Задержaнные радиоэхосигнaлы: aномальные отражения и их происхождение.

Введение

Длительные задержки эхо (ДЗЭ) – это радиоэхо, возвращающееся к передатчику через несколько секунд после радиопередачи. Задержки, превышающие 2,7 секунды, классифицируются как ДЗЭ. ДЗЭ считаются аномальными и имеют несколько предложенных научных объяснений их происхождения.

История

Эти эхо были впервые зафиксированы в 1927 году инженером-строителем и радиолюбителем Йоргеном Халсом из своего дома вблизи Осло, Норвегия. Халс неоднократно отмечал неожиданное второе радиоэхо со значительной временной задержкой после окончания первичного радиоэхо. Не сумев объяснить это странное явление, он написал письмо норвежскому физику Карлу Штёрмеру, описывая произошедшее:

В конце лета 1927 года я неоднократно принимал сигналы от голландской коротковолновой передающей станции PCJJ в Эйндховене. Одновременно с этими сигналами я также слышал эхо. Я слышал обычное эхо, которое обходит Землю с интервалом примерно в 1/7 секунды, а также более слабое эхо приблизительно через три секунды после основного эхо. Когда основной сигнал был особенно сильным, я полагаю, амплитуда последнего эхо, появившегося через три секунды, составляла от 1/10 до 1/20 от силы основного сигнала. Откуда исходит это эхо, я пока не могу сказать, могу лишь подтвердить, что я действительно его слышал. Физик Балтазар ван дер Поль помогал Халсу и Штёрмеру исследовать эти эхо, но из-за эпизодического характера явлений и изменений во времени задержки, не смог найти удовлетворительного объяснения. Эхо с большой задержкой регистрируется эпизодически с момента первых наблюдений в 1927 году и по сей день.

Пять гипотез

Шлионский перечисляет 15 возможных естественных объяснений, разделенных на две группы: отражения в космическом пространстве и отражения в магнитосфере Земли. Видмар и Кроуфорд считают, что пять из них наиболее вероятны. Сверре Холм, профессор обработки сигналов в Университете Осло, подробно описывает эти пять; вкратце,

Волноводное распространение в магнитосфере и ионосфере Земли на низких HF-частотах (1–4 МГц). Имеются некоторые сходства со свистами. Сигналы могут проходить через ионосферу, а затем распространяться в магнитосфере на расстояние в несколько радиусов Земли в противоположное полушарие, где они отражаются от верхней границы ионосферы. Время прохождения туда и обратно зависит от геомагнитной широты передатчика и обычно составляет 140–300 мс. Чем севернее станция, тем больше задержка. Из-за небольшой задержки это нельзя считать истинным эхом с большой задержкой. Для полноты оно все же включено здесь. Радиоволны с частотой менее 7 МГц могут захватываться в ионизационные каналы, выровненные вдоль линий магнитного поля, со значениями L (расстояние от центра Земли до линии поля на магнитном экваторе) менее 4. Эти волны, оказавшись в ловушке, могут распространяться в противоположное полушарие, где отражаются от верхней ионосферы. Они могут возвращаться вдоль канала, выходить из него и достигать приемника. Могут совершать множество оборотов вокруг Земли. Сигналы могут обходить Землю семь раз за одну секунду. Такие сигналы встречаются не редко. "Гудакр сообщает, что направил свою антенну к горизонту и принял собственный сигнал 28 МГц с задержкой до 9 секунд. Его измерения указывают на возможность прохождения до 65 кругов вокруг Земли". Вероятно, это верхний предел частоты для подобных эффектов. Наиболее распространенная современная теория заключается в том, что радиосигналы захватываются между двумя ионизированными слоями атмосферы и затем многократно направляются вокруг Земли, пока не выходят из разрыва в нижнем слое. (Волноводное распространение между воздушными слоями в нижней атмосфере – хорошо изученное явление. См. Радиораспространение.) Преобразование моды: Сигналы связываются с плазменными волнами в верхней ионосфере. Экспериментально исследовано Кроуфордом и др., они зарегистрировали эхо с задержкой до 40 секунд на частотах 5–12 МГц. Сигналы от двух раздельных передатчиков T1 и T2, передающих сигналы CW или квази-CW, нелинейно взаимодействуют в ионосфере или магнитосфере. Если волновой вектор и частота вынужденных колебаний на разностной частоте двух сигналов удовлетворяют дисперсионному соотношению для электростатических волн, такие волны будут существовать и начнут распространяться. Амплитуда этой волны может возрастать за счет взаимодействия волны с частицами. Позже она может взаимодействовать с сигналом CW и достигать T1. Отражение от удаленных плазменных облаков, изначально пришедших от Солнца. Фрейман проводил эксперименты на частоте 9,9 МГц и обнаружил несколько тысяч эхо с задержкой до 16 секунд в периоды, когда солнечная плазма, вероятно, проникала в магнитосферу. Нелинейность в дополнение к преобразованию моды. Два передаваемых сигнала комбинируются, генерируя разностную частоту, которая распространяется как плазменная волна, а затем преобразуется обратно. Это может объяснить любительские эхо-сигналы в диапазонах VHF/UHF. Ханс Расмуссен обнаружил эхо с задержкой 4,6 секунды на 1296 МГц, а Юрек зафиксировал задержку 5,75 секунды на 432 МГц.

