Супернизкочастотный прием
Игорь Григоров
В статьях Гарольда Аллена [1] было дано прекрасное описание сути явления "свистящих атмосфериков". Позволю себе вкратце напомнить некоторые их главные особенности.
При разряде молнии в атмосфере Земли происходит всплеск электромагнитного излучения, максимальная мощность спектра которого лежит в области частот от нескольких герц до десятков килогерц ( рис.1 ). Из-за разной фазовой скорости распространения в атмосфере и ионосфере земли отдельных частотных компонентов спектра грозового разряда за тысячи километров от него разряд воспринимается как короткий свист.
Это происходит потому, что при распространении низкочастотных электромагнитных колебаний за многие тысячи километров от разряда молнии сначала приходят самые низкочастотные колебания, для которых время задержки распространения минимально, а затем все более и более высокочастотные колебания спектра молнии, для которых время задержки при их распространении возрастает ( рис.2 ). В результате этого мы принимаем короткий свист, который от низкочастотного тона переходит в высокочастотный тон. В зависимости от величины расстояния от разряда молнии, от в зависимости от пути распространения этих электромагнитных колебаний будет зависеть характер принимаемого тона. Получается, что наша планета работает как громадный спектроанализатор!
Спектр молнии
Разложение спектра молнии при распространении
высокочастотных колебаний в
ионосфере Земли
Также можно наблюдать "свистящие атмосферики" при бурях на Солнце. В этом случае выбросы электромагнитной энергии с поверхности Солнца, спектр которых лежит в широкой полосе частот, при подходе к нашей планете, попадают в ионосферу Земли. В ней с низкочастотным электромагнитным спектром происходит то же самое, что и с энергией грозового разряда. Выбросы электромагнитной энергии с поверхности Солнца воспринимаются на слух как короткие множественные свисты. Поскольку Солнце во время бурь генерирует сразу множество пачек электромагнитной энергии, то даже излученная электромагнитная энергия одиночной вспышки на Солнце при ее распространении в ионосфере Земли может восприниматься на слух в сверхнизкочастотном приемнике как какое-то пение птиц. Даже при желании можно уловить некоторую закономерность и мелодию в этих коротких переливающихся свистах!
Так, как спектр "свистящих атмосфериков", которые происходят как от грозовых разрядов так и от солнечных магнитных бурь, лежит в диапазоне частот 0-10 кГц, поэтому эти сигналы могут быть восприняты на слух с помощью простого усилителя низкой частоты, к которому подключена соответствующая антенна.
Впервые "свистящие атмосферики" были обнаружены в конце 19 века на телеграфных линиях связи. Иногда на этих линиях, для быстрой передачи сообщений между операторами телеграфных станций, на одной телеграфной станции в линию включали микрофон, а другой телеграфной станции в линию включали телефон, как это упрощенно показано на рис. 3. И иногда вместе с голосом оператора и шумом угольного микрофона другой телеграфной станции в наушниках были слышны необычные короткие свисты. В то время им не придавали особого значения, их относили к фантазии оператора телеграфной станции и неисправностях аппаратуры.
Но действительно, очень интересно, как в те далекие времена (1876 -1900 года) могли быть услышаны эти свисты? Электромагнитные излучатели, которые использовались в то время, были низкочувствительными, их обмотка была низкоомной, а частотная характеристика была весьма плохой. Даже простая человеческая речь и то передавалась ими с большими искажениями! А ведь сила сигналов "свистящих атмосфериков" весьма невелика и составляет микроватты! Только в начале 20 века с развитием технологии изготовления тонких медных проводов с лаковой изоляцией и с развитием технологии изготовления магнитных материалов была достигнута высокая чувствительность электромагнитных излучателей и их хорошие частотные свойства при передаче человеческой речи. До этого услышать на наушники 19 века слабые электрические сигналы в спектре частот передачи человеческой речи было проблематичным делом.
