Теория радиоволн: ликбез
Думаю все крутили ручку радиоприемника, переключая между «УКВ», «ДВ», «СВ» и слышали шипение из динамиков.
Но кроме расшифровки сокращений, не все понимают, что скрывается за этими буквами.
Давайте ближе познакомимся с теорией радиоволн.
Радиоволна
Длина волны(λ) — это расстояние между соседними гребнями волны.
Амплитуда(а) — максимальное отклонения от среднего значения при колебательном движении.
Период(T) — время одного полного колебательного движения
Частота(v) — количество полных периодов в секунду
Существует формула, позволяющая определять длину волны по частоте: 
Где: длина волны(м) равна отношению скорости света(км/ч) к частоте (кГц)
«УКВ», «ДВ», «СВ»
Сверхдлинные волны — v = 3—30 кГц (λ = 10—100 км).
Имеют свойство проникать вглубь толщи воды до 20 м и в связи с этим применяются для связи с подводными лодками, причем, лодке не обязательно всплывать на эту глубину, достаточно выкинуть радио буй до этого уровня.
Эти волны могут распространяться вплоть до огибания земли, расстояние между земной поверхностью и ионосферой, представляет для них «волновод», по которому они беспрепятственно распространяются.
Длинные волны(ДВ) v = 150—450 кГц (λ = 2000—670 м). 
Этот тип радиоволны обладает свойством огибать препятствия, используется для связи на большие расстояния. Также обладает слабой проникающей способностью, так что если у вас нет выносной антенны, вам вряд ли удастся поймать какую-либо радиостанцию.
Средние волны (СВ) v = 500—1600 кГц (λ = 600—190 м). 
Эти радиоволны хорошо отражаются от ионосферы, находящейся на расстоянии 100-450 км над поверхностью земли.Особенность этих волн в том, что в дневное время они поглощаются ионосферой и эффекта отражения не происходит. Этот эффект используется практически, для связи, обычно на несколько сотен километров в ночное время.
Короткие волны (КВ) v= 3—30 МГц (λ = 100—10 м). 
Подобно средним волнам, хорошо отражаются от ионосферы, но в отличии от них, не зависимо от времени суток. Могут распространяться на большие расстояния(несколько тысяч км) за счет пере отражений от ионосферы и поверхности земли, такое распространение называют скачковым. Передатчиков большой мощности для этого не требуется.
Ультракороткие Волны(УКВ) v = 30 МГц — 300 МГц (λ = 10—1 м). 
Эти волны могут огибать препятствия размером в несколько метров, а также имеют хорошую проникающую способность. За счет таких свойств, этот диапазон широко используется для радио трансляций. Недостатком является их сравнительно быстрое затухание при встрече с препятствиями.
Существует формула, которая позволяет рассчитать дальность связи в УКВ диапазоне:
Так к примеру при радиотрансляции с останкинской телебашни высотой 500 м на приемную антенну высотой 10 м, дальность связи при условии прямой видимости составит около 100 км.
Высокие частоты (ВЧ-сантиметровый диапазон) v = 300 МГц — 3 ГГц (λ = 1—0,1 м).
Не огибают препятствия и имеют хорошую проникающую способность. Используются в сетях сотовой связи и wi-fi сетях.
Еще одной интересной особенностью волн этого диапазона, является то, что молекулы воды, способны максимально поглощать их энергию и преобразовывать ее в тепловую. Этот эффект используется в микроволновых печах.
Как видите, wi-fi оборудование и микроволновые печи работают в одном диапазоне и могут воздействовать на воду, поэтому, спать в обнимку с wi-fi роутером, длительное время не стоит.
Крайне высокие частоты (КВЧ-миллиметровый диапазон) v = 3 ГГц — 30 ГГц (λ = 0,1—0,01 м).
Отражаются практически всеми препятствиями, свободно проникают через ионосферу. За счет своих свойств используются в космической связи.
AM — FM
Зачастую, приемные устройства имеют положения переключателей am-fm, что же это такое:
AM — амплитудная модуляция
Это изменение амплитуды несущей частоты под действием кодирующего колебания, к примеру голоса из микрофона.
АМ — первый вид модуляции придуманный человеком. Из недостатков, как и любой аналоговый вид модуляции, имеет низкую помехоустойчивость.
FM — частотная модуляция 
Это изменение несущей частоты под воздействие кодирующего колебания.
Хотя, это тоже аналоговый вид модуляции, но он имеет более высокую помехоустойчивость чем АМ и поэтому широко применяется в звуковом сопровождении ТВ трансляций и УКВ вещании.
На самом деле у описанных видом модуляции есть подвиды, но их описание не входит в материал данной статьи.
Еще термины
Интерференция — в результате отражений волн от различных препятствий, волны складываются. В случае сложения в одинаковых фазах, амплитуда начальной волны может увеличиться, при сложении в противоположных фазах, амплитуда может уменьшиться вплоть до нуля.
Это явление более всего проявляется при приеме УКВ ЧМ и ТВ сигнала. 
Поэтому, к примеру внутри помещения качество приема на комнатную антенну ТВ сильно «плавает».
Дифракция — явление, возникающее при встрече радиоволны с препятствиями, в результате чего, волна может менять амплитуду, фазу и направление.
Данное явление объясняет связь на КВ и СВ через ионосферу, когда волна отражается от различных неоднородностей и заряженных частиц и тем самым, меняет направление распространения.
