天黑以后的电波——奇妙夜傍晚长波

如果你曾在下午拨开收音机,把旋钮慢慢转过短波段,或许会发现有些频段在白天几乎是沉默的------偶尔有几个模糊的信号,但多半淹没在噪声里。到了傍晚,同样的频率却突然热闹起来,远处的声音一个接一个浮出来,像是地球另一端的人等到了某扇门打开,才纷纷走了进来。

这扇门,是电离层的D层。

头顶有一块"吸收毯"

短波信号的传播,靠的是电离层的反射。电磁波从天线射出,以某个角度打到电离层,被折射回地面,再反弹,如此往复,可以传播数千公里甚至绕地球一圈。电离层从低到高分为D层、E层、F层,各有各的职能。

D层是最低的那一层,高度大约在地面以上50到90公里之间。它只在白天存在。太阳升起后,紫外线和X射线轰击高层大气,将气体分子电离,D层随之生成并增强;太阳落山后,失去了能量补充,自由电子迅速与离子复合,D层在大约半小时到一小时内基本消失。

对于低频段的短波信号------也就是3到7兆赫的40米、80米、160米波段------D层是一个真正的吸收器。信号打上去,不是被反射回来,而是被D层里密集的碰撞过程耗散掉,能量转化为热。这就是为什么40米波段在白天的传播距离很有限:信号还没到达能有效反射它的F层,就已经在D层里死掉了。

白天,低频段几乎没有远距离传播的机会。这不是天线的问题,也不是发射功率的问题,是电离层的结构决定了它。

傍晚发生了什么

太阳在地平线以下,D层的电子复合速度远超再电离速度,D层迅速瓦解。对低频段而言,这相当于路障被移开了。

与此同时,更高处的F层也发生了变化。白天的F层分裂为F1和F2两个子层;入夜后,两层合并为单一的F层,高度有所下降,电子密度降低。很多人以为电子密度降低会让反射变差,实际情况恰好相反------频率越低的无线电波,越容易被电子密度较低的电离层反射。对于40米和80米波段,夜间F层的反射效率反而比白天更高。

两个变化叠加:拦路的D层不见了,负责反射的F层调整到了对低频段更友好的状态。结果就是,低频段的远距离传播通道在日落后打开了。

这个现象被业余无线电爱好者称为"傍晚长波",是一个口语化的叫法,指日落前后到午夜这段时间,低频波段传播条件明显改善的过程。它没有"日出效应"那样有专门的学术定义,但描述的物理过程同样真实,同样可以预期。

低频段的夜间世界

日落后大约半小时,40米波段(7兆赫)开始出现来自几百公里之外的信号。这是D层刚刚消退、F层反射开始建立的阶段。信号可能不稳定,起起伏伏,但已经明显不同于白天。

入夜一两小时后,80米波段(3.5兆赫)逐渐开通。这个波段的天线尺寸更大------全尺寸偶极子天线长约40米------很多人会选择缩短型天线或倒L形设计来适应实际条件,效率有所牺牲,但仍然能用。信号在稳定后,可以跨越数百甚至上千公里。

深夜到凌晨是低频段最好的窗口,尤其是冬季。冬夜漫长,电离层扰动较少,40米和80米波段的DX通联(指与远距离台站通联)可以达到数千公里。160米波段(1.8兆赫)是业余无线电里公认最难玩的低频段,全尺寸天线长约80米,多数人只能使用高度缩短的垂直天线加地网,但深夜条件好的时候,这个波段同样可以有出色的表现。

日出前,太阳重新照亮电离层,D层开始重建,低频信号再次被吸收,传播窗口缓缓关闭。

不是孤立的现象

理解傍晚长波,需要把它放在电离层传播的整体图景里看。

它和"灰线"是两回事。灰线是地球上白天与黑夜的分界线,日落时灰线扫过某地,电离层在那一时刻的状态变化极为短暂,前后只有几十分钟。傍晚长波是灰线过后持续数小时的稳定窗口,两者时间尺度不同。

它是日出效应的镜像。日出效应描述的是太阳升起后,高频段从沉寂中逐渐开通的过程;傍晚长波描述的是太阳落山后,低频段接棒的过程。两者合在一起,大致勾勒出一天之内短波传播条件随时间变化的轮廓:高频段活跃于白天,低频段活跃于夜晚。

太阳活动周期对低频段也有影响。太阳活动极大期,F层电子密度偏高,有时低频信号反而不如预期,因为密度过高会让信号直接穿透F层射入太空,而非反射回地面。极小期则相反,高频段普遍关闭,低频段成为主要的传播通道。目前太阳活动正处于高峰附近,这意味着低频段的夜间表现会有更多变数,需要摸索。

从知道到感受

了解傍晚长波的机制是一回事,亲身感受又是另一回事。

在日落后把收音机调到7兆赫,守在那里听几分钟。白天那些熟悉的台消失了,陌生的信号开始出现,有的近,有的远,信号强度在起伏中慢慢稳定下来。这个过程很难精确描述,大概是某种从混乱到秩序的感觉------噪声背后有什么东西在慢慢成形。

80米波段更有意思。3.79兆赫附近是业余无线电常用的SSB话音频点,日落后一小时守在那里,你可能会听到几百公里甚至更远的台在交流。信号不一定强,但是能听到。从噪声里辨认出一个真实的声音,那个瞬间有点像考古------你知道那个信号走了多远,经历了哪些折射,才到达你的耳朵。


参考资料

  1. ITU-R P.1239 --- 电离层对无线电传播的影响,国际电信联盟无线电通信部门
  2. Davies, K. Ionospheric Radio. Peter Peregrinus Ltd., 1990
  3. Goodman, J. M. Space Weather and Telecommunications. Springer, 2005
  4. ARRL Handbook for Radio Communications(业余无线电通信手册,美国业余无线电联盟)
  5. 电离层与短波传播,中国国家无线电频谱管理中心技术资料
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