作者：DavidHTO

你是否在晚上聽(tīng)過(guò)AM廣播，思索你如何能聽(tīng)到遠(yuǎn)方的電臺(tái)，但白天卻聽(tīng)不到？科學(xué)家和研究人員同樣感到疑惑，他們花了數(shù)十年時(shí)間試圖了解我們上空發(fā)生了什么事情導(dǎo)致無(wú)線電信號(hào)在夜間“跳出來(lái)”。由此引出了更多問(wèn)題，例如：為什么在一天的同一時(shí)間從同一地點(diǎn)發(fā)出的頻率不同的信號(hào)會(huì)跳過(guò)更長(zhǎng)或更短的距離？或者，在一天的同一時(shí)間從同一地點(diǎn)以相同頻率發(fā)出的信號(hào)，為什么在不同季節(jié)里會(huì)有不同表現(xiàn)？又或者，即使所有上述條件（地點(diǎn)、時(shí)間、頻率和季節(jié)）都相同，為什么信號(hào)在某些年份里可以環(huán)游世界，但幾年之后只能傳播幾十英里？最后，知道所有變量之后，我們能否預(yù)測(cè)電離層的行為及其對(duì)通信的影響？

當(dāng)然可以。

但是我們做不到。

首先，快速了解一下歷史，以便把這兩個(gè)看似矛盾但實(shí)則準(zhǔn)確的答案放到一個(gè)大背景中去看待。人類(lèi)早已觀察到，自由運(yùn)動(dòng)的磁化物體會(huì)指向北方，這一事實(shí)很早就被人類(lèi)用于航?；顒?dòng)。1839年，一位名叫Frederick Gauss的科學(xué)家提出，地球上方有一個(gè)帶電荷的空間區(qū)域，正是它引起了“指北”運(yùn)動(dòng)。在接下來(lái)的幾十年中，更多的假設(shè)和理論被提出，并進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)，由此發(fā)展出早期的無(wú)線通信，稱(chēng)為“火花隙”。這個(gè)名字非常形象。大家知道，在冬天，當(dāng)觸摸金屬物體或其他人時(shí)，你會(huì)感受到輕微的電擊。這本質(zhì)上就是火花隙。當(dāng)早期實(shí)驗(yàn)者（例如Guglielmo Marconi）找到如何從遠(yuǎn)處探測(cè)火花的方法時(shí)，無(wú)線電通信（使用Samuel Morse代碼的某種變體）即告誕生。

火花隙有很多缺點(diǎn)，包括：為使其在任何有意義的距離上工作，必須提供大量功率；其頻率范圍非常有限。接下來(lái)發(fā)生的事情讓我想到多米諾骨牌，一張一張相繼倒下，此時(shí)對(duì)于無(wú)線電的發(fā)展和我們對(duì)電離層的了解是最好的時(shí)機(jī)。第一張多米諾骨牌是1912年“無(wú)線電法案”的通過(guò)。1912年“最先進(jìn)”的無(wú)線電技術(shù)是火花隙，其產(chǎn)生的信號(hào)頻率在1200 KHz以下（基本上是當(dāng)今AM無(wú)線電頻段的中部），因此該法案慷慨地將1500 KHz以上的頻譜交給了實(shí)驗(yàn)者和業(yè)務(wù)無(wú)線電愛(ài)好者，國(guó)會(huì)輕率地認(rèn)為這部分頻譜毫無(wú)用處。

位于新西蘭Awanui電臺(tái)的火花隙發(fā)射機(jī)。請(qǐng)注意此照片右下方的鼓風(fēng)機(jī)。這些高功率電臺(tái)的溫度很高。非常高。