Этим же явлением объясняется способность радиоволн распространяться без прямой видимости, огибая земную поверхность. Для этого длина волны должна быть соразмерна препятствию.
Есть ли верхний предел у электромагнитного спектра
Самое мощное излучение генерируется огромными астрофизическими объектами, но до нас доходят сильно ослабленные фотоны. Ученые пока не знают, насколько мощными может быть природное излучение — на этот вопрос только предстоит ответить
Исторически сложилось так, что все частицы с частотами более 10 19 герц (или с энергией более 50 000 электрон-вольт) называются гамма-лучами. В теории нет жесткого предела энергии, которую может иметь гамма-луч. Однако на практике есть целый ряд фактов, которые необходимо принимать во внимание, включая как астрофизические источники излучения, так и фундаментальные физические эксперименты.
Однако для начала давайте обратимся к вопросу о наиболее высокоэнергетических гамма-лучах, обнаруженных до сих пор. Излучение с такими энергиями регистрируются при помощи наземных приборов и исходят от огромных астрофизических объектов. Примером таких источников является пара активных галактик и Крабовидная туманность: оттуда к Земле приходят волны с энергиями до 10 27 Гц (5•10 12 эВ).
Помимо этих отдельных источников, существует также мощное диффузное гамма-излучение — наиболее мощные волны имели частоту 10 24 Гц (10 9 эВ), но ожидается, что этот вид лучей может иметь частоту до 10 30 Гц (10 15 эВ). Измерять волны таких высоких энергий крайне трудно, так как фотоны такого диапазона очень редки и физикам приходится просеивать огромный массив данных, чтобы попытаться найти нужный сигнал.
Возможно, никогда не узнаем, насколько высокоэнергетичными могут быть гамма-лучи в природе. Этот вид излучения доходит до наших телескопов, но перед этим проходит через пространство, частично рассеиваясь на частицах пыли и интерферируя с другими волнами. Поэтому даже фотоны самых высоких энергий рискуют потерять значительную часть своей интенсивности в пути до Земли. Кроме того, многие источники могут производить очень высокоэнергетические гамма-лучи, которые затем поглощаются его же атомами и переизлучаются в пространство.
В результате при самых экстремальных энергиях мы будем видеть только те гамма-лучи, которые генерируются относительно близкими источниками. Тем не менее, из наблюдаемого распределения энергий гамма-лучей мы знаем, что должны быть в состоянии обнаружить волны с более высокими энергиями, чем известно на данный момент. В настоящее время разрабатывается ряд проектов, которые будут собирать гамма-лучи сверхвысокой энергии из космических источников. Только такие эксперименты позволят нам установить верхний предел электромагнитного спектра, если он существует.
Какой диапазон волн самый широкий
Длинные волны распространяются аналогично сверхдлинным, но при этом они в большей степени поглощаются землей, поэтому коэффициент их затухания в волноводе Земля — ионосфера выше. Вследствие этого гарантированная связь на длинных волнах возможна на меньших расстояниях — до 2000 — 2500 км в низкочастотной области и уменьшается с ростом частоты. Однако габариты антенн при этом значительно меньше, чем в диапазоне VLF/ОНЧ, поэтому этот диапазон широко используется теми же службами, что и диапазоне VLF/ОНЧ, но при меньшем требуемом радиусе действия. Например, в этом диапазоне на частоте 77,5 кГц работает радиостанция DCF77, передающая сигналы точного времени, метеоинформацию и сигналы оповещения о чрезвычайных ситуациях, в зону покрытия которой попадает вся Европа, включая Украину, Белоруссию и западные районы РФ. В этом же диапазоне работают различные системы и устройства радионавигации, в т.ч. различные радиомаяки морской и воздушной служб, приводные радиостанции аэропортов и др. Начиная с частоты 148,5 кГц здесь расположен длинноволновый радиовещательный диапазон первого района ITU (Европа, Африка и СНГ). Кроме того, с этого диапазона начинается выделение регламентом ITU частот радиолюбителям (135,7 — 137,8 кГц, длина волны 2200 м). Также необходимо отметить, что радиоволны с частотами ниже 60 кгц могут проникать под воду на глубину нескольких метров, поэтому нижний участок длинноволнового диапазона, в дополнение к диапазону VLF/ОНЧ, используется для связи с подводнымии лодками.
Рис.2.6. Радиопередатчик DCF77, его радиосигнал и наручные часы, синхронизируемые по этому радиосигналу (источник иллюстраций: www.ptb.de)
2.3. ДИАПАЗОН СРЕДНИХ ВОЛН MF/СЧ
Частота 300 — 3000 кГц, длина волны 100 — 1000 м.
Распространение радиоволн этого диапазона, в отличие от диапазонов сверхдлинных и длинных волн, уже в значительной степени зависит от состояния ионосферы. В дневные часы радиосигнал распространяется, преимущественно, поверхностной волной, однако на меньшие, чем в ДВ диапазоне, расстояния (до 600 — 1000 км), что обусловено бОльшим поглощением сигнала землей и слоем D ионосферы. С заходом солнца дальность связи существенно увеличивается за счет повышения прозрачности ионосферного слоя D и отражения волн от слоя E, однако при этом появляются замирания (фединги) сигнала, что обусловлено интерференцией в точке приема поверхностной и отраженной радиоволн.
