【工程師博客】變幻莫測：電離層歷險記

作者：DavidHTO

你是否在晚上聽過AM廣播，思索你如何能聽到遠方的電臺，但白天卻聽不到？科學家和研究人員同樣感到疑惑，他們花了數(shù)十年時間試圖了解我們上空發(fā)生了什么事情導(dǎo)致無線電信號在夜間“跳出來”。由此引出了更多問題，例如：為什么在一天的同一時間從同一地點發(fā)出的頻率不同的信號會跳過更長或更短的距離？或者，在一天的同一時間從同一地點以相同頻率發(fā)出的信號，為什么在不同季節(jié)里會有不同表現(xiàn)？又或者，即使所有上述條件（地點、時間、頻率和季節(jié)）都相同，為什么信號在某些年份里可以環(huán)游世界，但幾年之后只能傳播幾十英里？最后，知道所有變量之后，我們能否預(yù)測電離層的行為及其對通信的影響？

當然可以。

但是我們做不到。

首先，快速了解一下歷史，以便把這兩個看似矛盾但實則準確的答案放到一個大背景中去看待。人類早已觀察到，自由運動的磁化物體會指向北方，這一事實很早就被人類用于航海活動。1839年，一位名叫Frederick Gauss的科學家提出，地球上方有一個帶電荷的空間區(qū)域，正是它引起了“指北”運動。在接下來的幾十年中，更多的假設(shè)和理論被提出，并進行了一些實驗，由此發(fā)展出早期的無線通信，稱為“火花隙”。這個名字非常形象。大家知道，在冬天，當觸摸金屬物體或其他人時，你會感受到輕微的電擊。這本質(zhì)上就是火花隙。當早期實驗者（例如Guglielmo Marconi）找到如何從遠處探測火花的方法時，無線電通信（使用Samuel Morse代碼的某種變體）即告誕生。

火花隙有很多缺點，包括：為使其在任何有意義的距離上工作，必須提供大量功率；其頻率范圍非常有限。接下來發(fā)生的事情讓我想到多米諾骨牌，一張一張相繼倒下，此時對于無線電的發(fā)展和我們對電離層的了解是最好的時機。第一張多米諾骨牌是1912年“無線電法案”的通過。1912年“最先進”的無線電技術(shù)是火花隙，其產(chǎn)生的信號頻率在1200 KHz以下（基本上是當今AM無線電頻段的中部），因此該法案慷慨地將1500 KHz以上的頻譜交給了實驗者和業(yè)務(wù)無線電愛好者，國會輕率地認為這部分頻譜毫無用處。

位于新西蘭Awanui電臺的火花隙發(fā)射機。請注意此照片右下方的鼓風機。這些高功率電臺的溫度很高。非常高。

聽到聲音了嗎？這是另一張多米諾骨牌倒下的聲音，因為就在第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)之前，Lee DeForest、Walter Schottky和其他人在真空管方面的開創(chuàng)性工作使得所設(shè)計的發(fā)射器能夠產(chǎn)生某種音調(diào)，不再只是靜電聲。這被稱為連續(xù)波或CW?，F(xiàn)在，負擔不起商用和軍用火花隙電臺那樣極其強大的發(fā)射器和大型天線的業(yè)余實驗者，可以利用低得多的功耗和較小的天線通過連續(xù)波相互聯(lián)系。這些實驗者也開始注意到，他們能否聯(lián)系到遠方電臺取決于一天中的時間和頻率。利用這種經(jīng)驗，業(yè)余愛好者很快在美國東海岸與歐洲，以及西海岸與夏威夷之間建立起了創(chuàng)紀錄的連接?，F(xiàn)在又要倒下一張多米諾骨牌：國會法定的1500 KHz頻率充斥著大量信號，異常擁擠。因此，業(yè)余愛好者開始嘗試能在更高頻率下運行的新一代電子管。