聽(tīng)到聲音了嗎？這是另一張多米諾骨牌倒下的聲音，因?yàn)榫驮诘谝淮问澜绱髴?zhàn)爆發(fā)之前，Lee DeForest、Walter Schottky和其他人在真空管方面的開(kāi)創(chuàng)性工作使得所設(shè)計(jì)的發(fā)射器能夠產(chǎn)生某種音調(diào)，不再只是靜電聲。這被稱(chēng)為連續(xù)波或CW?，F(xiàn)在，負(fù)擔(dān)不起商用和軍用火花隙電臺(tái)那樣極其強(qiáng)大的發(fā)射器和大型天線的業(yè)余實(shí)驗(yàn)者，可以利用低得多的功耗和較小的天線通過(guò)連續(xù)波相互聯(lián)系。這些實(shí)驗(yàn)者也開(kāi)始注意到，他們能否聯(lián)系到遠(yuǎn)方電臺(tái)取決于一天中的時(shí)間和頻率。利用這種經(jīng)驗(yàn)，業(yè)余愛(ài)好者很快在美國(guó)東海岸與歐洲，以及西海岸與夏威夷之間建立起了創(chuàng)紀(jì)錄的連接?，F(xiàn)在又要倒下一張多米諾骨牌：國(guó)會(huì)法定的1500 KHz頻率充斥著大量信號(hào)，異常擁擠。因此，業(yè)余愛(ài)好者開(kāi)始嘗試能在更高頻率下運(yùn)行的新一代電子管。

現(xiàn)在，一張非常重要的多米諾骨牌即將倒下，原因是在1920年代早期，隨著頻率的提升，實(shí)驗(yàn)者發(fā)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的通信在一天中的某些時(shí)間更容易實(shí)現(xiàn)。采集的數(shù)據(jù)越來(lái)越多（業(yè)余無(wú)線電愛(ài)好者善于保管記錄的名聲享譽(yù)世界，這使業(yè)余無(wú)線電成為一個(gè)全球性實(shí)驗(yàn)），物理學(xué)家加以整理和分析后，于1923年得出結(jié)論：Gauss于87年前假設(shè)的電離層應(yīng)對(duì)此現(xiàn)象負(fù)責(zé)?，F(xiàn)在，幾件事情的發(fā)生導(dǎo)致一連串的多米諾骨牌開(kāi)始倒下。

首先，早期被認(rèn)為是玩具的無(wú)線電很快具備了商用可行性。全國(guó)各地建設(shè)了數(shù)以百計(jì)的地方電臺(tái)，其所有者樂(lè)意將廣播時(shí)間出售給當(dāng)?shù)氐奈褰鸬?、飼料商店、福音傳教士和?zhuān)利藥品小販，所有這些人都很高興付錢(qián)向成千上萬(wàn)的潛在皈依者和顧客進(jìn)行宣傳。聽(tīng)眾激增，許多制造商進(jìn)入無(wú)線電接收機(jī)市場(chǎng)，包括廉價(jià)礦石收音機(jī)供應(yīng)商；通過(guò)礦石收音機(jī)，家里沒(méi)有電力的人也能聽(tīng)到這些廣播。

沒(méi)有電力？礦石收音機(jī)沒(méi)問(wèn)題！

政府很快意識(shí)到，這個(gè)新行業(yè)需要有一個(gè)專(zhuān)門(mén)組織來(lái)監(jiān)管，以馴服這個(gè)新的“狂野西部”，因此在1926年成立了聯(lián)邦無(wú)線電委員會(huì)。一年后，1927年無(wú)線電法案獲得通過(guò)，決定收回1500 KHz以上的頻率（政府在1912年視其為無(wú)用頻譜），并將其分配給商業(yè)、業(yè)余、軍事和其他政府服務(wù)。這就把成千上萬(wàn)的技術(shù)人員和實(shí)驗(yàn)者投入到頻譜研究中，設(shè)計(jì)更高效的發(fā)射器和性能更好的電子管，收集了大量無(wú)線電接收數(shù)據(jù)。1926年，在Oliver Heaviside、Arthur Kennelly等理論家和物理學(xué)家的工作基礎(chǔ)上，物理學(xué)家Robert Watson-Watt首先使用術(shù)語(yǔ)“電離層”來(lái)描述無(wú)線電信號(hào)在大氣層中傳播或“跳躍”（這個(gè)詞在聽(tīng)眾中更流行）的地方。