Габариты передающих антенн в этом диапазоне уже таковы, что они могут размещаться на морских судах, в связи с чем этот диапазон ранее широко использовался для связи на море телеграфом, а частота 500 кГц использовалась для передачи сигнала бедствия SOS. В настоящее время диапазон по-прежнему востребован морской подвижной службой. В частности, на частотах 490 и 518 кГц работает навигационно-метеорологическая система NAVTEX, входящая в состав глобальной морской системы связи при бедствии ГМСББ, а частоты 495 — 505 кГц сохранены для работы только телеграфом. Современные морские радиостанции охватывают диапазон средних волн, начиная с частоты 1605 кГц.
ВНИМАНИЕ! Участок средних волн от 1605 кГц и выше в современной отечественной терминологии применительно к морской радиосвязи именуется диапазоном промежуточных волн — ПВ.
Рис.2.7. Морская судовая радиостанция SAILOR диапазона MF/HF (1605 кГц — 30 МГц) и радиоприемник системы NAVTEX (490/518 кГц)
Диапазон также востребован службами радионавигации, службой эталонных частот и сигналов времени (частота 2500 кГц), службами фиксированной сухопутной связи. Особое значение он имеет для радиовещания, т.к. при существенно меньших, по сравнению с диапазоном ДВ, затратах на передающий комплекс он обеспечивает достаточно большую зону покрытия, а в ночное время — зону покрытия, которая даже может превышать зону покрытия длинноволнового радиовещания. В этом диапазоне также выделены две полосы частот радиолюбителям — диапазоны 600 (в РФ не разрешен) и 180 метров.
2.4. ДИАПАЗОН КОРОТКИХ ВОЛН HF/ВЧ
Частота 3 — 30 МГц, длина волны 10 — 100 м.
Связь поверхностной волной в КВ диапазоне возможна лишь на расстояниях, измеряемых десятками км. Однако за счет поочередного отражения от ионосферы и земли радиоволны этого диапазона могут распространяться на весьма значительные расстояния, измеряемые тысячами километров, а при благоприятных условиях и на расстояния 10-20 тысяч км. В то же время, в связи с зависимостью свойств ионосферных слоев от частоты, времени суток и года, солнечной активности и других факторов, дальнее распространение коротких волн нестабильно, и эта нестабильность растет с ростом частоты.
За счет скачкообразного распространения КВ радиоволн зоны приема чередуются с т.н. мертвыми зонами, в которые отраженные от ионосферы волны не попадают. Кроме того, за счет кратковременных флуктуаций в ионосферных слоях и интерференции радиоволн в точке приема за счет их многолучевого распространения, для связи на КВ характерны замирания (фединги), в т.ч. очень глубокие, которые могут иметь место, в отличие от диапазона средних волн, в любое время суток, особенно в высокочастотной области. Еще одним недостатком является значительное ухудшение прохождения в верхней части КВ диапазона в периоды минимума солнечной активности.
В связи со своей «дальнобойностью» при малых габаритах антенн и малых мощностях передатчиков КВ диапазон востребован практически всеми радиослужбами, включая и спутниковые (на прием). Он предоставляет широчайшие возможности радиовещанию, а также любительской связи. В связи с возможностью изготовления направленных антенн с диаграммой, изменяемой путем механического вращения самой антенны или изменения фазы питающих напряжений ее излучающих элементов (фазированные антенные решетки), с этого диапазона начинается использование радиочастотного спектра радиолокаторами, в первую очередь, загоризонтными, радиотелескопами радиоастрономической службы, а также средствами активного воздействия на ионосферу типа HAARP.
Рис.2.8. Армейский КВ приемник прошлого века Р-250М, современный радиолюбительский КВ трансивер и компьютерная карта КВ-приемника
2.5. ДИАПАЗОНЫ УЛЬТРАКОРОТКИХ ВОЛН
В отечественной теории и практике радиоволны с длиной волны менее 10 метров относят к ультракоротким. Их особенностью является то, что они обладают малой дифракцией, т.е. не могут огибать земную поверхность, и проходят, не отражаясь, сквозь ионосферу, уходя в космическое пространство. По этим причинам УКВ радиоволны распространяются в пределах прямой видимости, за исключением некоторых особых случаев, характерных для низкочастотной области и связанных с рассеянием на неоднородностях тропосферы, а также отражением от метеорных следов, от спорадического ионосферного слоя Es при его образовании и от ионосферных областей полярных сияний.
Несмотря на общие особенности ультракоротких волн, каждый их диапазон имеет свои характерные особенности, связанные в т.ч. с их поглощением атмосферой, пропускной способностью радиочастотного спектра и ограничениями технической реализации приемо-передающих средств.
2.5.1. ДИАПАЗОН МЕТРОВЫХ ВОЛН VHF/ОВЧ
Частота 30 — 300 МГц, длина волны 1 — 10 м.