Использование телеграфной линии для телефонной связи
Сейчас многие задают вопрос, как в то время, на такую примитивную аппаратуру телеграфисты могли услышать "свистящие атмосферики". Но телеграфистам тех времен наблюдать "свистящие атмосферики" помогли резонансные явления в телеграфных линиях. Большая протяженность воздушных проводных линий ( прекрасная приемная антенна! ) в 19 веке, включенные в линии электромагнитные реле телеграфных аппаратов привели к тому, что некоторые телеграфные линии имели собственный резонанс на частотах спектра "свистящих атмосфериков" - 300-10000 Гц. В этом случае даже та простая аппаратура 19 века позволяла наблюдать это явление даже на несовершенные низкоомные телефоны тех времен. Позже, уже в 20 веке, когда телеграфные линии стали широко использоваться в мире, резонансные явления в них доставляли много хлопот при эксплуатации телеграфных линий.
Эту гипотезу о резонансных явлениях в телеграфных линиях при приеме "свистящих атмосфериков" подтверждает еще то, что на некоторых телеграфных линиях тех времен был возможен регулярный их прием, а на других линиях "свистящие атмосферики" никогда не слышали.
Большую роль при приеме "свистящих атмосфериков" могло сыграть и расположение телеграфных проводов, которые образовывали антенну с диаграммой направленности имеющей максимум в направлении прихода "свистящих атмосфериков". Следует также заметить, что в те уже далекие для нас времена 19 века на Земле не было электрических сетей передачи переменного тока, которые сейчас опутывают нашу планету и дают сильнейшие наводки переменного тока на всевозможную аппаратуру. Питание электротехнической и радиотехнической аппаратуры осуществлялось от электрохимических источников тока. Только позже, после изобретения Николы Тесла генератора тока, его стали использовать для производства и передачи электрической энергии.
То были удивительные времена чистого эфира, в котором кроме грозовых разрядов ничего не было! Слух и зрение наших предков не были испорчены громкой музыкой и компьютерными играми, что позволяло им даже на слабочувствительные телефоны принимать сигналы "свистящих атмосфериков".
Другой этап в приеме "свистящих атмосфериков" наступил когда стали использовать радиосвязь. Громадные антенны первых радиостанций с подключенным к ним усилителем низкой частоты представляли почти идеальный приемник для приема "свистящих атмосфериков". Отсутствие в эфире фона переменного тока еще более способствовало приему слабых сигналов "свистящих атмосфериков". Именно в то время эти таинственные сигналы получили официальное признание и началось их изучение и наблюдение за ними. Это сыграло свою роль в изучении распространения радиоволн.
Позже, в 20-30 годы был расцвет регенеративных приемников ( которые, сыграв свою роль, вымерли, подобно динозаврам). А некоторые одноламповые конструкции регенеративных приемников по сути дела представляют собой обычный усилитель низкой частоты, и поэтому позволяли производить наблюдения за "свистящими атмосфериками".
Свои первые наблюдения за "свистящими атмосфериками" я сделал в 70 годы на регенеративном приемнике, когда только начал заниматься радиолюбительством. В то время я не знал о существовании "свистящих атмосфериков" и не обратил внимания на эти странные короткие свисты которые иногда возникали в наушниках.
Позже, во время своей учебы в институте, я смог прочитать об этом явлении в различной литературе и мне захотелось повторить свои первые опыты по приему "свистящих атмосфериков". Но к сожалению это долгое время оставалось только нереализованным желанием. Только сейчас, после прочтения статей Г. Аллена, и после "хождения" на различные сайты, посвященные этому явлению, эта идея материализовалась.
На первый взгляд вроде бы нет ничего проще чем принять сигналы "свистящих атмосфериков". Приемник для наблюдения за ними (рис.4) представляет собой простой усилитель низкой частоты с включенной на его входе антенной. Но все дело в том, что эта простая схема в современных условиях города практически не работает. Из-за плотного расположения в городе линий передачи электрического напряжения, этот простой приемник кроме фона переменного тока ничего принимать не будет.
