Земные волны — это радиоволны , распространяющиеся параллельно поверхности Земли и прилегающей к ней, следуя кривизне Земли за пределами видимого горизонта. Это излучение известно как поверхностная волна Нортона или, точнее, земная волна Нортона , поскольку земные волны при распространении радиоволн не ограничиваются поверхностью.
Обычное расстояние прямой видимости до горизонта составляет в лучшем случае около 80–100 километров (50–60 миль) для антенны на высокой вышке. Но наблюдаются сигналы средней и низкой частоты, распространяющиеся за горизонт на несколько сотен миль, в некоторых случаях до нескольких тысяч километров. Этот эффект «обнимания земли» называется земной волной, в отличие от прямой волны или небесной волны. Этот эффект не возникает для сигналов на частотах ОВЧ или УВЧ, которые обычно распространяются всего на расстояние около 100 км (60 миль) до горизонта.
Радиостанции AM полагаются на распространение земных волн для покрытия зон прослушивания, которые обычно находятся в радиусе нескольких сотен миль.
Радиоволны более низкой частоты , ниже 3 МГц, эффективно распространяются как земные волны. В номенклатуре ITU сюда входят (по порядку): среднечастотные (MF), низкочастотные (LF), очень низкочастотные (VLF), сверхнизкочастотные (ULF), сверхнизкочастотные (SLF), сверхнизкочастотные (ELF). волны.
Распространение по земле работает, потому что низкочастотные волны сильнее преломляются вокруг препятствий из-за их больших длин волн , что позволяет им многократно изгибаться вниз, следуя кривизне Земли . См. «Эффект лезвия ножа».
Не путайте с рефракцией . Преломление также заставляет радиоволны изгибаться к земле, слегка увеличивая расстояние распространения, но само по себе преломление обычно расширяет радиогоризонт только примерно на 15% (4/3), чего недостаточно, чтобы объяснить гораздо большие расстояния, на которые, как наблюдают наблюдения, распространяются земные волны. . Рефракция уменьшается на более низких частотах, тогда как дифракция увеличивается на более низких частотах. Средневолновые и длинноволновые сигналы имеют такую большую длину волны, что горные хребты и невысокие холмы действуют как острие, преломляя сигналы вниз, в долины за такими препятствиями. Сам горизонт может выступать в качестве препятствия, вокруг которого дифрагируют длинные волны, например, когда наблюдалось, что низкочастотные волны распространяются на тысячи километров через открытые океаны, где нет препятствий с острыми краями.
Земные волны распространяются в вертикальной поляризации , с горизонтальным магнитным полем и вертикальным электрическим полем (близким к нему).
Проводимость поверхности влияет на распространение грунтовых волн, причем более проводящие поверхности, такие как морская вода, обеспечивают лучшее распространение. [1] Увеличение проводимости поверхности приводит к уменьшению рассеяния. [2] Показатели преломления подвержены пространственным и временным изменениям. Поскольку земля не является идеальным электрическим проводником, земные волны затухают, когда они следуют за земной поверхностью. Волновые фронты изначально вертикальны, но земля, действуя как диэлектрик с потерями, заставляет волну наклоняться вперед по мере ее распространения. Это направляет часть энергии в землю, где она рассеивается [3] , так что сигнал уменьшается экспоненциально.
Большая часть дальней LF- « длинноволновой » радиосвязи (между 30 и 300 кГц) является результатом распространения земных волн. Средневолновые радиопередачи (частоты от 300 до 3000 кГц), включая диапазон вещания AM , распространяются как в виде земных волн, так и, на большие расстояния в ночное время, в виде небесных волн . Потери на землю становятся меньше на более низких частотах, что значительно увеличивает зону покрытия AM-станций , использующих нижний конец диапазона. Частоты VLF и LF в основном используются для военной связи, особенно с кораблями и подводными лодками . Чем ниже частота, тем лучше волны проникают в морскую воду. СНЧ-волны (ниже 3 кГц) использовались даже для связи с глубоко погруженными подводными лодками.
Земные волны использовались в загоризонтном радаре , который работает в основном на частотах от 2 до 20 МГц над морем и имеет достаточно высокую проводимость, чтобы передавать их на разумное расстояние (до 100 км и более) и обратно; загоризонтный радар также использует распространение ионосферных волн на гораздо большие расстояния). При развитии радио широко использовались земные волны. Ранние коммерческие и профессиональные радиослужбы полагались исключительно на длинные волны , низкие частоты и распространение земных волн. Чтобы предотвратить помехи этим службам, любительские и экспериментальные передатчики были ограничены работой на высоких частотах (ВЧ), которые считались бесполезными, поскольку их диапазон земных волн был ограничен. После открытия других возможных режимов распространения на средних и коротких волнах преимущества ВЧ для коммерческих и военных целей стали очевидны. Любительские эксперименты тогда ограничивались только разрешенными частотами в этом диапазоне.
Средневолновые и коротковолновые волны отражаются от ионосферы ночью, что известно как небесная волна . В дневное время нижний слой D ионосферы формирует и поглощает низкочастотную энергию. Это предотвращает очень эффективное распространение небесных волн на средних частотах в дневное время. Ночью, когда слой D рассеивается, средневолновые передачи лучше распространяются по небесным волнам. К земным волнам не относятся ионосферные и тропосферные волны.