Научно-популярная статья инженера Г. Гартмана посвящена исследованиям советских учёных в области распространения радиоволн и созданию интерференционного радиодальномера. Автор рассказывает о работах академиков Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси, которые опровергли распространённое представление о зависимости скорости радиоволн от характера земной поверхности. В статье подробно объясняется принцип интерференции радиоволн, работа интерференционного радиодальномера и метод измерения больших расстояний с его помощью. Особое внимание уделено практическому применению нового метода в геодезии, навигации и арктических гидрографических исследованиях. Материал показывает, как фундаментальное научное открытие стало основой для решения важных технических задач.
Как известно, радиоволны распространяются в пространстве со скоростью света, то есть они проходят ежесекундно 300 тысяч километров.
Учёные долгое время считали, что не всегда, однако, радиоволны обладают такой скоростью. Полагали, что при распространении их вблизи земной поверхности эта скорость не постоянна, что она зависит от электрических свойств почвы и меняется с изменением характера местности.
Такое мнение, что леса, водные пространства, степи, горы как-то по-своему влияют на скорость электромагнитных волн, существовало более двадцати лет. Оно покоилось на некоторых частных выводах, сделанных ещё в 1909 году немецким физиком Зоммерфельдом из строгих математических расчётов другого учёного — Зеннека. И это мнение считалось непоколебимым.
Поэтому при практическом применении радиоволн в различных областях техники обычно приходилось делать всевозможные поправки на местность, над которой они распространялись.
Так, например, в мореплавании применяется радиопеленгация. Она позволяет определить, в каком направлении от корабля находятся передающие радиостанции, координаты которых заранее известны. Пользуясь этим методом, нетрудно вычислить и местонахождение судна.
Вот при таких вычислениях учитывали поправку на так называемую береговую рефракцию. Считали, что при переходе радиоволн с суши на море их скорость изменяется и поэтому с ними происходит то же самое, что и со световым лучом, попадающим из одной среды в другую. Так, ложка, опущенная в стакан с водой, кажется переломленной.
Но поправки на рефракцию приводили к ошибкам, сущность которых долгое время оставалась загадкой. Координаты судна, определённые таким способом, оказывались неверными, и во многих случаях надёжность радиопеленгации приходилось брать под сомнение.
Такие же непонятные ошибки имели место и в других областях, где применяются радиоволны.
Пытаясь объяснить эти неувязки, советские учёные, академики Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси, предположили, что разгадка, видимо, кроется в характере распространения электромагнитных волн вблизи земной поверхности. Эта область науки казалась им недостаточно исследованной.
Так перед советской наукой встала задача определить, каков же действительный характер распространения радиоволн вблизи земной поверхности. Над разрешением этой проблемы работала в течение последних лет лаборатория колебаний Физического института Академии наук. Этой работой руководили академики Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси. Исследования велись так называемым интерференционным методом.
Явление интерференции заключается в том, что две волны, встречаясь в каком-либо месте, начинают взаимодействовать: они или взаимно уничтожаются, или же, наоборот, образуют одну усиленную волну.
Интерференция волн известна давно. Ещё полвека назад физики построили специальный прибор — интерферометр, который служит для точных измерений небольших расстояний. Этот прибор основан на принципе интерференции световых волн.
Принцип интерференции советские физики решили применить для измерения больших расстояний с помощью радиоволн. В чём сущность этого метода?
Предположим, необходимо определить расстояние между двумя пунктами. В одном из них находится задающая радиостанция, в другом — отражающая. Волны, излучаемые первой радиостанцией, принимаются отражающей, преобразовываются в волны другой длины и снова излучаются в пространство.
На задающей радиостанции установлен особый приёмник. Он улавливает как излучаемую, так и отражённую волны. Они в приёмнике интерферируют, то есть взаимодействуют. При этом на экране катодного осциллографа, соединённого с приёмником, возникают причудливой формы светящиеся фигуры. Это так называемые фигуры Лиссажу. По их форме можно судить, происходит ли усиление или взаимное ослабление интерферирующих волн.
Если обе станции неподвижны, то есть расстояние между ними постоянно, то форма фигуры Лиссажу на экране также сохраняет постоянство.
Теперь предположим, что задающая радиостанция установлена на судне, находящемся в открытом море. В этом случае измеряемое расстояние будет всё время меняться, что вызовет перемены и на экране катодного осциллографа. Одну фигуру сменит другая, чтобы уступить место третьей, и т. д.
Но при всех этих сменах каждая фигура будет периодически возникать на экране, повторяться. При этом число повторений зависит от соотношения длин волн задающей и отражающей станций. Можно выбрать, например, такое соотношение, при котором фигура Лиссажу повторится двадцать раз, в то время как судно пройдёт расстояние, равное длине пяти волн.
Таким образом, по числу повторений одной и той же фигуры Лиссажу на экране осциллографа можно определить, сколько раз длина данной радиоволны укладывается в расстоянии, которое прошло судно. Это расстояние можно узнать, так как длина радиоволны известна.
