[ 科學提問 ] 為什麼無線電信號在夜晚的傳輸距離比白天遠？

Matt T.問：

前陣子我在南加州接收到了華盛頓的廣播電臺信號，但只能在晚上接收到。在華盛頓我經歷過同樣的事情，晚上搜到了洛杉磯電臺，但是白天沒用。所以我的問題是為什麼無線電信號似乎晚上的傳輸距離比白天要遠？

並不是所有的無線電波在晚上要比白天晚上傳播得更遠，但一些短波和中長波，比如調頻(FM)廣播，在適當條件下是絕對可以的。這種情況的主要原因是信號與電離層的交互影響，以及從夜晚到白天如何交互變化有關。

電離層是海拔約50到600英裏的一層大氣。它的得名源於受太陽和宇宙輻射一直產生電離。簡單術語來說，太陽(和其他宇宙來源)產生的x射線、紫外線和比無線電波更短的波，當這些特定的光子被分子吸收，就會在這層大氣釋放電子。因為電離層(特別是在上層)的分子和原子密度非常低，能允許自由電子在最終重組前以這種方式存在很短的一段時間。大氣中海拔越低，分子的密度更大，這種重組會發生得越快。

這和無線電波有什麼關系呢？沒有干擾的話，無線電波從廣播源以直線的方式行進，最終達到電離層。然後會發生什麼取決於多種因素，其中最需要注意的是波的頻率和自由電子的密度。對於無線電波，給定合適的條件下，從本質上說，它們會在地面和電離層之間來回穿梭，傳播信號越來越遠。顯然電離層在地面廣播過程中發揮重要作用，但它不斷變化的特性讓事情就有趣了。要解釋清楚，我們不得不來點技術含量的，當然不會讓你算什麼數學題的，盡量降低復雜性。



不管在什麼情況下，電離層的成分在晚上變化最大，主要是因為太陽下山了。失去了電輻射來源，D和E水平(上圖)的電離層停止電離，但F地區(特別是F2)仍然完全電離。進一步來說，因為這裏的氣層比E和D區域明顯淡薄一些，它會產生更多的自由電子 (這是關鍵)。

當這些電子遇到一個強大的無線電波，他們會振蕩波的頻率，吸收一些無線電波的能量。如果有足夠多的電子，也可能發生在F層(當遇到電子的密度足夠的相對於特定的信號頻率)，並假設他們不只是和一些離子(更可能白天出現在E和D層)重組，這可以非常有效地並以足夠的強度折射信號回到地球。

基於以上這些條件，這個過程中信號可能在地面和電離層間重複幾次。因此，使用這個天波，而不是白天的地波，調頻廣播信號可以傳播至數千英哩。

當然，還有一個限制可能成為一個主要的問題，因為只有100多個可用無線電頻率(限制保持信號的干擾太多)，但在美國有5000多個調頻廣播電臺。到晚上，因為這些電臺信號可以傳輸如此之遠，都成了電臺干擾彼此的秘訣。因此，在晚上，美國無線電臺通常會降低信號力度直到第二天日出，或者使用定向天線來保證它們的特定信號不被其他電臺的相同頻率信號幹擾。另一方面，調頻電臺也不需要做什麼，電離層不會太影響他們的信號，反而帶來好處(或者壞處，看你怎麼想了)，對於那些受限的無線電波信號來說，可以依靠傳播。





Via：煎蛋


本帖最後由 lmfao12345 於 2015-4-14 15:33 編輯


[圖擷取自網路，如有疑問請私訊]