Meteoru izkliedes sakari: kā darbojas meteoru sprādzienu komunikācija

Meteoru sprādzienu komunikācijā tiek izmantoti radioviļņi, kas atstarojas no jonizētām pēdām, ko rada meteori, tiem ielidojot Zemes atmosfērā. To sauc arī par meteoru izkliedes komunikāciju. Tas ir īpašs radiosakarību veids, kurā tiek izmantoti īsi, neprognozējami atstarošanās notikumi no atmosfērā radušajām jonizētajām takām.

Kā rodas jonizētā pēda

Meteori ir iežu gabali, kas peld kosmosā. Zemes atmosfērā vienmēr nonāk meteori. Parasti tie sadeg atmosfērā. Dažus ļoti lielus, kas ietriecas Zemē, sauc par meteorītiem. Lielākā daļa meteoru ir tikai sīkas putekļu daļiņas. Kad tie iekļūst atmosfērā, gaisa berzes radītais siltums no tiem atrauj elektronus. Tas rada jonizētu pēdu. Šī taka var atstarot radioviļņus tādā pašā veidā kā vads.

Meteoru parasti ietrieciena augstums ir ap 70–120 km (mezosfērā un termosfērā). Atkarībā no meteora lieluma un ātruma jonizācijas blīvums var būt ļoti atšķirīgs. Ir divi galvenie takas tipi:

Underdense (retās) takas — tās ir plānas, atstarošana ir īslaicīga (daži milisekunžu līdz dažsimt milisekunžu garumā) un bieži izmantojas impulsa veida sakariem.
Overdense (biezās) takas — radās no lielākiem fragmentiem; tās var saglabāties vairākas sekundes vai pat ilgāk, un nodrošina spēcīgāku, ilgstošāku atstarošanu.

Tehniskais princips un darbības režīmi

Meteoru sprādzienu saziņai izmantojamā meteoru masa parasti ir no vienas tūkstošdaļas līdz vienai simtajai daļai no grama. Meteori, kas ir mazāki par šo lielumu, ir pārāk vājas jonizācijas radīšanai; lielāki ir retāk sastopami. Jonizētā pēda darbojas kā īslaicīgs atstarotājs — bieži tas ir forward scatter (uz priekšu atstarošana) starp stacijām, kas atrodas aiz horizonta viena otras attālumā. Tipiska attāluma zona, ko iespējams pārklāt ar meteoru izkliedi, ir aptuveni 500–2 000 km.

Meteoru komunikācijai parasti izvēlas VHF frekvences, jo tās labāk atstaro no šādām takām. Praktiskā darbībā izmanto frekvenču joslas desmitiem līdz pāris simtiem megahercu; vēsturiski bieži darbojas ap 30–50 MHz, bet tiek lietotas arī citas VHF frekvences.

Pārraide un protokoli

Jonizētā pēda var saglabāties no milisekundēm līdz vairākām sekundēm. Šajā laikā starp divām radiosakaru stacijām var nosūtīt ziņojumus. Svarīgi saprast divus aspektus:

Īsā laika logā pārraides ātrums var būt relatīvi liels — iespējams nosūtīt vairākus baitu vai pat teksta rindas vienā uzliesmojumā. Tomēr kopējais datu daudzums uz laika vienību (throughput) ir zems, jo jar gaida nākamo meteoru uzliesmojumu.
Abām stacijām, kas vēlas sazināties, būs jābūt pastāvīgi gatavām uztvert un raidīt, jo tās nekad precīzi nezina, kad pienāks nākamais sakaru uzliesmojums. Tādēļ izmanto speciālus protokolus ar atkārtotu pārsūtīšanu (store-and-forward), buferizāciju un nelielu paketu izmēru.

Teksta vai telemetrijas ziņojumi parasti tiek sūtīti kā īsi, kļūdu koriģēti paketi. Meteora sprādziena laikā ar telemašīnu var uzrakstīt vairākas teksta rindas, ja taka ir pietiekami blīva un ilgstoša. Taču bieži vajadzīgs izmantot vairākus meteoru uzliesmojumus, pirms tiek saņemts viss ziņojums vai tiek apstiprināta saņemšana.

Lietojumi un ierobežojumi

Meteoru sprādziena komunikāciju pirmo reizi plaši izmantoja pagājušā gadsimta 50. gados. Tā bija īpaši noderīga militārajiem sakariem, jo uztvērējs nevarēja precīzi noteikt, no kura virziena ziņojums ir atnācis. Tas bija tāpēc, ka ziņojums pa ceļam tika atstarots, tāpēc tas netika raidīts taisnā līnijā (t. i., vienkāršā lielā aplī ap Zemes izliekumu). Militāriem lietojumiem pievilcīga bija arī robustuma un zema enerģijas patēriņa kombinācija, kā arī teoretiska pretestība dažiem traucējumu veidiem.