Ducting in the Earth's magnetosphere and ionosphere at low HF frequencies (1–4 MHz). Some similarities with whistlers. Signals may pass the ionosphere and then be conducted in the magnetosphere out to a distance of several Earth radii over to the opposite hemisphere where they will be reflected on top of the ionosphere. The round trip time varies with the geomagnetic latitude of the transmitter and is typically in the 140–300 ms range. The further north the station, the larger the delay. Due to the short delay, this cannot be considered to be a real long delayed echo. For completeness it is still included here. Radio waves of frequency less than about 7 MHz can become trapped in magnetic field aligned ionization ducts with L values (distance from the center of the Earth to the field line at the magnetic equator) less than about 4. These waves after being trapped can propagate to the opposite hemisphere where they become reflected in the topside ionosphere. They can return along the duct, leave it, and propagate to the receiver. Travel many times around the world. Signals can travel around the Earth seven times in one second. Such signals are also not uncommon. "Goodacre reports that he pointed his antenna towards the horizon and received his own 28 MHz signal delayed by up to about 9 seconds His measurement implies travel up to 65 rounds around the earth." Probably the upper frequency limit for such effects. The most popular current theory is that the radio signals are trapped between two ionized layers in the atmosphere and then are guided around the world many times over until they fall out of a gap in the bottom layer. (Ducting propagation between air layers in the lower atmosphere is a well understood phenomenon. See Radio propagation.) Mode conversion: Signals couple to plasma waves in the upper ionosphere. Investigated experimentally by Crawford et al., they recorded echoes with delays up to 40 seconds at 5–12 MHz. The signals from two separated transmitters T1 and T2, T2 transmitting CW or quasi CW signals, interact nonlinearly in the ionosphere or magnetosphere. If the wave vector and frequency of the forced oscillation at the difference frequency of the two signals satisfies the dispersion relation for electrostatic waves, such waves would exist and begin to propagate. This wave could grow in amplitude due to wave particle interaction. At a later time it could interact with the CW signal and propagate to T1. Reflection from distant plasma clouds coming originally from the Sun. Freyman did experiments at 9.9 MHz and detected several thousand echoes of delay up to 16 seconds at times when solar plasma probably entered the magnetosphere. Non linearity in addition to mode conversion. Two transmitted signals combine to generate a difference frequency, which travels with a plasma wave, and then it is converted back. It could explain amateur VHF/UHF echoes. Hans Rasmussen found echoes delayed by 4.6 seconds at 1296 MHz, and Yurek recorded a 5.75 second delay at 432 MHz.

Альтернативные гипотезы

Некоторые считают, что причиной возникновения ЛДЭ является полярная активность, следующая за солнечной бурей. Другие полагают, что ЛДЭ – это двойные отражения EME (EMEME), то есть сигнал отражается от Луны, затем от Земли обратно на Луну, и снова от Луны – на Землю. Обсуждая возможность использования автоматических зондов в качестве средства связи с внеземными цивилизациями, американский физик Рональд Брейсвелл предположил, что такие зонды могут попытаться привлечь внимание, отправляя нам наши собственные сигналы, приводя в качестве примера долго задерживающиеся эхосигналы. Эта концепция была развита Дунканом Лунаном.