Метровые волны практически не ослабляются атмосферой, а габариты антенн, в т.ч. направленных, позволяют компактно размещать их как на крышах зданий, так и на транспортных средствах — морских и речных судах, летательных аппаратах, автомобилях и поездах. В связи с этим данный диапазон исключительно широко востребован для ближней радиосвязи в зоне прямой видимости как фиксированной, так и подвижными службами, за исключением сетей мобильной сотовой связи, а также многими спутниковыми службами. В частности, в диапазоне 138 — 144 МГц ведется связь с воздушными судами, в диапазоне 156 — 174 МГц — с морскими судами, в диапазоне 137 — 138 МГц передают информацию метеорологические спутники. В нем расположены радиовещательные диапазоны УКВ-ЧМ (65,9 — 74 МГц) и FM (87,5 — 108 МГц), а также телевизионные каналы с первого (48,5 — 56,5 МГц) по двенадцатый (222 — 230 МГц). Кроме того, с данного диапазона начинается использование радиочастотного спектра для радиолокационного зондирование земной поверхности.
Радиолюбителям в этом диапазоне выделены две полосы частот: 50 — 54 МГц (6-ти метровый диапазон, в РФ пока не разрешен) и 144-146 МГц (2-х метровый диапазон). В последнем радиолюбители работают всеми видами связи, включая тропосферную, связь с отражением от Луны, от ионизационных следов метеоров, от спорадического слоя Es и от авроральной области ионосферы, а также связь через любительские спутники, покрывая, в зависимости от способа, расстояния от нескольких сотен до нескольких тысяч км, а при связи через Луну и более.
Рис.2.9. Телевизионная коллективная антенна 1-12 каналов (слева) и антенна любительского диапазона 2м для связи через Луну (справа)
2.5.2. ДИАПАЗОН ДЕЦИМЕТРОВЫХ ВОЛН UHF/УВЧ
Частота 300 — 3000 МГц, длина волны 1 — 10 дм.
Радиоволны дециметрового диапазона точно так же, как метровые волны, практически не ослабляются атмосферой (за исключением частоты 2,45 ГГц, на которой происходит их поглощение атмосферной водой), но при этом габариты антенн уменьшаются настолько, что становится возможным их конструктивное объединение с персональной приемо-передающей аппаратурой. Высокочастотные резонансные цепи в этом диапазоне имеют малые размеры, в т.ч. реализуются в виде полосковых линий на печатных платах, что позволяет снизить габариты высокочастотных трактов. По указанным причинам диапазон широко востребован для целей мобильной персональной радиосвязи, радиотелеметрии и радиоуправления, для чего в нем выделены несколько полос безлицензионных частот для маломощных радиостанций категорий LPD и PMR. Здесь также располагаются диапазоны 900 МГц и 1800 МГц сетей сотовой связи GSM, а до недавнего времени располагались и диапазоны 450/800 МГц сетей сотовой связи CDMA. Кроме того, в этом диапазоне расположены дециметровые телевизионные канал с 21 по 69 (в РФ с 21 по 60), а также два диапазона любительской, в т.ч. спутниковой связи — 430-440 МГц (70 см) и 1260-1300 МГц (23 см).
Многочисленные спутниковые системы, в т.ч. навигационные системы GPS и ГЛОНАСС, спутниковая система морской связи INMARSAT и др. также интенсивно используют ДМВ диапазон, в частности, спутниковые диапазоны L и S таблицы 1 — 2). Кроме того, здесь широко представленый цифровые радиосети и радиоинтерфейсы — WiFi, BlueTooth, Z-Wave, Zig-Bee и др., в т.ч. используемые в системах Умный Дом, а также радиорелейные линии.
Надо также отметить, что габариты антенн диапазона ДМВ позволяют строить из них компактные фазированные антенные решетки с управляемой диаграммой направленности для РЛС подвижных сухопутных и морских объектов, например, для мобильных систем ПВО.
Особо следует отметить, что на указанной выше единственной частоте поглощения атмосферой волн данного диапазона (2,45 ГГц — нижняя частота спектра поглощения воды) работают бытовые СВЧ печи.
Рис.2.10. Корабельный комплект морской спутниковой связи INMARSAT (слева) и мобильная РЛС ПВО с фазированной антенной решеткой ДМВ диапазона (справа)
2.5.3. ДИАПАЗОН САНТИМЕТРОВЫХ ВОЛН SHF/СВЧ
Частота 3 — 30 ГГц, длина волны 1 — 10 см.
С этого диапазона уже начинается полный набор проблем с распространением радиоволн в атмосфере и ионосфере, в т.ч. поглощение, мерцание, дисперсия, изменение частоты, вращение плоскости поляризации, временнЫе задержки и пр. В то же время, габариты антенн здесь уменьшаются настолько, что становится возможным применение компактных параболических антенн с очень высоким коэффициентом направленного действия, что необходимо для приема радиосигналов с геостационарных спутников, например, сигналов спутникового телевидения. Габариты высокоэффективных фазированных антенных решеток в этом диапазоне позволяют компактно размещать их на летательных аппаратах. Кроме того, сверхвысокая частота позволяет получать высокое разрешение радиолокации и измерять скорость объектов по доплеровскому смещению отраженного сигнала. По этим причинам данный диапазон широко используется в бортовых РЛС целеуказания и в РЛС систем управления воздушным движением, а также в радарах дорожно-патрульных служб.
В нижней своей части сантиметровый диапазон востребован теми же системами, что и диапазон дециметровых волн. В частности, здесь представлен верхний диапазон сетей WiFi, верхние диапазоны (фидерные линии) системы морской спутниковой связи INMARSAT, системы воздушной и морской радионавигации, радиорелейные линии фиксированной службы, а также любительская связь, в т.ч. спутниковая и с отражением от Луны.
