Представьте себе тихий весенний вечер 10 апреля 1933 года. Голландский инженер Бернард Теллеген, известный своими работами в Philips, с нескольких приемников слушает швейцарскую станцию из города Беромюнстера. Звучит чистая, красивая музыка. 

Но зачем Теллеген использует сразу несколько приемников? Чтобы исключить ошибку и влияние каждого из них. Ведь радиотехника не идеальна. А то, за чем Бернард охотится, на одном аппарате может быть вызвано проблемами в приемном тракте.

Но нет. На всех своих приемниках Теллеген слышит, как сквозь шум эфира, пробивается едва различимый, но отчетливый голос диктора. Диктор говорит на французском. Это программа «Радио Люксембург» — мощнейшей коммерческой станции, вещавшей на длинных волнах с передатчика в Юнглинстере. 

Как?! Частоты станций разделяли сотни килогерц, они не могли перекрываться в приемном тракте. Тем не менее, факт налицо. Создавалось впечатление, будто одна радиостанция “впечатывает” свою звуковую программу в сигнал другой.

Горький верит

Теллеген описал свое наблюдение в журнале “Nature”. Исходные данные были таковы: на длине волны 460 м слышалась модуляция мощной люксембургской станции, работавшей на длине волны 1190 м. Теллеген отдельно подчеркнул, что эффект наблюдался на разных приемниках, включая батарейный, удаленных от городских электрических помех. А значит, простое объяснение через кросс-модуляцию в самом приемнике не годилось. 

Теллеген предполагает, что виновник — ионосфера. Она ведет себя не как пассивное зеркало, а как активная среда, чьи свойства меняются под действием мощного излучения. 

Это подтверждала геометрия наблюдения. Теллеген специально отметил, что мощный передатчик в Люксембурге находился почти на прямой между Беромюнстером и Эйндховеном. Для случайной помехи внутри приемника это обстоятельство ничего бы не значило. А вот для ионосферного механизма — наоборот, было ключевой уликой. Такая конфигурация означала, что сигнал швейцарской станции по дороге к приемнику, вероятно, проходил через ту же область ионосферы, которую в такт своей модуляции «раскачивал» люксембургский передатчик. Иными словами, атмосфера вела себя не как пустая среда передачи, а как активный, параметрически изменяющийся участок тракта. И этот участок навязывал одному радиосигналу огибающую другого.

После выхода статьи, его теорию, равно как и сам эксперимент некоторые ставят под сомнение.

Однако, примерно в то же время похожие наблюдения были сделаны и в Горьком (ныне Нижний Новгород). Радиослушатели и исследователи отмечали появление чужой модуляции при приеме дальних станций, хотя их несущие частоты не совпадали. Это подтолкнуло советских физиков к более детальному изучению явления. 

Позже эффект прочно связали не только с Люксембургом, но и с Горьким. Советские физики, включая нобелевского лауреата Виталия Лазаревича Гинзбурга, активно взялись за разработку теории. Так родилось двойное имя — Люксембургско-Горьковский эффект (в западной литературе часто просто Luxembourg Effect), которое напоминает о двух первых географических точках, где он наблюдался. И от произношения которого можно сломать язык.

Это был настоящий вызов для науки. До этого такие нелинейные эффекты в ионосфере явно недооценивали. Казалось, что разные радиосигналы в основном распространяются независимо друг от друга и не должны заметно влиять один на другой. Но оказалось… впрочем, читайте дальше.

Как это работает

Конечно, разгадка была найдена. И теперь мы точно знаем, как это работает. Я постараюсь объяснить природу эффекта без сложных формул, максимально просто. Но точно. Как обычно, прошу прощения за некоторые упрощения.

Для начала давайте разберемся со сценой, на которой разворачивается наш детектив: ионосферой.

Ионосфера — это верхний слой атмосферы (примерно от 60 до 1000 км над землей), где обычный воздух под действием жесткого солнечного излучения переходит в состояние частично ионизированной плазмы. 

Простыми словами: ультрафиолет и рентген, приходящие от Солнца, выбивают электроны из нейтральных атомов и молекул. Создается настоящий коктейль из свободных зарядов. Именно наличие этих зарядов делает ионосферу критически важной для радиосвязи. 

Ионосфера неоднородна и непостоянна: она делится на несколько слоев (D, E, F), которые меняют свою плотность и высоту в зависимости от времени суток, сезона и солнечной активности. Для нас это означает, что канал связи, который мы строим, никогда не статичен. Это живая, дышащая среда, которую нужно постоянно учитывать. Именно в этой среде, как мы увидим дальше, и возникают те самые аномалии, способные свести с ума любого радиоинженера.

Ионосфера сильно влияет на распространение радиоволн, но по-разному в разных диапазонах. Для коротких волн она может обеспечивать дальнее распространение за счет отражения и преломления в верхних слоях. Для длинных и средних волн особенно важны не только условия отражения, но и поглощение в нижней, D-области ионосферы.

В свою очередь, проводимость ионосферы зависит от того, как часто свободные электроны сталкиваются с тяжелыми молекулами и ионами. А частота столкновений напрямую зависит от температуры и, следовательно, от скорости хаотического движения электронов.

А теперь внимание.

