начался век электроники, в котором мы сейчас живём. Это открытие можно отнести к наиболее значительным научным достижениям того времени.

Ли Де Форест, его триод-"аудион" и схема простейшего радиоприемника с вакуумным триодом в качестве детектора и усилителя

Триод впервые получил практическое применение в области электросвязи и дал резкий толчок дальнейшему развитию радио. Проблема усиления слабых и быстро меняющих направление электрических колебаний была решена. Армия инженеров с помощью радиолюбителей начала создавать новую, чрезвычайно быстро развивающуюся отрасль промышленности, которая в наши дни имеет совершенно самостоятельное значение.

Опыты, проведённые на заре развития радио, позволили установить определённые закономерности в распространении радиоволн. Так, выяснилось, что чем длиннее волны, тем больше район их действия. Посылая сигналы через Атлантику. Маркони использовал волны длиной в полтора километра (т.е. частотой около 200 килогерц). Для передачи и приёма таких длинных волн требовалась огромных размеров антенная система. Длинноволновая радиостанция занимала площадь в несколько квадратных километров. На ней выстраивались в несколько рядов связанные проводами башни, каждая высотой в десятки метров.

В начале двадцатых годов радиолюбители сделали открытие, которое заставило правительства и частные фирмы обратиться к коротким волнам. Первоначальные опыты работы на этих волнах показали, что радиус их действия ограничен - практически он находится в пределах нескольких десятков километров. Но никто не мог предположить, что, будучи отражёнными от ионосферы, короткие волны действуют на расстояния в тысячи километров, причём сигналы нередко становятся более отчётливыми и громкими, чем при трансляции на близкие расстояния.

Не удивительно, что для этого замечательного открытия потребовалось некоторое время. Пока ставились опыты с короткими волнами, скажем при радиосвязи между Нью-Йорком и Вашингтоном, вряд ли кому-нибудь приходило в голову устанавливать приёмник для улавливания сигналов в Гренландии или Перу. Но когда радио распространилось по всему миру и в эфир ринулись любители-энтузиасты, старавшиеся побить рекорды дальности радиосвязи, неожиданно обнаружилось преимущество коротких волн.

В 1924 году Маркони решил вплотную заняться техникой передачи на коротких волнах. В то время для передачи на дальние расстояния использовались волны весьма большой мощности, длиной от девяти до восемнадцати километров, распространяемые посредством громоздкой и дорогой антенной системы. Маркони был убеждён, что связь при помощи волн длиной в несколько метров будет и дешевле и надёжнее.

Во всём мире к трансляции с помощью коротких волн относились скептически. Полагали, что послать волны на большое расстояние, может, и удастся, но принять их в силу неустойчивости практически будет невозможно. Маркони надеялся преодолеть эту трудность при помощи антенны с направленным излучением, посылающей энергию сигнала в желаемом направлении и препятствующей её рассеянию в пространстве. Метод мог дать экономический эффект лишь в случае относительно небольших антенных устройств, предназначенных для кооотковолновой передачи. Попытка применить направленную антенну для длинных волн привела к сооружению громоздкой системы длиной до двадцати километров с весьма низкой эффективностью.

Опыты с короткими волнами прошли успешно и в течение 1927-1928 годов Англия установила коротковолновую связь с Канадой, Индией, Южной Африкой и Австралией.

Радиосвязь на коротких волнах оказалась настолько эффективной, что возникли серьёзные сомнения в целесообразности дальнейших работ по совершенствованию подводной кабельной связи. В 1928 году британские кабельные и радиокомпании объединились, создав известную и в настоящее время "Кэйбл энд Уайерлесс К° Лтд", которая в течение последних тридцати лет является одной из ведущих в области международной связи. Эта компания является типичным для Англии примером деятельности частного капитала под государственным контролем. Правительство представлено в правлении компании и имеет право во время войны взять руководство делом в свои руки. Надо заметить, что правительство не воспользовалось этим правом в 1939-1945 годах.

Для широкой публики слово "радио" ассоциируется с передачей разговорной речи и музыки - иными словами, это по существу радиотелефония. Но радио как средство связи стало использоваться гораздо раньше, чем первое живое слово было передано на расстояние без проводов. И даже сегодня значительная часть коммерческой информации в отличие от развлекательной передаётся телеграфным способом, хотя радиотелефония приобретает всё более широкое распространение.

Представьте себе, что вы оказались высоко над землёй и обладаете способностью различать радиоволны. Вы увидели бы, какое множество радиоволн опоясывает землю, то поднимаясь высоко в ионосферу, то отражаясь от неё, неся миллионы слов из одной страны в другую, увидели бы яркое сияние множества излучающих точек - радио и телевизионных станций.

Мы уже упоминали о том, что Маркони в 1901 году удалось послать первое радиотелеграфное сообщение через океан с Корнуэлла в Ньюфаундленд. Это была буква "S", обозначаемая на языке телеграфистов тремя точками. Человеческая же речь совершила такое путешествие (но в обратном направлении) лишь в 1915 году.