Кроме того, различные эффекты взаимодействия со средой, в т.ч. указанные выше, которые, с одной стороны, негативно влияют на радиосвязь, с другой стороны позволяют получать ценную информацию о данной среде. Поэтому сантиметровый диапазон широко востребован спутниковыми системами дистанционного зондирования земли и наземными системами зондирования атмосферы и ионосферы, в т.ч. в метеорологии.
Также следует отметить, что сантиметровый диапазон требует применения специальных элементов и технических решений для генерации и усиления радиочастотных сигналов — магнетронов, клистронов, ламп бегущей волны, объемных резонаторов, параметрических усилителей на малошумящих диодах и пр.
Рис.2.11. Бортовая РЛС с фазированной антенной решеткой (слева) и экран погодного радара (справа)
2.5.4. ДИАПАЗОН МИЛЛИМЕТРОВЫХ ВОЛН EHF/КВЧ
Частота 30 — 300 ГГц, длина волны 1 — 10 мм
Распространение миллиметровых волн в еще большей степени, чем распространение сантиметровых волн, связано с различным нелинейными эффектами и поглощениями, поэтому дальность связи у поверхности Земли ограничена несколькими сотнями метров, а в вертикальном направлении — несколькими десятками километров. В связи с этим, основными областями их применения являются системы спутниковой связи космос-космос, метеорологические и допплеровские радары, в частности, полицейские радары, радиорелейные линии, а также радиоастрономические наблюдения.
В связи с дефицитом ресурсов более низких частот, освоение миллиметрового диапазона становится делом ближайшего будущего. В частности, его планируется использовать для систем сотовой связи 5G, а также для систем HAPS (High Altitude Platform Systems), основанных на применении ретрансляторов, располагаемых на высоте 20-25 километров, например, на аэростатах.
Особо следует отметить, что в этом диапазоне планировал управлять погодой, в частности, в целях нейтрализации торнадо, «папа» суперпроекта HAARP Бернард Дж. Истлунд.
Рис.2.12. Аэростат системы HAPS, полицейский радар и проект Истлунда Tornado mitigation
2.5.5. ДИАПАЗОН ДЕЦИМИЛЛИМЕТРОВЫХ ВОЛН HHF/ГВЧ
Частота 300 — 3000 ГГц, длина волны 0,1 — 1 мм
Внимание! Данный диапазон, особенно в русскоязычных источниках, часто называется диапазоном субмиллиметровых волн.
Как уже отмечалось в главе 1, децимиллиметровое радиоизлучение фактически лежит в нижнем участке спектра дальнего инфракрасного излучения, поэтому отнесение его к радиочастотному ресурсу сомнительно. Тем не менее в регламенте ITU интервал частот от 300 до 3000 ГГц присутствует, хотя и не распределен.
Для приема и генерации децимиллиметровых сигналов классические радиотехнические принципы по большей части малоприменимы, как малоприменимы по большей части и классические оптические решения. Поэтому элементная база здесь весьма экзотична — лампы обратной волны, гиро- и оротроны, сегнетоэлектрики, болометры, ячейки Голея, диоды Ганна, квантовые каскадные лазеры, полупроводниковые наноструктуры и т.п.
В настоящее время этот диапазон находится в стадии фундаментальных исследований и опытно-экспериментальных разработок, поэтому подробно и объективно говорить о его возможностях и проблематике, а также о представленных в нем службах не приходится. Однако ему предсказывают большое будущее в области систем технического зрения, в т.ч. в области разнообразных систем идентификации, опознавания, охраны, безопасности, сканирования и т.д. Это связано с возможностью получения изображений наблюдаемых объектов с высоким разрешением, сравнимым с разрешением инфракрасных систем, но при этом еще и с возможностью видеть через определенные препятствия, непрозрачные для оптического излучения, например, через пластиковые панели и оболочки, перегородки из керамики (т.е. из кирпича!), через биологические ткани и др.
Несмотря на преимущественно исследовательскую стадию освоения децимиллиметров есть и определенные практические результаты, например, в части использования этого диапазона в астрономии, спектроскопии, сканировании багажа и пассажиров на предмет обнаружения запрещенных к провозу предметов и др.
Рис.2.13. Схема лампы обратной волны для генерации децимиллиметровых колебаний
Диапазоны излучения и вещество
Хотя в вакууме электромагнитные волны всех частот распространяются одинаково — со скоростью света, их взаимодействие с веществом очень сильно зависит от частоты (а равным образом от длины волны и энергии кванта). По характеру взаимодействия с веществом излучение делят на диапазоны: гамма-излучение, рентген, ультрафиолет, видимый свет, инфракрасное излучение и радиоволны, которые вместе образуют электромагнитный спектр. Сами эти диапазоны в свою очередь разделяют на поддиапазоны, причем в науке нет единой устоявшейся традиции такого деления. Тут многое зависит от применяемых технических средств для генерации и регистрации излучения. Поэтому в каждой сфере науки и техники поддиапазоны определяют по-своему, а нередко даже сдвигают границы основных диапазонов.
Видимое излучение
Из всего спектра человеческий глаз способен улавливать излучение только в очень узком диапазоне видимого света. От одного его края до другого частота излучения (а равно длина волны и энергия квантов) меняется менее чем в два раза. Для сравнения самые длинные радиоволны в 10 14 раз длиннее видимого излучения, а самые энергичные гамма-кванты — в 10 20 энергичнее. Тем не менее, на протяжении многих тысяч лет большую часть информации об окружающем мире люди черпали из диапазона видимого излучения, границы которого определяются свойствами светочувствительных клеток человеческой сетчатки.