Мощная радиостанция (например, «Радио Люксембург» на частоте 234 кГц) излучает в эфир сигнал, модулированный звуковой частотой. Электромагнитное поле этой волны пронизывает ионосферу на высоте 80-100 км. Энергия волны передается электронам, разгоняя их. Скорость электронов увеличивается. Происходит локальный разогрев плазмы в такт с амплитудой мощного сигнала. В пиках модуляции разогрев сильнее, в паузах — слабее.

Из-за возросшей скорости электронов меняется и частота их столкновений. А это, в свою очередь, меняет проводимость плазмы. Она начинает пульсировать с той же самой звуковой частотой, что и передатчик в Люксембурге. Важный момент здесь в том, что мощная амплитудно-модулированная станция слегка меняет параметры нижней ионосферы — прежде всего в области поглощения.

Если через ту же возмущенную область проходит сигнал другой станции, его ослабление начинает меняться в такт модуляции мощного передатчика. В результате на амплитуде второго сигнала появляется слабая паразитная модуляция, повторяющая программу первого. Именно ее и слышит приемник. А мы слышим “Радио Люксембург” на частоте Швейцарской станции.

В результате приемник, настроенный, скажем, на 650 кГц, начинает воспроизводить не только программу своей станции, но и слабую паразитную аудиомодуляцию, пришедшую от мощного передатчика на другой частоте. Например, 230 кГц. Атмосфера сработала как огромный нелинейный элемент, как плохой диод в смесителе. Только вместо полупроводникового перехода — многокилометровый слой ионизированного газа.

Глубина такой перекрестной модуляции обычно невелика — от 1 до 2 процентов. Но в хороших условиях, когда мощная станция работает на полную катушку (сотни киловатт), а ионосфера спокойна, глубина может достигать и 10% . Этого более чем достаточно, чтобы опытный слушатель или чувствительный прибор уловил присутствие «призрака».

Гонка вооружений и научные дивиденды

Открытие эффекта имело далеко идущие последствия. Во-первых, это стало важным эпизодом в развитии радиофизики, физики плазмы и исследований ионосферы. В.Л. Гинзбург построил стройную теорию, которая позволила не только объяснить эффект, но и использовать его как инструмент для зондирования ионосферы. Измеряя параметры перекрестной модуляции, ученые получили возможность определять частоту столкновений электронов и их энергию .

Во-вторых, это дало инженерам новую головную боль. Люксембургско-Горьковский эффект стал еще одним пунктом в списке помех, которые нужно учитывать при проектировании радиолиний. 

Но главное — он посеял зерно грандиозной идеи. А что, если воздействовать на ионосферу целенаправленно?

Ведь если одна станция может локально изменить свойства ионосферы, то можно построить специальный «стенд», который будет греть ее на заказ. Это открывало перспективы для активных экспериментов с ионосферой: управляемого нагрева плазмы, исследований распространения радиоволн и прикладных задач связи и диагностики.

Так родились проекты по активному воздействию на ионосферу — от советских установок «Сура» под Нижним Новгородом (да, историческая родина эффекта снова заявила о себе!) до известного американского HAARP на Аляске. Один из ключевых режимов работы HAARP — это как раз создание искусственных пульсаций ионосферы для генерации сигналов сверхнизкой частоты (VLF), способных проникать в толщу океана для связи с подводными лодками. Это прямое техническое применение принципа, замеченного Теллегеном почти сто лет назад.

Памяти длинных волн

Увы, у этой увлекательной истории есть грустный финал. Для наблюдения эффекта нужна мощная модулированная станция на длинных или средних волнах. И если в 30-е годы таковых было предостаточно, то сегодня век длинных волн подходит к концу. Дорого, неэффективно, антенны огромны.

До недавнего времени в Европе была уникальная возможность понаблюдать за призраком вживую благодаря двум необходимым составляющим:

• «Модулятор»: RTL на 234 кГц (Люксембург). Мощный передатчик, наследник той самой исторической станции.

• «Носитель»: France Inter (позже ALS162) на 162 кГц (Аллуи, Франция). Этот передатчик долгое время работал в режиме, близком к немодулированной несущей (передавая только сигнал точного времени фазовой модуляцией) .

Идеальные условия! На 162 кГц — чистая несущая. А благодаря Люксембургско-Горьковскому эффекту, на ней появлялась слабая модуляция, в точности повторяющая программу RTL. Достаточно было включить SDR-приемник в Твенте (Нидерланды), переключиться в режим SSB (чтобы убрать мощную несущую и поднять слабый модулирующий сигнал), и вы могли услышать музыку RTL на частоте французской станции.

Но, по сообщениям радиолюбителей, RTL объявил о прекращении длинноволнового вещания в конце 2023 года. Эпоха уходит. Скоро этот эффект станет чисто историческим курьезом, достоянием архивов и книг по физике плазмы.

Для нас же, это явление остается символом сложности и нелинейности мира, в котором мы живем. Оно напоминает, что эфир — это не просто набор частот, а живая, дышащая среда, полная скрытых взаимодействий. И даже когда последний длинноволновый передатчик умолкнет, эффект, открытый в Люксембурге и объясненный в Горьком, продолжит жить в физике плазмы. И в нашей памяти как один из самых удивительных феноменов радиотехники. Впрочем, загадку этого феномена удалось раскрыть.

Послушайте тишину эфира на длинных волнах. Может быть, вам все же почудится в ней чей-то далекий, призрачный голос?

Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.