Антенна, установленная на Эйфелевой башне в 1909-1925 гг.

Военно-морская радиостанция в Арлингтоне (штат Виргиния) провела ряд опытов и в конце концов ей удалось осуществить передачу голоса, которая была принята приёмником, установленным на вершине Эйфелевой башни в Париже. В то время Эйфелева башня была центром французской военной системы связи, и на приём передачи отвели только десять минут в ранние утренние часы. Итак, после нескольких месяцев подготовительных работ, 23 октября 1915 года в 5 часов 37 минут была принята первая фраза, посланная через океан. Эта фраза, проложившая дорогу через Атлантику миллионам других слов, кажется теперь самой обыденной: "Хэлло, Шрив! Какая сегодня погода?". Первая гоажданская радиотелефонная линия связи между Нью-Йорком и Лондоном вступила в эксплуатацию в феврале 1927 года. Передачи велись на волнах длиной около 6000 метров. Это случилось через шестьдесят один год после прокладки трансатлантического телеграфного кабеля и через пятьдесят один год после изобретения телефона. С этого момента вплоть до прокладки первого телефонного кабеля через океан в 1956 году радио оставалось единственным средством передачи человеческой речи через Атлантику.

Распространение радиоволн в земной атмосфере.

Роль отражения от ионосферы.

К сожалению, это единственное средство не было достаточно надёжным. И в передатчики и в приёмники внесли много улучшений, но на третье звено в цепи радиосвязи - на ионосферу - человек воздействовать не мог. При благоприятных условиях передача была отличной, помехи незначительными. Часто же связь становилась просто невозможной из-за шумов, треска и других помех. Периоды плохой связи длились иногда по нескольку часов и даже дней. Радиотелефонная связь через Атлантику находилась в том же положении, что и воздушный транспорт на заре развития авиации, когда никто не мог гарантировать вам точное время вылета - всё зависело от погоды. В отличие от авиации, для радиосвязи понятие "погода" определяется тем, что происходит не на высоте нескольких километров от Земли, а на высоте нескольких сотен километров.

Изучение ионосферы является одной из наиболее сложных и в то же время наиболее важных отраслей современной науки, как для решения практических задач радиосвязи, так и для понимания явлений, происходящих во Вселенной. Здесь мы вынуждены немного отклониться от темы книги для того, чтобы читатель понял, почему инженеры связи после тридцатилетних поисков, находок и разочарований вновь из ионосферы опустились в глубины океана.

Ионосфера неоднородна и нестабильна. Она состоит из трёх основных слоев. Нижний слой "Е" расположен на высоте 130 километров, а два верхних слоя "F1" и "F2" - на высоте 200-400 километров. Обозначения "Е" и "F" были даны Эпплтоном, который впервые доказал существование в ионосфере не одного слоя, а нескольких. Нижний слой - ближайший к Земле, Эпплтон обозначил буквой "Е" - пятой буквой английского алфавита - на тот случай, если будут открыты слои, расположенные ниже. Сейчас мы знаем, что наличию слоев ионосферы мы обязаны ультрафиолетовым лучам, посылаемым на Землю Солнцем. В очень малых дозах ультрафиолетовые лучи полезны для человека. Но, если бы они достигли поверхности Земли неослабленными, в несколько минут всё живое на земле было бы уничтожено. К счастью для нас, ультрафиолетовые лучи высоко над поверхностью Земли проходят своего рода фильтрацию, а потому и не оказывают пагубного воздействия. Попутно во время такой фильтрации лучи ионизируют атмосферу, расходуя энергию на отрыв электронов от встречающихся на их пути атомов кислорода и азота. Наэлектризованный воздух отражает радиоволны примерно так же, как воздух при определённых температурных условиях отражает свет, создавая миражи.

Ионосфера под влиянием солнечных лучей меняет свою плотность и высоту в зависимости от времени суток и времени года. Учитывая это обстоятельство, варьируют (но только в определённых пределах) длины применяемых радиоволн.

Солнце как бы питает ионосферу; но иногда интенсивное ультрафиолетовое излучение, вызываемое взрывами на поверхности Солнца, разрывает ионосферу на части. Некоторые взрывы связывают с появлением пятен на Солнце, имеющим определённую закономерность. Замечено, что раз в 11 лет поверхность Солнца покрывается пятнами, а в остальное время она остаётся сравнительно чистой. Моменты появления пятен на Солнце совпадают с моментами наиболее сильных возмущений ионосферы, и в эти периоды радиосвязь особенно ухудшается.

Поэтому мы можем представить себе ионосферу, как зеркало, окружающее Землю и пульсирующее с изменением как времени суток, так и времени года, зеркало, которое никогда не бывает абсолютно гладким, а потому и не даёт удовлетворительного отражения. Остаётся только удивляться, каким образом радиоинженеры с успехом используют этот созданный природой, но далеко не совершенный рефлектор.