Блок схема приемника "свистящих атмосфериков"
Несколько улучшить прием "свистящих атмосфериков" в моих экспериментах помогло использование магнитной антенны на входе приемника (рис. 5). Магнитная антенна представляет собой от нескольких десятков до нескольких сотен витков медного провода диаметром 0,2 мм, намотанного на деревянный крестовик размерами 50*50 см. Но, хотя с магнитной антенной в городе можно было выбрать место приема с наименьшим уровнем фона, использование ее в условиях города нельзя было признать удачным. Отношение (полезный сигнал/фон 50 Гц) получалось небольшим, и качественный прием "свистящих атмосфериков" был все еще неудовлетворительным. В качестве усилителя низкой частоты я использовал самодельные усилители с батарейным питанием и мостом Вина, настроенном на 50 Гц и для ослабления этой наводки, и включенным в цепь обратной связи усилителя. Но мне было интересно собрать простую, легко повторяемую конструкцию приемника сверхнизкочастотных сигналов, которую мог бы собрать любой радиолюбитель и достигнуть при этом высоких результатов. Те усилители низкой частоты для приемника сверхнизких частот которые я собирал, были сложны в настройке и конструкции. Это вело к тому, что было невозможно рекомендовать их для повторения другими радиолюбителями.
Магнитная антенна на входе приемника "свистящих атмосфериков"
Для усилителя низкой частоты приемника я решил использовать усилитель низкой частоты от старого плеера с трехвольтовым питанием. Сразу была решена проблема с корпусом приемника, с выключателем питания, отсеком для батарей питания и разъемом для подключения наушников, так как это все уже было в конструкции плеера. Для экономии расхода элементов питания я отключил электродвигатель плеера. От магнитной головки плеера был сделан выход. К этому выходу был подключен низкочастотный П - фильтр, как показано на рис.6. В качестве катушки индуктивности L была использована старая катушка индуктивностью номиналом 500 микрогенри конструктивно расположенная в медном луженом корпусе. Очевидно, эта катушка ранее использовалась в старой военной аппаратуре. Конденсаторы С1 и С2 были емкостью по 0,068 мкФ. Эти конденсаторы должны иметь малые потери на высоких частотах для того чтобы эффективно блокировать наводки мощных радиостанций на вход усилителя низкой частоты. Конструкция была расположена в круглой жестяной банке из под чая. Эта банка обеспечивала жесткость конструкции, позволяла удобно переносить приемник и хранить наушники и запасные элементы питания. Фильтр был расположен внутри жестяной коробки около плеера. "Земля" конденсаторов было припаяна в одной точке к этой коробке, "земля" плеера тоже была в той же точке соединения с жестяной коробкой.
П - фильтр на входе приемника - плеера
Проверка этого приемника в городских условиях с разными типами антенн - штыревой и магнитной показали, что он вполне был способен принимать сигналы сверх низкочастотного диапазона волн. Даже удалось принять "свистящие атмосферики" нескольких солнечных бурь которые были в апреле 2001 года. Но все таки работа этого приемника сверхнизких частот в городе меня сильно разочаровала. Сильнейшие наводки переменного тока на антенну, невозможность вследствие этого полностью реализовать усиление приемника, необходимость тщательного выбора месторасположения антенны для работы приемника - все эти неудобства существенно ограничивали возможности его применения для наблюдения за "свистящими атмосфериками".
Поэтому главные испытания этот приемник ждали впереди, на Ай - Петринском плато. На Ай - Петри UR- QRP - C планировал совершить QRP -экспедицию в начале мая и я планировал там провести испытания этого приемника. Большая высота плато над уровнем моря, каменистые горные породы, отсутствие близко расположенных линий электропередач - все это должно было служить идеальным местом для работы этого простого приемника сверхнизкочастотного диапазона.
