Пречупването настъпва, когато скоростта на вълната се променя. Вълната винаги се огъва към по-бавната скорост. Радиовълните се ускоряват в йоносферата, което ги кара да се огъват обратно към Земята. Степента на пречупване зависи от три основни фактора: (1) плътността на йонизацията, (2) честотата на вълната и (3) ъгъла, под който вълната навлиза в слоя.
Пречупване в йоносферата
Пречупването настъпва, когато скоростта на вълната се промени. Вълната винаги се огъва към зоната с по-ниска скорост. Радиовълните се ускоряват в йоносферата, така че са склонни да се огъват обратно към Земята. Количеството на пречупване зависи от три основни фактора:
- Плътността на йонизацията
- Честотата на вълната
- Ъгъла, под който вълната навлиза в слоя
Тази анимация показва как промяната в скоростта води до огъване на радиовълната — ключов механизъм за глобалните радиокомуникации!
Йонизационна плътност
Тази анимация илюстрира връзката между пречупването на радиовълните и плътността на йонизацията. С увеличаване на плътността вълните се огъват по-рязко и радиовълните се връщат към Земята по-близо до предавателя.
Колкото по-висока е йонизационната плътност в даден слой на йоносферата, толкова по-рязко се пречупват радиовълните. В резултат сигналът се връща на по-късо разстояние от източника, което е ключово за далечните радиокомуникации на къси вълни.
Честота
Радиовълните с ниска честота се пречупват по-рязко от високочестотните вълни и по този начин се връщат на Земята по-близо до предавателя. За всеки даден йоносферен слой съществува максимална честота, която ще се пречупи достатъчно, за да се върне на Земята. Ние наричаме тази честота критична честота. При по-високи честоти вълните ще преминават през слоя.
Колкото по-ниска е честотата на радиовълната, толкова по-силно тя се огъва при преминаване през йоносферата. Това позволява връщането ѝ към повърхността на по-късо разстояние от източника. Всяка йоносферна област има своя "критична честота" – максималната, която позволява отразяване. При честоти над тази стойност вълните просто преминават през слоя, без да се върнат обратно.
Ъгъл на падане
Скоростта, с която вълна с дадена честота се пречупва от йонизиран слой, зависи от ъгъла, под който вълната навлиза в слоя. Това изображение показва радиовълни с еднаква честота, влизащи в йоносферния слой под различни ъгли. През слоя преминават вълни, които влизат под твърде стръмен ъгъл. Тъй като ъгълът е плитък, пречупването се увеличава, докато се достигне ъгъл, при който вълната се пречупва обратно към Земята. Ние наричаме това критичен ъгъл.
Има и минимален ъгъл, който ще се пречупи обратно към Земята. При всеки по-малък ъгъл вълната ще се пречупи, но няма да се върне на Земята.
Ъгълът, под който радиовълната навлиза в йоносферния слой, определя дали тя ще се върне обратно към Земята или ще премине през слоя в Космоса. Вълните, които навлизат под по-малък (по-плитък) ъгъл, се пречупват обратно към повърхността. Критичният ъгъл е максималният ъгъл, при който това все още е възможно – над него вълната ще се "изплъзне" и ще напусне атмосферата. Има и минимален ъгъл, под който дори ако се пречупи, вълната няма да достигне до земната повърхност.
Критичен ъгъл и честота
Както показва следващото изображение, всяка радиочестота има свой собствен критичен ъгъл, при който вълната се пречупва обратно към Земята. При по-високи честоти пречупването е по-малко изразено, затова критичният ъгъл намалява. Това означава, че при по-високи честоти вълните трябва да навлизат в йоносферата под по-плитък ъгъл, за да се върнат към Земята, докато при ниски честоти пречупването става и при по-стръмен ъгъл.
Както показва това изображение, всяка честота има свой критичен ъгъл. По-високите честоти пречупват по-малко, така че имат по-нисък критичен ъгъл.
Зона на прескачане (Skip Zone)
На следващата фигура се вижда как разстоянието на първото „отразяване“ на небесната вълна (sky wave skip distance) създава зона, наречена зона на пропускане (skip zone). Това е участък, в който нито директната (ground wave), нито отразената небесна вълна достига до земята. Именно в тази зона се получава така наречената "мъртва зона" за радиокомуникация – радиосигналите не се приемат нито от предавателя, нито от отражението в йоносферата.
Когато покритието на земната вълна достига или надвишава разстоянието за първо отражение на небесната вълна, тази „мъртва зона“ не съществува и приемът е постоянен от предавателя до зоната на първо отражение.
Тази фигура показва връзката между разстоянието за прескачане на небесната вълна, зоната на прескачане и покритието на земната вълна. Разстоянието за пропускане е разстоянието от предавателя до точката, където небесната вълна се връща за първи път към Земята. Размерът на разстоянието на пропускане зависи от критичния ъгъл.
Зоната на пропускане е зона на мълчание между най-далечната степен на предаване на земната вълна и точката, където небесната вълна се връща за първи път към Земята. Когато покритието на земната вълна е равно или надвишава разстоянието за прескачане, няма зона за прескачане.
Пътища на разпространение
Радиочестотната (RF) енергия, излъчвана от една предавателна антена, не се движи само по един път към приемника. Вълните достигат йоносферата под различни ъгли и това води до множество възможни маршрути за сигнала. Именно тази сложност е причина на приемника да се получава сигнал по няколко различни пътя едновременно, което създава характерното явление за радиолюбителите – изкривявания, ехо и промени в силата на сигнала.
Основните възможни пътища включват:
- Два или повече пътя през един и същ слой – сигналът може да се отрази многократно в един йоносферен слой, създавайки различни времеви забавяния.
- Път, преминаващ през повече от един слой – например първо през слой E, след това през слой F.Множество скокове между йоносферата и Земята – сигналът може да „скача“ между земната повърхност и йоносферата многократно, покривайки много големи разстояния.
- Комбинации от всички тези пътища – най-често срещаният реален сценарий.
На следващата илюстрация се вижда пример за няколко различни пътя, които един радиосигнал може да измине, включително отразяване в различни слоеве (E и F), както и преминаване през временни области като спорадичен E-слой (Sporadic E).
Тази фигура показва как радиовълните могат да следват няколко различни пътя на разпространение.