Но как быть в тех случаях, когда обе радиостанции неподвижны? Ведь при этих условиях фигура Лиссажу неизменна. Оказывается, если постепенно изменять длину волны задающей радиостанции, то это вызовет и изменение фигуры Лиссажу с периодическим её повторением.
Таким способом определяется, в сущности, число радиоволн, укладывающихся на измеряемом расстоянии. Следовательно, чтобы решить задачу, нужно точно знать длину волны. А эта величина зависит от числа волн, излучаемых ежесекундно, то есть от частоты, которая известна, а также от скорости распространения волн.
Совершенно очевидно, что подобный способ измерения расстояний, называемый методом интерференционного радиодальномера, возможен лишь при том условии, если радиоволны распространяются с постоянной скоростью, независимо от характера и свойств любой местности.
Между тем академики Мандельштам и Папалекси применили этот метод как раз для исследования скорости радиоволн вблизи земной поверхности.
Одно как будто противоречит другому. Как увидим дальше, никакого противоречия здесь нет.
Началась громадная по своему размаху экспериментальная работа. Экспедиции Физического института Академии наук работали в различных уголках Советского Союза. Тщательные опыты велись на Черном море, на озере Ильмень, на Белом море, в Крыму и Поволжье, на вершинах Кавказа и в Арктике, на самых разнообразных рельефах местности — над лесами и степными просторами, в горах. В этой работе, имевшей крупное научное и практическое значение, наряду с Физическим институтом принимали участие и научные силы Центральной радиолаборатории Ленинградского политехнического института, а также Института геодезии, аэросъёмки и картографии.
Задача сводилась к тому, чтобы прежде всего определить, одинакова ли скорость радиоволн над различными по характеру местностями.
Такая постановка вопроса может показаться на первый взгляд парадоксальной. В самом деле, как можно судить о постоянстве какой-либо скорости, не измеряя величины её? Это всё же оказалось возможным благодаря методу, применённому исследователями.
Решить эту задачу удалось с помощью фигуры Лиссажу.
Результаты многочисленных опытов, проведённых сотрудниками лаборатории колебаний Физического института Академии наук В. Мигулиным, Я. Альпертом и др. над самыми разнообразными по характеру местностями, показали, что скорость радиоволн от почвы не зависит, что она, как правило, одна и та же.
Скорость радиоволн несколько меняется лишь в местах резкого изменения характера земной поверхности, например в зоне, где лесной массив сменяется степью, суша — морем и т. д. Однако при измерении больших расстояний подобные кратковременные изменения скорости радиоволн на точность результатов практически не влияют. Поэтому ими можно пренебречь.
То, что ещё недавно казалось загадочным, теперь объяснялось весьма просто. Ясно стало, почему всякие поправки на местность приводили к ошибкам.
Когда было установлено, что скорость радиоволн одинакова, можно было, пользуясь методом интерференционного радиодальномера, точно измерить, чему же равна эта скорость. Для этого на поверхности земли были выбраны две точки. Расстояние между ними совершенно точно измерили обычным астрономическим способом. Затем в этих точках установили радиодальномерные станции: в одной — задающую, в другой — отражающую. При помощи этих станций определили точно, какое число радиоволн укладывалось между двумя выбранными точками. Зная расстояние между этими точками, легко было определить и длину волны. А зная длину волны и частоту, которая также известна, можно было подсчитать и скорость радиоволн. Она оказалась равной 299 500 километрам в секунду.
*
Решение загадки радиоволн, распространяющихся вблизи поверхности Земли, вооружило науку новыми методами практического их использования. Особенно большое практическое значение имеет измерение расстояний методом интерференционного радиодальномера. Этот метод отличается исключительной точностью. Он весьма удобен. Как бы судно ни отклонялось от прямолинейного курса, результат всегда представляет кратчайшее расстояние между измеряемыми пунктами. Это очень важно также при геодезических работах.
Интерференционный радиодальномер был уже в 1940 году широко применён ледокольным пароходом «Георгий Седов» при проведении гидрографических работ.
В задачу гидрографической экспедиции обычно входят съёмка береговой линии, промеры рельефа дна и пр. Всё это необходимо для составления морских карт, которыми пользуются мореплаватели. Однако все эти гидрографические измерения не имеют никакой цены, если неизвестно, в каких местах они произведены. Таким образом, гидрографическому судну необходимо всё время производить определение своих координат, то есть измерять расстояние от каких-либо известных пунктов.
Но в Арктике в период полярного дня определять своё местоположение очень трудно: звёзд не видно, а Солнце часто закрыто облаками.
Применение радиодальномера дало блестящие результаты. За время летней арктической навигации «Георгию Седову» удалось в два раза перевыполнить все существующие нормы гидрографических работ.
Так важное научное открытие советских учёных сразу нашло большое практическое применение.
Сейчас ещё трудно оценить в полной мере огромный вклад в науку, сделанный академиками Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси. Но уже совершенно очевидно, что метод интерференционного радиодальномера имеет большое будущее.
Комментариев нет:
Отправить комментарий