В первые дни работы на Ай-Петри нашей QRP -экспедиции у меня не было времени заняться его испытаниями. Но на третий день нашего пребывания на Ай - Петринском плато около 11 часов ночи я взял приемник и вышел с ним на плато. На одном из высоких мест Ай-Петринского плато был установлен геодезический знак - "Ай Петринский меридиан". Я решил проводить испытания приемника около него. Для этого существовали следующие причины. Во-первых, это была одна из высоких точек плато, расположенная около места пребывания нашей QRP - экспедиции. Во-вторых, Ай-Петринский меридиан был значительно удален от всех расположенных на плато источников переменного тока, которые вызывают значительные помехи сверхнизкочастотному приему. Это должно было обеспечить чистую работу приемника. В - третьих, к Ай-Петринскому меридиану шла хорошая тропинка от нашего расположения. Это позволяло не заблудиться на плато даже в случае быстрого ухудшения видимости. Такие случаи на плато бывают часто. Человек может отойти буквально на 10-20 метров от жилья, за считанные секунды садится облако и уже невозможно ничего увидеть вокруг себя.
Знаменитый исследователь Крымских растений, ботаник И. В. Ваньков в поисках редких растений обошел весь Крым. Он знал, можно даже так сказать, сказать, каждый камень на Ай-Петри. Но захваченный снежной бурей погиб в ста метрах от жилья. Об этом до сих пор напоминает памятник, расположенный на месте его гибели. Когда сам видишь как близко он погиб от жилья, начинаешь относиться к горам более серьезно.
В-четвертых, с этого места открывался замечательный вид вниз на ночное побережье. В редкие минуты, когда происходило просветление в расположенных ниже нас облаках можно было любоваться открывающейся внизу прекрасной картиной.
Итак, на платформе Ай-Петринского меридиана мной был развернут приемник. Для изготовления антенны приемника я взял с собой катушку провода диаметром 0,5 мм и длиной наверно метров 200. Первоначально для подключения к приемнику была установлена антенна длиной 10 метров (рис. 7). Эта антенна просто лежала на камнях плато. Затем я одел наушники, включил питание плеера, подключил антенну - и ... Моя первая мысль была та, что мой приемник не работает из строя. В городе подключение на вход приемника куска провода длиной даже 1 метр обычно вызывало в наушниках приемника сильнейший фон переменного тока. На Ай - Петри подключение антенны на вход приемника вызвало лишь сухой щелчок. Но затем я услышал то, что я не мог услышать ( и наверное вряд ли смогу ) в городе. Настоящие шумы низкочастотного диапазона, глубокие и в то же время какие-то прозрачные, трески далеких грозовых разрядов, шуршание космического излучения.
Однопроводная антенна приемника
Необходимо самому услышать эти шумы, чтобы понять как они невероятны и таинственны и как значительно они отличаются от тех шумов, которые мы слышим в городе на нашем приемнике. Но и в этих горных идеальных для приема условиях неожиданно проявилась помеха, которой просто не могло быть в городе. Примерно в 15 километрах от нашей экспедиции на горе Бедене- Кыр работали радиолокационные станции обзора моря и воздуха. Еще одна радиолокационная станция находилась примерно в 10 километрах от нас. Мне ее удалось сфотографировать. Антенны этих радиолокационных станций находились под огромными шарообразными куполами. Купола были действительно очень большие, судя по виду как они выглядели даже на большом от них расстоянии. Вообще, практически все антенны на Ай- Петри закрыты герметичными диэлектрическими колпаками. Это необходимо для их нормальной работы. Ведь когда облако опускается на плато, влажность доходит буквально до 100%. Такое ощущение будто находишься в мелком душе. Конечно, в этом случае диаграмма направленности любой антенны сильно изменится и произвести локацию объекта или направленную связь с Космосом вследствие этого будет невозможно. Особенно это касается антенн имеющих острую диаграмму направленности, таких как антенн радиолокационных станций и станций космической связи.