Mūsdienās, 20. gadsimta beigās un 21. gadsimtā, pateicoties pieejamiem sakaru satelītiem un globālajām datu tīkla iespējām, meteoru sprādzienu komunikācija kļuvusi retāka. Tomēr tai ir šādi nišas pielietojumi:

telemetrija un dati no attālinātiem sensoriem bez piekļuves citām infrastruktūrām;
pētniecības projekti un astronomiskie novērojumi;
zemas izmaksas un energoefektīvi līdzekļi vietās, kur nav pieejami satelīti vai stacionārie tīkli;
slapsto darbi un bojas — raidītājus bieži vien novieto uz bojas jūrā, kur tradicionālie sakari var nebūt pieejami.

Praktiskie apsvērumi

Lai izmantotu meteoru izkliedi praktiski, nepieciešama specializēta aparatūra un vadības programmatūra, kas spēj:

ātri noteikt atstarošanās sākumu un aktivizēt pārraidi,
adaptīvi pielāgot jaudu un modulāciju atkarībā no takas stipruma,
arī veikt automātisku atkārtotu pārsūtīšanu, ja ziņojums netiek pilnībā saņemts.

Galvenie ierobežojumi ir sakaru neprognozējamība, lielas kavēšanās iespējamas (jo jāgaida nākamais uzliesmojums) un ierobežota vidējā datu plūsma. Tāpēc meteoru izkliedes komunikācija ir vispiemērotākā nelielu datu apjomu pārsūtīšanai uz attāliem punktiem, kur citkārt nav alternatīvu sakaru.

Kopumā meteoru izkliedes komunikācija ir interesants piemērs tam, kā var izmantot dabiski radušos atmosfēras procesus praktiskām sakaru vajadzībām — īpaši tur, kur nepieciešama zema enerģijas patēriņa, vienkāršas un relatīvi lētas sakaru sistēmas alternatīva. Tomēr mūsdienu globālo sakaru infrastruktūru dēļ tās izmantošana ir kļuvusi specializētāka un retāka.

SNOTEL izmantotā meteoru izkliedes izplatība

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir meteoru lietus saziņa?

A: Meteoru lietus komunikācija ir radiosakaru veids, kurā izmanto radioviļņus, kas atstarojas no jonizētajām pēdām, ko veido meteorīti, tiem nonākot Zemes atmosfērā. To dēvē arī par meteoru sprādziena komunikāciju.

J: Kas ir meteorīti?

A: Meteori ir kosmosā peldoši iežu gabali. Parasti tie sadeg atmosfērā, bet lielākus gabalus, kas nokrīt uz Zemes, sauc par meteorītiem. Lielākā daļa meteorītu ir tikai sīkas putekļu daļiņas.

J: Kā darbojas meteoru lietus komunikācija?

A: Kad meteorīti nokļūst atmosfērā, gaisa berzes radītais siltums atņem elektronus un rada jonizētu pēdu. Šī taka var atstarot radioviļņus tāpat kā vads, ļaujot nosūtīt ziņojumus starp divām radiostacijām ļoti lielā ātrumā (aptuveni 200 reižu ātrāk nekā parastie īsviļņu radio). Abām stacijām ir jābūt nepārtraukti gatavām, jo tās nekad nezina, kad pienāks nākamais ziņojumu pieplūdums.

J. Kāda izmēra meteoriem ir jābūt, lai tie varētu nosūtīt ziņojumus?

A: Meteoru sprādzienu ziņojumos izmantotajiem meteoriem jābūt no tūkstošdaļas līdz simtdaļai no grama - mazāki meteori ir pārāk vāji, lai tos izmantotu, bet lielāki meteori nav pietiekami bieži.

J: Cik ilgi saglabājas jonizētā pēda?

A: Jonizētā dziesma var ilgt vairākas sekundes, un šajā laikā starp divām radiostacijām var nosūtīt ziņojumus.

J: Kad pirmo reizi tika plaši izmantota saziņa pa meteoru pēdām?

A: Meteoru lietus sakari pirmo reizi tika plaši izmantoti pagājušā gadsimta 50. gados, un tie bija īpaši noderīgi militārajiem sakariem, jo tie nenotiek taisnā līnijā (t. i., tie iet pa lielu loku ap Zemes loku).

J: Kāpēc mūsdienās saziņa par meteoru lietusgāzēm ir retāka?

Atbilde: 20. gadsimta beigās, kad tika sākti izmantot sakaru satelīti, meteoru lietus saziņa mūsdienās ir kļuvusi mazāk izplatīta, jo, pateicoties citu tehnoloģiju pieejamībai, tie vairs nav tik ļoti vajadzīgi.