Разные длины волн видимого света воспринимаются человеком как разные цвета — от красного до фиолетового. Традиционное деление видимого диапазона спектра на семь цветов радуги является культурной условностью. Никаких четких физических границ между цветами нет. Англичане, например, обычно делят радугу на шесть цветов. Известны и другие варианты. За восприятие всего разнообразия цветов и оттенков видимого света отвечают всего три различных типа рецепторов, которые чувствительны к красному, зеленому и синему цвету. Это позволяет воспроизводить практически любой цвет, смешивая на экране эти три основных цвета.
Для приема видимого света от далеких космических источников используют вогнутые зеркала, которые собирают излучение с большой площади практически в одну точку. Чем крупнее зеркала, тем мощнее телескоп. Зеркала должны изготавливаться с чрезвычайно высокой точностью — отклонения формы поверхности от идеальной не должны превышать десятой доли длины волны — 40 нанометров, то есть 0,04 микрона. И такая точность должна сохраняться при любых поворотах зеркала. Это определяет высокую стоимость больших телескопов. Диаметр зеркал самых крупных оптических инструментов — телескопов Кека на Гавайях — 10 метров.
Хотя атмосфера прозрачна для видимого света (отмечено голубыми стрелками на плакате), она всё же создает серьезные помехи для наблюдений. Даже если забыть про облака, атмосфера немного искривляет лучи света, что снижает четкость изображения. Кроме того, сам воздух рассеивает падающий свет. Днем это голубое свечение, вызванное рассеянным светом Солнца, не позволяет вести астрономические наблюдения, а ночью — рассеянный свет звезд (и в последние десятилетия искусственная засветка неба наружным освещением городов, автомобилями и т. п.) ограничивает видимость самых бледных объектов. Справиться с этими трудностями позволяет вынос телескопов в космос. Телескоп «Хаббл» по земным меркам имеет очень скромные размеры — диаметр 2,24 метра, однако благодаря заатмосферному размещению он позволил сделать множество первоклассных астрономических открытий.
Ультрафиолетовое излучение
С коротковолновой стороны от видимого света располагается ультрафиолетовый диапазон, который делят на ближний и вакуумный. Как и видимый свет, ближний ультрафиолет проходит через атмосферу. Органами чувств человек его не воспринимает, но на коже ближний ультрафиолет вызывает появление загара. Это защитная реакция кожи на определенные химические нарушения под действием ультрафиолета. Чем короче длина волны, тем большие нарушения может вызывать ультрафиолетовое излучение в биологических молекулах. Если бы весь ультрафиолет проходил через атмосферу, жизнь на поверхности Земли была бы невозможна. Однако выше некоторой частоты атмосфера перестает пропускать ультрафиолетовое излучение, поскольку энергии его квантов становится достаточно для разрушения (диссоциации) молекул воздуха. Одним из первых ультрафиолетовый удар принимает на себя озон, за ним следует кислород. Вместе атмосферные газы предохраняют поверхность Земли от жесткого ультрафиолетового излучения Солнца, которое называют вакуумным, поскольку оно может распространяться только в пустоте (вакууме). Верхний предел вакуумного ультрафиолета — 200 нм. С этой длины волны начинает поглощать ультрафиолет молекулярный кислород (O2).
Телескопы для ближнего ультрафиолетового излучения строятся по тем же принципам, что и для видимого диапазона. В них тоже используются зеркала, покрытые тонким отражающим металлическим слоем, но изготавливать их надо с еще большей точностью. Ближний ультрафиолет можно наблюдать с Земли, вакуумный — только из космоса.
Рентгеновское излучение
Формальной границы между жестким ультрафиолетовым и рентгеновским излучением нет. К ее определению есть два основных подхода: с одной стороны, к рентгену принято относить излучение, способное вызывать возбуждение атомных ядер — подобно тому, как видимое и инфракрасное излучение возбуждает электронные оболочки атомов и молекул. В этом случае даже жесткий вакуумный ультрафиолет в некоторых случаях может быть отнесен к рентгену. В другом подходе рентгеном считают излучение с длиной волны меньше характерного размера атомов (0,1 нм). Тогда получается, что большую часть мягкого рентгеновского диапазона следует считать сверхжестким ультрафиолетом.
Мягкое рентгеновское излучение еще может отражаться от полированного металла, но только при скользящем падении — под углом менее 1 градуса. Более жесткое излучение приходится концентрировать иными способами. Для задания направления используют узкие трубки, отсекающие кванты, приходящие сбоку, а приемником служит сцинтиллятор, в котором рентгеновские кванты ионизируют атомы, а те, вновь объединяясь с электронами, испускают видимое или ультрафиолетовое излучение, которое регистрируют при помощи фотоэлектронных умножителей. По сути, в телескопах жесткого рентгеновского диапазона ведется подсчет отдельных квантов излучения и уже потом при помощи компьютера формируется изображение.