現(xiàn)在，一張非常重要的多米諾骨牌即將倒下，原因是在1920年代早期，隨著頻率的提升，實驗者發(fā)現(xiàn)較遠距離的通信在一天中的某些時間更容易實現(xiàn)。采集的數(shù)據(jù)越來越多（業(yè)余無線電愛好者善于保管記錄的名聲享譽世界，這使業(yè)余無線電成為一個全球性實驗），物理學家加以整理和分析后，于1923年得出結(jié)論：Gauss于87年前假設(shè)的電離層應(yīng)對此現(xiàn)象負責?，F(xiàn)在，幾件事情的發(fā)生導(dǎo)致一連串的多米諾骨牌開始倒下。

首先，早期被認為是玩具的無線電很快具備了商用可行性。全國各地建設(shè)了數(shù)以百計的地方電臺，其所有者樂意將廣播時間出售給當?shù)氐奈褰鸬?、飼料商店、福音傳教士和專利藥品小販，所有這些人都很高興付錢向成千上萬的潛在皈依者和顧客進行宣傳。聽眾激增，許多制造商進入無線電接收機市場，包括廉價礦石收音機供應(yīng)商；通過礦石收音機，家里沒有電力的人也能聽到這些廣播。

沒有電力？礦石收音機沒問題！

政府很快意識到，這個新行業(yè)需要有一個專門組織來監(jiān)管，以馴服這個新的“狂野西部”，因此在1926年成立了聯(lián)邦無線電委員會。一年后，1927年無線電法案獲得通過，決定收回1500 KHz以上的頻率（政府在1912年視其為無用頻譜），并將其分配給商業(yè)、業(yè)余、軍事和其他政府服務(wù)。這就把成千上萬的技術(shù)人員和實驗者投入到頻譜研究中，設(shè)計更高效的發(fā)射器和性能更好的電子管，收集了大量無線電接收數(shù)據(jù)。1926年，在Oliver Heaviside、Arthur Kennelly等理論家和物理學家的工作基礎(chǔ)上，物理學家Robert Watson-Watt首先使用術(shù)語“電離層”來描述無線電信號在大氣層中傳播或“跳躍”（這個詞在聽眾中更流行）的地方。

他們發(fā)現(xiàn)，在適當頻率和一天中適當時間工作的無線電臺，可以在數(shù)千英里之外聽到，甚至遠涉重洋。一戰(zhàn)結(jié)束后，歐洲的緊張局勢一直在升溫，一些政府對此發(fā)現(xiàn)加以利用。德國和英國這兩個處于無線電研究前沿的國家，建立了可以在美國收聽到的電臺，讓他們能夠?qū)⑵溆^點不經(jīng)過濾地傳播到全世界——這與今天使用Twitter和其他社交媒體的方式差不多。受市場驅(qū)動，消費無線電制造商不久就在其無線電中包含了一個或多個短波波段。這意味著，許多收聽富蘭克林·羅斯?！盃t邊談話”的美國人，也能通過短波聽到希特勒、丘吉爾和其他外國領(lǐng)導(dǎo)人的講話，這要歸功于信號在電離層中的跳躍。

1936年Zenith 6-S-222型“立方體”收音機，有三個無線電波段

第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，電離層跳躍對地緣政治的重要性愈發(fā)提高，因為冷戰(zhàn)雙方建立了龐大的短波電臺，通過高達一百萬瓦的電力來頌揚己方政治制度的優(yōu)勢和另一方的劣勢。然而，我們對電離層的理解，特別是我們預(yù)測電離層中信號行為的能力，對于火箭（無論是將核彈運送到敵方的火箭，還是將人發(fā)射到太空軌道的火箭）開發(fā)者來說，發(fā)展得還不夠快。但人們關(guān)注的不僅僅是電離層?；谠缭?0世紀初期進行的觀察，科學家們推測在電離層之外有一個帶電粒子區(qū)域。1958年1月，探險者1號（美國第一顆到達軌道的衛(wèi)星）上的實驗證明了所謂Van Allen輻射帶的存在。