他們發(fā)現(xiàn)，在適當(dāng)頻率和一天中適當(dāng)時(shí)間工作的無(wú)線電臺(tái)，可以在數(shù)千英里之外聽(tīng)到，甚至遠(yuǎn)涉重洋。一戰(zhàn)結(jié)束后，歐洲的緊張局勢(shì)一直在升溫，一些政府對(duì)此發(fā)現(xiàn)加以利用。德國(guó)和英國(guó)這兩個(gè)處于無(wú)線電研究前沿的國(guó)家，建立了可以在美國(guó)收聽(tīng)到的電臺(tái)，讓他們能夠?qū)⑵溆^點(diǎn)不經(jīng)過(guò)濾地傳播到全世界——這與今天使用Twitter和其他社交媒體的方式差不多。受市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，消費(fèi)無(wú)線電制造商不久就在其無(wú)線電中包含了一個(gè)或多個(gè)短波波段。這意味著，許多收聽(tīng)富蘭克林·羅斯?！盃t邊談話”的美國(guó)人，也能通過(guò)短波聽(tīng)到希特勒、丘吉爾和其他外國(guó)領(lǐng)導(dǎo)人的講話，這要?dú)w功于信號(hào)在電離層中的跳躍。

1936年Zenith 6-S-222型“立方體”收音機(jī)，有三個(gè)無(wú)線電波段

第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，電離層跳躍對(duì)地緣政治的重要性愈發(fā)提高，因?yàn)槔鋺?zhàn)雙方建立了龐大的短波電臺(tái)，通過(guò)高達(dá)一百萬(wàn)瓦的電力來(lái)頌揚(yáng)己方政治制度的優(yōu)勢(shì)和另一方的劣勢(shì)。然而，我們對(duì)電離層的理解，特別是我們預(yù)測(cè)電離層中信號(hào)行為的能力，對(duì)于火箭（無(wú)論是將核彈運(yùn)送到敵方的火箭，還是將人發(fā)射到太空軌道的火箭）開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，發(fā)展得還不夠快。但人們關(guān)注的不僅僅是電離層?；谠缭?0世紀(jì)初期進(jìn)行的觀察，科學(xué)家們推測(cè)在電離層之外有一個(gè)帶電粒子區(qū)域。1958年1月，探險(xiǎn)者1號(hào)（美國(guó)第一顆到達(dá)軌道的衛(wèi)星）上的實(shí)驗(yàn)證明了所謂Van Allen輻射帶的存在。

對(duì)Van Allen帶的早期觀測(cè)證實(shí)了科學(xué)家們的推測(cè)，即距地球9300萬(wàn)英里的太陽(yáng)在產(chǎn)生由帶有粒子組成的“太陽(yáng)風(fēng)”，其會(huì)在不同的時(shí)間以不同的強(qiáng)度推擠Van Allen帶。雖然對(duì)它可以做一定的預(yù)測(cè)（例如太陽(yáng)黑子周期為11年），但太陽(yáng)耀斑的突然出現(xiàn)是非常難以預(yù)測(cè)的。因此，簡(jiǎn)單算算就會(huì)知道，從輻射帶的發(fā)現(xiàn)到太陽(yáng)的影響，還有幾十個(gè)變量需要添加到電離層跳躍預(yù)測(cè)方程早已很長(zhǎng)的變量列表中（頻率、一天中的時(shí)間、一年中的時(shí)間等等）。這會(huì)是一個(gè)多么可怕的方程?。。▌e擔(dān)心，我不會(huì)拋出我處理不了的數(shù)學(xué)方程......因此本文一個(gè)方程也沒(méi)有。）

在這篇文章的最開(kāi)始，我問(wèn)我們能否預(yù)測(cè)電離層對(duì)通信的影響。我當(dāng)時(shí)的回答是：“當(dāng)然可以?！比缓笪艺f(shuō)“但是我們做不到。”希望大家能明白，我并沒(méi)有刻意回避。事實(shí)是，即使在今天，經(jīng)過(guò)180多年的理論探究、測(cè)試和數(shù)據(jù)收集（來(lái)自地面和太空觀測(cè)），當(dāng)要求物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家們?yōu)殡婋x層中發(fā)生的事情給出一個(gè)明確的預(yù)測(cè)模型時(shí)，他們也只能兩手一攤，告訴我們下面這個(gè)詞：

stochastic：/st??kastik/ 形容詞

這個(gè)詞源于希臘語(yǔ)，意思是“隨機(jī)確定；具有隨機(jī)概率分布或模式，可以進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，但可能無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)?！边@對(duì)我們來(lái)說(shuō)意味著，不應(yīng)該使用排列有序的多米諾骨牌來(lái)類(lèi)比電離層，而應(yīng)該使用骰子游戲，愛(ài)因斯坦說(shuō)上帝不擲骰子是錯(cuò)的。上帝不僅擲骰子，而且不斷玩出新花樣。