От рентгена к гамма
Граница, на которой рентгеновский диапазон сменяется гамма-излучением, также условна. Обычно ее связывают с энергией квантов, которые испускаются при ядерных реакциях (или наоборот, могут их вызывать). Другой подход связан с тем, что тепловое излучение не принято относить к гамма-диапазону, как бы ни была высока его энергия. Во Вселенной наблюдаются относительно стабильные макроскопические объекты, разогретые до десятков миллионов градусов — это центральные участки аккреционных дисков вокруг нейтронных звезд и черных дыр. А вот объекты с температурой в миллиарды градусов — например, ядра массивных красных гигантов — практически всегда укрыты непрозрачной оболочкой. Впрочем, нередко даже излучение в их недрах называют не мягким гамма-излучением, а сверхжестким рентгеном. Устойчивых образований с температурой выше десятков миллиардов градусов в современной Вселенной неизвестно. Это дает основание считать, что гамма-излучение всегда генерируется нетепловым путем. Основным механизмом является излучение при столкновении заряженных частиц, разогнанных до околосветовых скоростей мощными электромагнитными полями, например, у нейтронных звезд.
Гамма-излучение
Деление гамма-излучения на поддиапазоны носит еще более условный характер. К сверхвысоким энергиям относят гамма-кванты, генерация которых выходит за пределы возможностей современных технологий. Все источники такого излучения связаны исключительно с космосом. Но поскольку технологиям свойственно развиваться, это определение нельзя назвать четким.
Атмосфера защищает нас и от гамма-излучения. В мягком и жестком поддиапазонах она полностью его поглощает. Кванты диапазона сверхвысоких энергий, сталкиваясь с ядрами атомов в атмосфере, порождают каскады частиц, энергия которых постепенно снижается и рассеивается. Однако первые эшелоны частиц в них движутся быстрее скорости света в воздухе. В таких условиях заряженные частицы порождают так называемое тормозное (черенковское) излучение, в чем-то подобное звуковой ударной волне от сверхзвукового самолета. Ультрафиолетовые и видимые кванты тормозного излучения достигают поверхности Земли, где улавливаются специальными телескопами. Можно сказать, что сама атмосфера становится частью телескопа, и это позволяет наблюдать с Земли гамма-излучение сверхвысоких энергий. Это отмечено на плакате красными стрелками.
Еще более энергичные кванты — ультравысоких энергий — порождают настолько мощные каскады частиц, что они пробивают атмосферу насквозь и достигают поверхности Земли. Их называют широкими атмосферными ливнями (ШАЛ) и регистрируют сцинтилляционными датчиками. Частицы ШАЛ наряду с естественной радиоактивностью земных пород могут повреждать биологические молекулы, в частности ДНК, и вызывать мутации в живых организмах. Тем самым они вносят свой вклад в эволюцию жизни на Земле. Но если бы их интенсивность была заметно выше, это могло бы стать серьезным препятствием для жизни. К счастью, чем выше энергия гамма-квантов, тем реже они встречаются. Самые энергичные кванты с энергией около 10 20 эВ приходят примерно раз в сто лет на квадратный километр земной поверхности. Происхождение столь энергичных гамма-квантов пока не вполне ясно. Значительно большей энергией кванты обладать не могут, так как выше некоторого порога они начинают взаимодействовать с реликтовым микроволновым излучением, приводя к рождению заряженных частиц. Иначе говоря, Вселенная непрозрачна для излучения заметно более энергичного, чем 10 21 –10 24 эВ.
Инфракрасное излучение
Отправляясь от видимого света в длинноволновую сторону спектра, мы попадаем в диапазон инфракрасного излучения. Ближнее ИК-излучение физически ничем не отличается от видимого света, за исключением того, что не воспринимается сетчаткой глаза. Его можно регистрировать теми же приборами, в частности, телескопами, что и видимый свет. Человек также ощущает инфракрасное излучение кожей — как тепло. Именно благодаря инфракрасному излучению нам тепло сидеть у костра. Большую часть энергии горения уносит вверх восходящий поток воздуха, на котором мы кипятим воду в котелке, а инфракрасное (и видимое) излучение испускается в стороны молекулами газов, продуктов сгорания и раскаленными частицами угля.
С ростом длины волны атмосфера теряет прозрачность для инфракрасного излучения. Это связано с так называемыми колебательно-вращательными полосами поглощения молекул атмосферных газов. Будучи квантовыми объектами, молекулы не могут вращаться или колебаться произвольным образом, как грузы на пружинке. У каждой молекулы есть свой набор энергий (и, соответственно, частот излучения), которые они могут запасать в форме колебательных и вращательных движений. Однако даже у не самых сложных молекул воздуха набор этих частот столь обширен, что фактически атмосфера поглощает всё излучение в некоторых участках инфракрасного спектра — это так называемые инфракрасные полосы поглощения. Они перемежаются небольшими участками, в которых космическое ИК-излучение достигает поверхности Земли — это так называемые окна прозрачности, которых насчитывается около десятка. Их существование представлено на плакате разрозненными голубыми стрелками в инфракрасном диапазоне. Интересно отметить, что поглощение ИК-излучения почти полностью происходит в нижних слоях атмосферы из-за повышения плотности воздуха у поверхности Земли. Это позволяет вести наблюдения почти во всем инфракрасном диапазоне с аэростатов и высотных самолетов, которые поднимаются в стратосферу.