對Van Allen帶的早期觀測證實了科學家們的推測，即距地球9300萬英里的太陽在產(chǎn)生由帶有粒子組成的“太陽風”，其會在不同的時間以不同的強度推擠Van Allen帶。雖然對它可以做一定的預(yù)測（例如太陽黑子周期為11年），但太陽耀斑的突然出現(xiàn)是非常難以預(yù)測的。因此，簡單算算就會知道，從輻射帶的發(fā)現(xiàn)到太陽的影響，還有幾十個變量需要添加到電離層跳躍預(yù)測方程早已很長的變量列表中（頻率、一天中的時間、一年中的時間等等）。這會是一個多么可怕的方程?。。▌e擔心，我不會拋出我處理不了的數(shù)學方程......因此本文一個方程也沒有。）

在這篇文章的最開始，我問我們能否預(yù)測電離層對通信的影響。我當時的回答是：“當然可以?！比缓笪艺f“但是我們做不到?！毕Ｍ蠹夷苊靼祝也]有刻意回避。事實是，即使在今天，經(jīng)過180多年的理論探究、測試和數(shù)據(jù)收集（來自地面和太空觀測），當要求物理學家和數(shù)學家們?yōu)殡婋x層中發(fā)生的事情給出一個明確的預(yù)測模型時，他們也只能兩手一攤，告訴我們下面這個詞：

stochastic：/st??kastik/ 形容詞

這個詞源于希臘語，意思是“隨機確定；具有隨機概率分布或模式，可以進行統(tǒng)計分析，但可能無法準確預(yù)測?！边@對我們來說意味著，不應(yīng)該使用排列有序的多米諾骨牌來類比電離層，而應(yīng)該使用骰子游戲，愛因斯坦說上帝不擲骰子是錯的。上帝不僅擲骰子，而且不斷玩出新花樣。

我是從個人經(jīng)驗了解到這一點的，我本人是一名業(yè)余無線電操作員。介紹完所有背景，我想告訴大家我的一些親身經(jīng)歷。首先，業(yè)余愛好者總是希望提高其與遠方其他愛好者取得聯(lián)系的幾率（業(yè)余愛好者的行話稱之為DX），并且有許多在線工具提供有關(guān)電離層跳躍的預(yù)測報告。這是此類報告的一個例子，發(fā)布在美國無線電中繼聯(lián)盟網(wǎng)站上發(fā)布，當把我們討論的所有變量放入一個工具中時，它會顯示結(jié)果，繪制世界上任何兩個地方（本例中是美國東海岸與東歐）之間的預(yù)測活動圖：

資料來源：美國無線電中繼聯(lián)盟

此圖的豎直軸為頻率，以MHz為單位（例如，1030的AM電臺將位于1.3）；水平軸是本月中的任何24小時周期（UTC，過去稱為格林威治標準時間）。這就是為什么我們必須把多米諾骨牌換成骰子的原因，因為三條不同的彩色線條僅表示在特定時間和頻率時兩個業(yè)務(wù)愛好者在地球上的這兩個地方之間可以建立聯(lián)系的概率。紅色代表10%的幾率，綠色代表50%的幾率，藍色代表安全賭注（有點像使用莊家的錢），兩個業(yè)余愛好者在給定時間和頻率可以相互聽到的概率超過50%。

根據(jù)該圖，如果我在早上8點將收音機調(diào)到14 MHz，我有50/50的機會與布拉格的一位業(yè)余愛好者取得聯(lián)系。在同一時間，如果以10 MHz的頻率發(fā)射，那么建立聯(lián)系的幾率會更高。如果是18 MHz，聯(lián)系幾率將降至十分之一。因此，早上8時用18 MHz不是嘗試建立聯(lián)系的好選擇。但我們同時發(fā)現(xiàn)（沿著綠線看），在當天晚些時候，18 MHz的聯(lián)系幾率會提高。六個月后回來看，當北半球以不同角度向太陽傾斜時，此圖表會有所不同。六年半（太陽黑子周期的另一半）后再回來，此圖表看起來也會大不相同。