Прежде чем мы спустимся с небес в глубины океана, позвольте напомнить ещё об одном изобретении, которое явилось следствием изучения верхних слоев атмосферы.

Принцип отражения радиосигналов лёг в основу радарных установок, которые широко применялись во время второй мировой войны. Инициатором создания радара в Англии в конце тридцатых годов стал Роберт Уотсон-Уатт [51]. Не будь радиолокационных устройств, Воздушный флот Англии, возможно, был бы уничтожен в этой войне превосходящими силами немцев и, кто знает, что сталось бы тогда с Англией.

Так вот радиолокация своим возникновением обязана изучению невидимого слоя - ионосферы, о существовании которого человечество и не подозревало несколько десятков лет назад.

К сожалению, и сейчас ещё находятся люди, которые ставят под сомнение целесообразность занятий так называемой "чистой наукой". Казалось бы, какой интерес для нашей повседневной жизни представляют попытки замерить плотность электронов в определённом слое воздуха, находящемся на высоте нескольких сот километров?

Но, как следует из вышеизложенного, подобные, на первый взгляд, чисто теоретические исследования изменяют облик планеты и нередко оказывают влияние на развитие истории человечества в целом.

***

В книге В. Сибрука "Роберт Вуд" (Огиз-Гостехиздат, М., 1946 г.) приведен забавный рассказ Вуда о демонстрации Маркони в Лондоне (1911 г.) трансатлантической передачи радиосигналов:

«...Было объявлено, что на лекции Маркони присутствующие услышат трансатлантические сигналы из Глэс Бэй в Новой Шотландии (в Америке). В то время многие ещё сомневались в возможности этого.

Над крышей собирались запустить змей с антенной, и слушатели должны были услышать сигналы в систему телефонных трубок, разложенных по аудитории. За много дней до лекции исторические залы института наполнили рабочие, устанавливавшие аппараты Маркони. Они разобрали железную балюстраду на мраморной лестнице, ведущей на второй этаж, мешавшую поднять туда громоздкие электрические установки. Вестибюль был три дня забит огромными ящиками, и постепенно за круглым столом, где Фарадей показывал свои маленькие катушки и магнитики, скопилось столько внушительных электрических аппаратов последней конструкции, сколько можно увидеть в одном месте разве на всемирной выставке. Огромная мраморная распределительная доска с вольтметрами, амперметрами, реостатами, предохранителями, индукторами и т.д. и т.д., несколько таинственных ящиков красного дерева с блестящими медными клеммами и пластинками и ещё масса других предметов. Вечером перед лекцией два молодых ассистента Маркони залезли на крышу института, откуда запустили двойной змей и настраивали приёмные аппараты.

Всё это меня страшно интересовало, так как я сам занимался змеями в Ист Хэмптоне. Я ввязался в их работу с вопросами, предложениями, мешая им на каждом шагу своими попытками помочь.

Маркони читал свою лекцию по рукописи, облокотившись на кафедру и положив голову на руку. Мне казалось, что он меньше всех интересуется тем, что говорит, - и никаких экспериментов не было.

Только под самый конец он сказал: "Я установил здесь аппарат для передачи сигналов, и вы услышите звук искрового разряда в этом ящике, когда я нажму на ключ". Он нажал, его несколько раз и мы услышали: "Бэз-бэз-бэз, бэзззз-бэзззз-бэзззз, без-бэз-бэз" (SOS).

За десять минут до окончания я заметил, что его ассистенты нервничают. Один из них исчезал каждые несколько минут, затем появлялся, и они начинали торопливо шептаться. Я подошёл к ним на цыпочках и спросил, что случилось. Трансатлантические сигналы прекрасно приходят, но ветер затихает и змеи опускаются.

"Скажите Маркони", - прошептал я. - Пусть аудитория услышит сигналы, пока это можно, а потом кончит лекцию".

Они покачали головами. "Невозможно", - прошептал один из них. - "Сигналы обязательно должны итти под конец. Он придёт в ярость, если мы прервём его".

"Давайте я скажу ему", - предложил я. Но они ни за что не могли решиться.

Лекция монотонно продолжалась и закончилась словами: "Теперь мы услышим сигналы, перелетевшие Атлантический океан". - Он повернулся к своим ассистентам, стоявшим в стороне. Они смущённо покачали головами, и один сказал: "Змеи опустились". Маркони повернулся к присутствующим и объяснил, что отсутствие ветра сделало демонстрацию невозможной. Мнепоказалось, что он отчасти доволен, что избавился от лишних хлопот.

Идя домой с лордом Рэлеем после лекции, я спросил его: "Что вы думаете об этом?" Он ответил: "Мне кажется, что если бы вам или мне нужно было для лекции приспособление, которое делает "бэзз-бэзз", то мы обошлись бы прибором попроще, и "бэзз-бэзз" у нас всё-таки получилось бы"».