Деление инфракрасного излучения на поддиапазоны также весьма условно. Граница между ближним и средним инфракрасным излучением проводится примерно в районе абсолютной температуры 300 К, которая характерна для предметов на земной поверхности. Поэтому все они, включая приборы, являются мощными источниками инфракрасного излучения. Чтобы в таких условиях выделить излучение космического источника, аппаратуру приходится охлаждать до температур, близких к абсолютному нулю, и выносить за пределы атмосферы, которая сама интенсивно светит в среднем ИК-диапазоне — именно за счет этого излучения Земля рассеивает в космос энергию, постоянно поступающую от Солнца. Основной тип приемника излучения в этом диапазоне — болометр, то есть, попросту говоря, маленькое черное тело, поглощающее излучение, соединенное со сверхточным термометром.
Дальний инфракрасный диапазон — один из наиболее сложных, как для генерации, так и для регистрации излучения. В последнее время благодаря разработке особых материалов и сверхбыстродействующей электроники с ним научились достаточно эффективно работать. В технике его часто называют терагерцевым излучением. Сейчас активно идет разработка бесконтактных сканеров для определения химического состава объектов на основе генераторов терагерцевого излучения. Они смогут выявлять пластиковую взрывчатку и наркотики на контрольных пунктах в аэропортах.
В астрономии этот диапазон чаще называют субмиллиметровым излучением. Он интересен тем, что в нем (а также в соседнем с ним микроволновом диапазоне) наблюдается реликтовое излучение Вселенной. До уровня моря субмиллиметровое излучение не доходит, но поглощается оно в основном в самых нижних слоях атмосферы. Поэтому в горах Чили и Мексики на высоте около 5 тысяч метров над уровнем моря сейчас строятся крупные субмиллиметровые телескопы — в Мексике 50-метровый, а в Чили массив из 64 телескопов диаметром 12 метров.
Микроволны и радиоволны
К инфракрасному диапазону примыкает радиоизлучение, которое охватывает весь длинноволновый край электромагнитного спектра. Энергия квантов в радиодиапазоне очень мала. Ее обычно не хватает для существенных изменений в структуре атомов и молекул, но хватает, чтобы взаимодействовать с вращательными уровнями молекул, например, воды. Энергии радиоволн также достаточно для того, чтобы воздействовать на свободные электроны, например, в проводниках. Колебания электромагнитного поля радиоволны вызывают синхронные колебания электронов в антенне, то есть переменный электрический ток.
При высокой интенсивности микроволнового излучения этот ток может вызывать значительный нагрев вещества. Это свойство используется для разогрева продуктов, содержащих воду, в микроволновых печах. Микроволновое излучение также называют сверхвысокочастотным (СВЧ) излучением. Оно является самым коротковолновым поддиапазоном радиоизлучения с длиной волны от 1 мм до 30 см. СВЧ-излучение проникает в толщу продуктов на глубину до нескольких сантиметров, что обеспечивает прогрев по всему объему, а не только с поверхности, как в случае обработки инфракрасным излучением на гриле. В микроволновом диапазоне также работают все системы сотовых телефонов и локальной радиосвязи, например, протоколы Bluetooth и WiFi, используемые беспроводными электронными устройствами.
Чем больше длина радиоволны, тем меньшую энергию она несет и тем труднее ее зарегистрировать. Для приема антенну, в которой под действием радиоволны возникают электрические колебания, подключают к электрическому контуру. При попадании в резонанс с его собственной частотой колебания усиливаются и их можно зарегистрировать. Чтобы поймать радиоволны, идущие из космоса, применяют зеркала-антенны параболической формы, которые собирают радиоизлучение всей своей площадью и концентрируют его на небольшой антенне. Тем самым повышается чувствительность инструмента.
Большая часть микроволнового излучения (начиная с длины волны 3–5 мм) проходит через атмосферу. То же можно сказать про ультракороткие волны (УКВ), на которых вещают местные телевизионные и радиостанции (в т. ч. FM-станции) и ведется космическая радиосвязь. Излучение их передатчиков регистрируется только в пределах прямой видимости антенн. Окно прозрачности атмосферы в радиодиапазоне (голубые стрелки на плакате) заканчивается примерно на длине волны 10–30 метров.
Более длинные радиоволны отражаются от ионосферы Земли. Это не позволяет наблюдать космические радиоисточники на более длинных волнах, но зато обеспечивает возможность глобальной коротковолновой радиосвязи. Радиоволны в диапазоне от 10 до 100 метров могут огибать всю Землю, многократно отражаясь от ионосферы и поверхности Земли. Правда, их распространение зависит от состояния ионосферы, на которую сильно влияет солнечная активность. Поэтому коротковолновая связь не отличается высоким качеством и надежностью.
Средние и длинные волны также отражаются от ионосферы, но сильнее затухают с расстоянием. Для того чтобы сигнал можно было поймать на расстоянии более тысячи километров, требуются очень мощные передатчики. Сверхдлинные радиоволны, с длиной в сотни и тысячи километров, огибают Землю уже не благодаря ионосфере, а за счет волновых эффектов, которые также позволяют им проникать на некоторую глубину под поверхность океана. Это свойство используется для экстренной связи с боевыми подводными лодками в погруженном состоянии. Другие радиоволны не проходят через морскую воду, которая из-за растворенных в ней солей представляет из себя хороший проводник и поглощает или отражает радиоизлучение.
Никакого теоретического предела для длины радиоволн неизвестно. На практике экспериментально удалось создать и зарегистрировать радиоволну с длиной волны 38 тыс. км (частота 8 Гц).