我是從個(gè)人經(jīng)驗(yàn)了解到這一點(diǎn)的，我本人是一名業(yè)余無(wú)線電操作員。介紹完所有背景，我想告訴大家我的一些親身經(jīng)歷。首先，業(yè)余愛(ài)好者總是希望提高其與遠(yuǎn)方其他愛(ài)好者取得聯(lián)系的幾率（業(yè)余愛(ài)好者的行話稱(chēng)之為DX），并且有許多在線工具提供有關(guān)電離層跳躍的預(yù)測(cè)報(bào)告。這是此類(lèi)報(bào)告的一個(gè)例子，發(fā)布在美國(guó)無(wú)線電中繼聯(lián)盟網(wǎng)站上發(fā)布，當(dāng)把我們討論的所有變量放入一個(gè)工具中時(shí)，它會(huì)顯示結(jié)果，繪制世界上任何兩個(gè)地方（本例中是美國(guó)東海岸與東歐）之間的預(yù)測(cè)活動(dòng)圖：

資料來(lái)源：美國(guó)無(wú)線電中繼聯(lián)盟

此圖的豎直軸為頻率，以MHz為單位（例如，1030的AM電臺(tái)將位于1.3）；水平軸是本月中的任何24小時(shí)周期（UTC，過(guò)去稱(chēng)為格林威治標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間）。這就是為什么我們必須把多米諾骨牌換成骰子的原因，因?yàn)槿龡l不同的彩色線條僅表示在特定時(shí)間和頻率時(shí)兩個(gè)業(yè)務(wù)愛(ài)好者在地球上的這兩個(gè)地方之間可以建立聯(lián)系的概率。紅色代表10%的幾率，綠色代表50%的幾率，藍(lán)色代表安全賭注（有點(diǎn)像使用莊家的錢(qián)），兩個(gè)業(yè)余愛(ài)好者在給定時(shí)間和頻率可以相互聽(tīng)到的概率超過(guò)50%。

根據(jù)該圖，如果我在早上8點(diǎn)將收音機(jī)調(diào)到14 MHz，我有50/50的機(jī)會(huì)與布拉格的一位業(yè)余愛(ài)好者取得聯(lián)系。在同一時(shí)間，如果以10 MHz的頻率發(fā)射，那么建立聯(lián)系的幾率會(huì)更高。如果是18 MHz，聯(lián)系幾率將降至十分之一。因此，早上8時(shí)用18 MHz不是嘗試建立聯(lián)系的好選擇。但我們同時(shí)發(fā)現(xiàn)（沿著綠線看），在當(dāng)天晚些時(shí)候，18 MHz的聯(lián)系幾率會(huì)提高。六個(gè)月后回來(lái)看，當(dāng)北半球以不同角度向太陽(yáng)傾斜時(shí)，此圖表會(huì)有所不同。六年半（太陽(yáng)黑子周期的另一半）后再回來(lái)，此圖表看起來(lái)也會(huì)大不相同。

所以，感謝Gauss、Heaviside、Van Allen和其他人所做的開(kāi)創(chuàng)性工作。感謝那些從衛(wèi)星、無(wú)線電信標(biāo)、太陽(yáng)觀測(cè)站和其他來(lái)源收集數(shù)據(jù)以創(chuàng)建此報(bào)告及其他報(bào)告的人們。但你知道嗎？對(duì)于我們這些在電離層沖浪的人來(lái)說(shuō)，這些報(bào)告是很好的指南，但我對(duì)電離層跳躍的變幻莫測(cè)有切身經(jīng)驗(yàn)，有時(shí)候，即使所有的圖表和報(bào)告都指示某種狀況，實(shí)際結(jié)果卻是另一番狀況。