Я уверенно принимал "журчание" локатора, в течение нескольких секунд когда его диаграмма направленности была направлена в мою сторону. Работали два радиолокатора - один из них был дальнего обзора. Его "журчание" проходило примерно с периодом через 6 секунд. Другой локатор был ближнего обзора. Он включался периодически, очевидно по мере необходимости ближнего обнаружения объекта, и его журчание проходило примерно через 2-3 секунды. Но работа радиолокационных станций совершенно не мешала приему сверхнизких частот. Было даже интересно наблюдать на фоне сигналов низкочастотного эфира за работой радиолокационных станций.
Но получить удовлетворительные результаты с короткой проволочной антенной оказалось невозможным делом. Для успешной работы однопроводной антенны необходимо хорошее заземление. Осуществить таковое в горных условиях было невозможно - повсюду камни. Использование нескольких противовесов равных по длине самой антенне только немного улучшили прием. В этом случае в горных условиях эффективно могла работать только рамочная антенна. Мной была на камнях Ай - Петринского плато растянута рамка диаметром примерно 30 метров (рис. 8).
Петлевая антенна приемника
Эта рамка просто лежала на камнях. После подключения рамки ко входу приемника его работа значительно изменилась в лучшую сторону. Низкочастотные шумы сразу же значительно возросли. Приемник стал работать гораздо лучше. Именно с рамочной антенной мной были приняты "свистящие атмосферики" на плато Ай-Петри. Это непередаваемо, это надо слышать! Такого громкого, четкого и ясного приема этого явления я не слышал внизу, в городе. Но при использовании петли в качестве магнитной антенны появился незначительный фон переменного тока 50 Гц. Он был гораздо меньше, чем в городе, и не мешал приему, но все же он был. Этот фон переменного тока было возможно немного ослабить по-разному ориентируя рамку на плато, но полностью от фона избавиться мне не удалось.
О своих экспериментах с низкочастотным приемом я рассказал моим товарищам по QRP - экспедиции. Ребята ходили со мной слушали низкочастотный эфир. Это действительно интересно и затягивает не менее чем любительское радио. Вслушиваешься в шум эфира и ждешь, когда же наконец будут слышны "свистящие атмосферики". Таинственная атмосфера Ай-Петринского плато еще более подчеркивала тайну этого явления.
В городе я привык наблюдать за "свистящими атмосфериками"только глубокой ночью, когда отключено большинство электрических приборов. В дневное и вечернее время свехнизкочастотный приемник включать в городе бесполезно (из - за сильных помех со стороны электроприборов). Но оказалось, что в горах возможно наблюдать за "свистящими атмосфериками" даже днем. Отсутствие на плато помех со стороны электрических приборов, позволила мне осуществить это. Еще немаловажный фактор в пользу приема "свистящих атмосфериков" днем на Ай- Петринском плато - это хорошая видимость. Следовательно, пребывание на плато в данном случае гораздо безопаснее, чем ночью. Это позволяло мне уходить сравнительно далеко в горы, растягивать рамочную антенну над горным обрывом и слушать низкочастотный эфир. Грозы бушуют на нашей планете круглые сутки, всплески солнечных бурь приходят на Землю постоянно. Поэтому мне удалось слышать "свистящие атмосферики" даже днем.
Можно сказать, что мой опыт приема "свистящих атмосфериков" в горах вполне удался. Приемник, выполненный на основе плеера, оказался вполне работоспособным в горных условиях. Теперь я с нетерпением жду, когда снова окажусь вдали от города, вдали от индустриальных помех и смогу послушать низкочастотный эфир!
Литература
1. Harold Allen, W4MMC : Natural ELF - Whistler Radio.
Part 1, Part 2. http//www.antennex.com/library/archiv-III
Материал публикуется с любезного разрешения автора