作者：DavidHTO

你是否在晚上聽過AM廣播，思索你如何能聽到遠方的電臺，但白天卻聽不到？科學家和研究人員同樣感到疑惑，他們花了數十年時間試圖了解我們上空發生了什么事情導致無線電信號在夜間“跳出來”。由此引出了更多問題，例如：為什么在一天的同一時間從同一地點發出的頻率不同的信號會跳過更長或更短的距離？或者，在一天的同一時間從同一地點以相同頻率發出的信號，為什么在不同季節里會有不同表現？又或者，即使所有上述條件（地點、時間、頻率和季節）都相同，為什么信號在某些年份里可以環游世界，但幾年之后只能傳播幾十英里？最后，知道所有變量之后，我們能否預測電離層的行為及其對通信的影響？

當然可以。

但是我們做不到。

首先，快速了解一下歷史，以便把這兩個看似矛盾但實則準確的答案放到一個大背景中去看待。人類早已觀察到，自由運動的磁化物體會指向北方，這一事實很早就被人類用于航海活動。1839年，一位名叫Frederick Gauss的科學家提出，地球上方有一個帶電荷的空間區域，正是它引起了“指北”運動。在接下來的幾十年中，更多的假設和理論被提出，并進行了一些實驗，由此發展出早期的無線通信，稱為“火花隙”。這個名字非常形象。大家知道，在冬天，當觸摸金屬物體或其他人時，你會感受到輕微的電擊。這本質上就是火花隙。當早期實驗者（例如Guglielmo Marconi）找到如何從遠處探測火花的方法時，無線電通信（使用Samuel Morse代碼的某種變體）即告誕生。

火花隙有很多缺點，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。接下來發生的事情讓我想到多米諾骨牌，一張一張相繼倒下，此時對于無線電的發展和我們對電離層的了解是最好的時機。第一張多米諾骨牌是1912年“無線電法案”的通過。1912年“最先進”的無線電技術是火花隙，其產生的信號頻率在1200 KHz以下（基本上是當今AM無線電頻段的中部），因此該法案慷慨地將1500 KHz以上的頻譜交給了實驗者和業務無線電愛好者，國會輕率地認為這部分頻譜毫無用處。

位于新西蘭Awanui電臺的火花隙發射機。請注意此照片右下方的鼓風機。這些高功率電臺的溫度很高。非常高。

聽到聲音了嗎？這是另一張多米諾骨牌倒下的聲音，因為就在第一次世界大戰爆發之前，Lee DeForest、Walter Schottky和其他人在真空管方面的開創性工作使得所設計的發射器能夠產生某種音調，不再只是靜電聲。這被稱為連續波或CW。現在，負擔不起商用和軍用火花隙電臺那樣極其強大的發射器和大型天線的業余實驗者，可以利用低得多的功耗和較小的天線通過連續波相互聯系。這些實驗者也開始注意到，他們能否聯系到遠方電臺取決于一天中的時間和頻率。利用這種經驗，業余愛好者很快在美國東海岸與歐洲，以及西海岸與夏威夷之間建立起了創紀錄的連接。現在又要倒下一張多米諾骨牌：國會法定的1500 KHz頻率充斥著大量信號，異常擁擠。因此，業余愛好者開始嘗試能在更高頻率下運行的新一代電子管。

現在，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，實驗者發現較遠距離的通信在一天中的某些時間更容易實現。采集的數據越來越多（業余無線電愛好者善于保管記錄的名聲享譽世界，這使業余無線電成為一個全球性實驗），物理學家加以整理和分析后，于1923年得出結論：Gauss于87年前假設的電離層應對此現象負責。現在，幾件事情的發生導致一連串的多米諾骨牌開始倒下。

首先，早期被認為是玩具的無線電很快具備了商用可行性。全國各地建設了數以百計的地方電臺，其所有者樂意將廣播時間出售給當地的五金店、飼料商店、福音傳教士和專利藥品小販，所有這些人都很高興付錢向成千上萬的潛在皈依者和顧客進行宣傳。聽眾激增，許多制造商進入無線電接收機市場，包括廉價礦石收音機供應商；通過礦石收音機，家里沒有電力的人也能聽到這些廣播。

