§ 129. Распространение радиоволн
Законы отражения и преломления определяют закономерности распространения радиоволн. Чтобы обсуждать конкретные результаты, нужно лишь обобщить теорию на случай среды с непрерывно меняющимся коэффициентом преломления. Но эти рассуждения были проведены (стр. 128) для упругих волн. Они полностью сохраняют свой характер и для электромагнитной волны, как для света, так и для радио. Двигаясь в среде с переменным 
, т. е. с переменной скоростью, волна распространяется таким образом, чтобы затратить кратчайшее время на прохождение расстояния между двумя точками. Путь волны будет криволинейным, причем, переходя из слоя с меньшим 
в слой с большим 
волна будет отклоняться в сторону нормали, проведенной к границе раздела.
Чтобы судить о характере распространения радиоволн, следует знать электрические свойства земли и атмосферы. Значения электропроводности и диэлектрического коэффициента этих двух сред решительным образом сказываются на электромагнитном поле волны.
Чем объясняется различие в поведении электромагнитных волн разной длины? Разумеется, существенную роль играет дисперсия. Однако примерное суждение о поведении электромагнитной волны мы получим, если оценим соотношение между током смещения и током проводимости. Понятно, что среда обнаруживает диэлектрические свойства, если ток смещения много больше тока проводимости. Напротив, если током смещения можно пренебречь, то среду можно назвать проводящей.
С этой точки зрения нужно оценивать свойства земной поверхности и свойства атмосферы.
Приведем характерный пример. В радиотехнике известно, что равнинная местность, покрытая лесами, характеризуется диэлектрическим коэффициентом 8 порядка 12 и удельной электропроводностью у (в системе 
При распространении волн над морем важны значения 8 и у для морской воды. Соответствующие цифры:
Отношение плотности тока проводимости к плотности тока смещения (на стр. 285 мы приводили нужные формулы) выражается формулой
(в системе СГС). Для длинных волн (возьмем, например, 2000 м) это отношение равно для лесистой местности 77, а для поверхности моря 1600. Среду можно считать в обоих случаях хорошим проводником, в особенности это касается распространения над морем. Для коротких волн (скажем, для 
первая цифра падает до 0,77, а вторая — до 16. Это значит, что для коротких волн морская вода продолжает оставаться в основном проводящей средой, но лесистая местность ведет себя в значительной степени как диэлектрик.
При распространении волн над проводящей поверхностью последняя «не отпускает» волны от себя. Электрические силовые линии подходят к Земле под прямым углом и перемещаются вдоль земной поверхности. Именно поэтому электромагнитная волна легко обходит вокруг земного шара (на это требуется время 0,13 с; вполне возможно весьма точное определение этого времени и, таким образом, определение скорости распространения радиоволн). Это относится к длинным волнам. Короткие волны будут удерживаться у поверхности только морем. В других же местах они могут вести себя, как совершенно свободные волны. При движении вдоль земной поверхности волна проникает в глубь Земли и поглощается ею и притом тем сильнее, чем выше частота колебаний.
Целый ряд замечательных особенностей в поведении радиоволн объясняется наличием в верхних слоях атмосферы слоя, содержащего значительное число свободных ионов и электронов (ионосфера). Таким образом, грубо можно представить себе пространство, в котором движется электромагнитная волна, в виде диэлектрического слоя, зажатого между двумя проводящими слоями.
Ионизация атмосферы не однородна, т. е. число свободных зарядов в единице объема меняется от слоя к слою. Как мы видели в § 125, с увеличением числа зарядов коэффициент преломления падает. Так как коэффициент преломления проводящей среды меньше единицы, то волна, поступившая из диэлектрической среды в ионосферу под некоторым углом, будет отклоняться в сторону от нормали. Ионизация растет, значит, отклонение будет возрастать от слоя к слою.
Далее, как показывает рис. 139, волна может либо выйти из ионосферы и уйти от Земли, либо, продолжая искривляться, вернуться на Землю. Грубо говоря (если не учитывать неоднородности ионосферы), волна вернется на Землю, если она попадет на ионосферу под углом, большим угла полного внутреннего отражения:
в противном случае волна уйдет в мировое пространство. Путем многократных отражений то от ионосферы, то от земной поверхности короткая волна способна огибать земной шар со значительно меньшими энергетическими потерями, чем те, которые имеют место для длинных волн.
Так как УКВ пропускаются слоем свободных зарядов, то они не отражаются ионосферой. Это делает возможным радиоприем на УКВ лишь в пределах прямой видимости.
Рис. 139.
Мы сильно упростили картину атмосферы. Исследования показали, что распределение плотности свободных электрических зарядов в атмосфере характеризуется несколькими максимумами, так что ионосфера распадается на несколько слоев. Эти слои обладают разной устойчивостью в различные времена года. Интересно, что существование слоев связано с деятельностью Солнца, так как наблюдаются изменения состояния ионосферы в соответствии с 
-летним циклом солнечных пятен. Ионизация верхних слоев атмосферы несомненно связана с приходом к Земле космической радиации.
Из рассмотрения электрических свойств ионосферы и земной поверхности радиотехника делает ряд выводов о наиболее благоприятных условиях радиопередачи и приема на волнах различной длины. На этом мы останавливаться не будем.