2010年，太陽(yáng)處于太陽(yáng)黑子周期的低點(diǎn)，這意味著電離層不利于信號(hào)跳躍，尤其是28 MHz頻段。數(shù)據(jù)顯示，在UTC時(shí)間0200（美國(guó)東部時(shí)間晚上9點(diǎn)，這里是馬薩諸塞州），與幾英里之外的人取得聯(lián)系的概率非常低。打開(kāi)收音機(jī)之后，我已經(jīng)準(zhǔn)備好接受事實(shí)，但在關(guān)閉收音機(jī)之前，我決定調(diào)遍整個(gè)頻段以防萬(wàn)一。突然間，我聽(tīng)到一個(gè)聲音，起初很弱，但很快變得越來(lái)越強(qiáng)。盡管他的信號(hào)很弱，但我可以分辨出他正在呼叫CQ——在業(yè)余無(wú)線電領(lǐng)域，它代表“有人能聽(tīng)到我嗎？”在20秒內(nèi)，好像他就在我旁邊的房間里一樣。

“這是北庫(kù)克群島的E51JD，呼叫CQ并收聽(tīng)呼叫?！?/p>

等等，什么？這不可能。北庫(kù)克群島（...在Google地圖上快速查找...）遠(yuǎn)在7,000英里之外。圖形和表格說(shuō)......好吧，萬(wàn)一......“E51JD，這是馬薩諸塞州的WB2HTO，收到了嗎？”

“收到，下午好，WB2HTO，這是南太平洋北庫(kù)克群島的E51JD。我叫Jim......”

這樣，我們開(kāi)始了交談，雖然圖形和表格說(shuō)我不應(yīng)該能與那個(gè)位置取得聯(lián)系。交流很短暫，僅交換了基本信息（信號(hào)報(bào)告、姓名和其他一些細(xì)節(jié)），因?yàn)樾盘?hào)剛要增強(qiáng)便開(kāi)始減弱了。所以趁我們還能聽(tīng)到彼此，我們很快結(jié)束了通信。我們一結(jié)束，我就聽(tīng)到其他電臺(tái)試圖聯(lián)系Jim，但電離層瞬息萬(wàn)變，不知道是否有其他人聯(lián)系到他。我只是在正確的時(shí)間和正確的頻率利用了物理學(xué)家所稱(chēng)的零星的E開(kāi)口，“E”指的是電離層有時(shí)發(fā)生的隨機(jī)效應(yīng)。

當(dāng)電離層出現(xiàn)這種狀況時(shí)，就像Forrest Gump的巧克力盒子一樣，你永遠(yuǎn)不知道會(huì)得到什么（或者會(huì)持續(xù)多長(zhǎng)時(shí)間）。我上調(diào)頻率（以便讓Jim有一個(gè)開(kāi)闊的空間去聯(lián)系其他人），通過(guò)麥克風(fēng)呼出“CQ”，看是否有其他電臺(tái)會(huì)回復(fù)。一松開(kāi)麥克風(fēng)按鈕，我就聽(tīng)到“WB2HTO，這是澳大利亞麥夸里港的VK2HOT，能聽(tīng)到嗎？”

真是匪夷所思。澳大利亞麥夸里港（又一次快速Google搜索）距離北庫(kù)克群島2000英里遠(yuǎn)。而我正和那里的人交談。在夜間。在一個(gè)照理說(shuō)不可能的頻段上。

從澳大利亞麥夸里港到波士頓的距離超過(guò)9,000英里

隨后我們快速交換了基本信息，并在我們還能聽(tīng)到對(duì)方的時(shí)候結(jié)束通信。與此同時(shí)，頻段繼續(xù)移動(dòng)。我只有兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)——北庫(kù)克群島和東澳大利亞，但看起來(lái)從波士頓的信號(hào)跳躍在向西移動(dòng)。我自然不會(huì)放過(guò)機(jī)會(huì)，繼續(xù)聯(lián)系其他人，但幾經(jīng)嘗試后，發(fā)現(xiàn)電離層中的神奇魔法秀已經(jīng)結(jié)束。也可能是沒(méi)有業(yè)余愛(ài)好者在恰當(dāng)?shù)牡胤胶颓‘?dāng)?shù)臅r(shí)刻聽(tīng)到我。

幾星期后，我收到了新朋友發(fā)來(lái)的郵件。這是一張QSL或確認(rèn)卡。這種卡如今大多是通過(guò)電子方式發(fā)送，但我很高興將它掛在我的無(wú)線電臺(tái)上，提醒我電離層深不可測(cè)，或者說(shuō)變幻莫測(cè)。

【工程師博客】變幻莫測(cè)：電離層歷險(xiǎn)記

本不可能聯(lián)系上的聯(lián)系人發(fā)來(lái)的確認(rèn)或QSL卡

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