沒有電力？礦石收音機沒問題！

政府很快意識到，這個新行業需要有一個專門組織來監管，以馴服這個新的“狂野西部”，因此在1926年成立了聯邦無線電委員會。一年后，1927年無線電法案獲得通過，決定收回1500 KHz以上的頻率（政府在1912年視其為無用頻譜），并將其分配給商業、業余、軍事和其他政府服務。這就把成千上萬的技術人員和實驗者投入到頻譜研究中，設計更高效的發射器和性能更好的電子管，收集了大量無線電接收數據。1926年，在Oliver Heaviside、Arthur Kennelly等理論家和物理學家的工作基礎上，物理學家Robert Watson-Watt首先使用術語“電離層”來描述無線電信號在大氣層中傳播或“跳躍”（這個詞在聽眾中更流行）的地方。

他們發現，在適當頻率和一天中適當時間工作的無線電臺，可以在數千英里之外聽到，甚至遠涉重洋。一戰結束后，歐洲的緊張局勢一直在升溫，一些政府對此發現加以利用。德國和英國這兩個處于無線電研究前沿的國家，建立了可以在美國收聽到的電臺，讓他們能夠將其觀點不經過濾地傳播到全世界——這與今天使用Twitter和其他社交媒體的方式差不多。受市場驅動，消費無線電制造商不久就在其無線電中包含了一個或多個短波波段。這意味著，許多收聽富蘭克林·羅斯福“爐邊談話”的美國人，也能通過短波聽到希特勒、丘吉爾和其他外國領導人的講話，這要歸功于信號在電離層中的跳躍。

1936年Zenith 6-S-222型“立方體”收音機，有三個無線電波段

第二次世界大戰結束后，電離層跳躍對地緣政治的重要性愈發提高，因為冷戰雙方建立了龐大的短波電臺，通過高達一百萬瓦的電力來頌揚己方政治制度的優勢和另一方的劣勢。然而，我們對電離層的理解，特別是我們預測電離層中信號行為的能力，對于火箭（無論是將核彈運送到敵方的火箭，還是將人發射到太空軌道的火箭）開發者來說，發展得還不夠快。但人們關注的不僅僅是電離層。基于早在20世紀初期進行的觀察，科學家們推測在電離層之外有一個帶電粒子區域。1958年1月，探險者1號（美國第一顆到達軌道的衛星）上的實驗證明了所謂Van Allen輻射帶的存在。

對Van Allen帶的早期觀測證實了科學家們的推測，即距地球9300萬英里的太陽在產生由帶有粒子組成的“太陽風”，其會在不同的時間以不同的強度推擠Van Allen帶。雖然對它可以做一定的預測（例如太陽黑子周期為11年），但太陽耀斑的突然出現是非常難以預測的。因此，簡單算算就會知道，從輻射帶的發現到太陽的影響，還有幾十個變量需要添加到電離層跳躍預測方程早已很長的變量列表中（頻率、一天中的時間、一年中的時間等等）。這會是一個多么可怕的方程啊！（別擔心，我不會拋出我處理不了的數學方程......因此本文一個方程也沒有。）

在這篇文章的最開始，我問我們能否預測電離層對通信的影響。我當時的回答是：“當然可以。”然后我說“但是我們做不到。”希望大家能明白，我并沒有刻意回避。事實是，即使在今天，經過180多年的理論探究、測試和數據收集（來自地面和太空觀測），當要求物理學家和數學家們為電離層中發生的事情給出一個明確的預測模型時，他們也只能兩手一攤，告訴我們下面這個詞：

stochastic：/st??kastik/ 形容詞

這個詞源于希臘語，意思是“隨機確定；具有隨機概率分布或模式，可以進行統計分析，但可能無法準確預測。”這對我們來說意味著，不應該使用排列有序的多米諾骨牌來類比電離層，而應該使用骰子游戲，愛因斯坦說上帝不擲骰子是錯的。上帝不僅擲骰子，而且不斷玩出新花樣。

我是從個人經驗了解到這一點的，我本人是一名業余無線電操作員。介紹完所有背景，我想告訴大家我的一些親身經歷。首先，業余愛好者總是希望提高其與遠方其他愛好者取得聯系的幾率（業余愛好者的行話稱之為DX），并且有許多在線工具提供有關電離層跳躍的預測報告。這是此類報告的一個例子，發布在美國無線電中繼聯盟網站上發布，當把我們討論的所有變量放入一個工具中時，它會顯示結果，繪制世界上任何兩個地方（本例中是美國東海岸與東歐）之間的預測活動圖：