所以，感謝Gauss、Heaviside、Van Allen和其他人所做的開創(chuàng)性工作。感謝那些從衛(wèi)星、無線電信標、太陽觀測站和其他來源收集數(shù)據(jù)以創(chuàng)建此報告及其他報告的人們。但你知道嗎？對于我們這些在電離層沖浪的人來說，這些報告是很好的指南，但我對電離層跳躍的變幻莫測有切身經(jīng)驗，有時候，即使所有的圖表和報告都指示某種狀況，實際結(jié)果卻是另一番狀況。

2010年，太陽處于太陽黑子周期的低點，這意味著電離層不利于信號跳躍，尤其是28 MHz頻段。數(shù)據(jù)顯示，在UTC時間0200（美國東部時間晚上9點，這里是馬薩諸塞州），與幾英里之外的人取得聯(lián)系的概率非常低。打開收音機之后，我已經(jīng)準備好接受事實，但在關(guān)閉收音機之前，我決定調(diào)遍整個頻段以防萬一。突然間，我聽到一個聲音，起初很弱，但很快變得越來越強。盡管他的信號很弱，但我可以分辨出他正在呼叫CQ——在業(yè)余無線電領(lǐng)域，它代表“有人能聽到我嗎？”在20秒內(nèi)，好像他就在我旁邊的房間里一樣。

“這是北庫克群島的E51JD，呼叫CQ并收聽呼叫。”

等等，什么？這不可能。北庫克群島（...在Google地圖上快速查找...）遠在7,000英里之外。圖形和表格說......好吧，萬一......“E51JD，這是馬薩諸塞州的WB2HTO，收到了嗎？”

“收到，下午好，WB2HTO，這是南太平洋北庫克群島的E51JD。我叫Jim......”

這樣，我們開始了交談，雖然圖形和表格說我不應(yīng)該能與那個位置取得聯(lián)系。交流很短暫，僅交換了基本信息（信號報告、姓名和其他一些細節(jié)），因為信號剛要增強便開始減弱了。所以趁我們還能聽到彼此，我們很快結(jié)束了通信。我們一結(jié)束，我就聽到其他電臺試圖聯(lián)系Jim，但電離層瞬息萬變，不知道是否有其他人聯(lián)系到他。我只是在正確的時間和正確的頻率利用了物理學家所稱的零星的E開口，“E”指的是電離層有時發(fā)生的隨機效應(yīng)。

當電離層出現(xiàn)這種狀況時，就像Forrest Gump的巧克力盒子一樣，你永遠不知道會得到什么（或者會持續(xù)多長時間）。我上調(diào)頻率（以便讓Jim有一個開闊的空間去聯(lián)系其他人），通過麥克風呼出“CQ”，看是否有其他電臺會回復(fù)。一松開麥克風按鈕，我就聽到“WB2HTO，這是澳大利亞麥夸里港的VK2HOT，能聽到嗎？”

真是匪夷所思。澳大利亞麥夸里港（又一次快速Google搜索）距離北庫克群島2000英里遠。而我正和那里的人交談。在夜間。在一個照理說不可能的頻段上。

從澳大利亞麥夸里港到波士頓的距離超過9,000英里

隨后我們快速交換了基本信息，并在我們還能聽到對方的時候結(jié)束通信。與此同時，頻段繼續(xù)移動。我只有兩個數(shù)據(jù)點——北庫克群島和東澳大利亞，但看起來從波士頓的信號跳躍在向西移動。我自然不會放過機會，繼續(xù)聯(lián)系其他人，但幾經(jīng)嘗試后，發(fā)現(xiàn)電離層中的神奇魔法秀已經(jīng)結(jié)束。也可能是沒有業(yè)余愛好者在恰當?shù)牡胤胶颓‘數(shù)臅r刻聽到我。

幾星期后，我收到了新朋友發(fā)來的郵件。這是一張QSL或確認卡。這種卡如今大多是通過電子方式發(fā)送，但我很高興將它掛在我的無線電臺上，提醒我電離層深不可測，或者說變幻莫測。

【工程師博客】變幻莫測：電離層歷險記

本不可能聯(lián)系上的聯(lián)系人發(fā)來的確認或QSL卡

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