資料來源：美國無線電中繼聯盟

此圖的豎直軸為頻率，以MHz為單位（例如，1030的AM電臺將位于1.3）；水平軸是本月中的任何24小時周期（UTC，過去稱為格林威治標準時間）。這就是為什么我們必須把多米諾骨牌換成骰子的原因，因為三條不同的彩色線條僅表示在特定時間和頻率時兩個業務愛好者在地球上的這兩個地方之間可以建立聯系的概率。紅色代表10%的幾率，綠色代表50%的幾率，藍色代表安全賭注（有點像使用莊家的錢），兩個業余愛好者在給定時間和頻率可以相互聽到的概率超過50%。

根據該圖，如果我在早上8點將收音機調到14 MHz，我有50/50的機會與布拉格的一位業余愛好者取得聯系。在同一時間，如果以10 MHz的頻率發射，那么建立聯系的幾率會更高。如果是18 MHz，聯系幾率將降至十分之一。因此，早上8時用18 MHz不是嘗試建立聯系的好選擇。但我們同時發現（沿著綠線看），在當天晚些時候，18 MHz的聯系幾率會提高。六個月后回來看，當北半球以不同角度向太陽傾斜時，此圖表會有所不同。六年半（太陽黑子周期的另一半）后再回來，此圖表看起來也會大不相同。

所以，感謝Gauss、Heaviside、Van Allen和其他人所做的開創性工作。感謝那些從衛星、無線電信標、太陽觀測站和其他來源收集數據以創建此報告及其他報告的人們。但你知道嗎？對于我們這些在電離層沖浪的人來說，這些報告是很好的指南，但我對電離層跳躍的變幻莫測有切身經驗，有時候，即使所有的圖表和報告都指示某種狀況，實際結果卻是另一番狀況。

2010年，太陽處于太陽黑子周期的低點，這意味著電離層不利于信號跳躍，尤其是28 MHz頻段。數據顯示，在UTC時間0200（美國東部時間晚上9點，這里是馬薩諸塞州），與幾英里之外的人取得聯系的概率非常低。打開收音機之后，我已經準備好接受事實，但在關閉收音機之前，我決定調遍整個頻段以防萬一。突然間，我聽到一個聲音，起初很弱，但很快變得越來越強。盡管他的信號很弱，但我可以分辨出他正在呼叫CQ——在業余無線電領域，它代表“有人能聽到我嗎？”在20秒內，好像他就在我旁邊的房間里一樣。

“這是北庫克群島的E51JD，呼叫CQ并收聽呼叫。”

等等，什么？這不可能。北庫克群島（...在Google地圖上快速查找...）遠在7,000英里之外。圖形和表格說......好吧，萬一......“E51JD，這是馬薩諸塞州的WB2HTO，收到了嗎？”

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

這樣，我們開始了交談，雖然圖形和表格說我不應該能與那個位置取得聯系。交流很短暫，僅交換了基本信息（信號報告、姓名和其他一些細節），因為信號剛要增強便開始減弱了。所以趁我們還能聽到彼此，我們很快結束了通信。我們一結束，我就聽到其他電臺試圖聯系Jim，但電離層瞬息萬變，不知道是否有其他人聯系到他。我只是在正確的時間和正確的頻率利用了物理學家所稱的零星的E開口，“E”指的是電離層有時發生的隨機效應。

當電離層出現這種狀況時，就像Forrest Gump的巧克力盒子一樣，你永遠不知道會得到什么（或者會持續多長時間）。我上調頻率（以便讓Jim有一個開闊的空間去聯系其他人），通過麥克風呼出“CQ”，看是否有其他電臺會回復。一松開麥克風按鈕，我就聽到“WB2HTO，這是澳大利亞麥夸里港的VK2HOT，能聽到嗎？”

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

從澳大利亞麥夸里港到波士頓的距離超過9,000英里

隨后我們快速交換了基本信息，并在我們還能聽到對方的時候結束通信。與此同時，頻段繼續移動。我只有兩個數據點——北庫克群島和東澳大利亞，但看起來從波士頓的信號跳躍在向西移動。我自然不會放過機會，繼續聯系其他人，但幾經嘗試后，發現電離層中的神奇魔法秀已經結束。也可能是沒有業余愛好者在恰當的地方和恰當的時刻聽到我。

幾星期后，我收到了新朋友發來的郵件。這是一張QSL或確認卡。這種卡如今大多是通過電子方式發送，但我很高興將它掛在我的無線電臺上，提醒我電離層深不可測，或者說變幻莫測。

【工程師博客】變幻莫測：電離層歷險記

本不可能聯系上的聯系人發來的確認或QSL卡

本文轉自：