Антенна величиной с Землю

Первые опыты по передаче простейших электромагнитных сигналов под водой проводились задолго до появления радио, но быстро заглохли. Новый виток экспериментов пришелся на 1830-е годы, когда ученые по обе стороны Атлантики независимо друг от друга трудились над созданием электрического телеграфа. В 1837 году англичане Уильям Кук и Чарльз Уитстон изобрели телеграф стрелочного типа, а год спустя американцы Сэмюэл Морзе и Альфред Вейл представили собственный аппарат. Обе системы получили распространение на соответствующих континентах. Первая экспериментальная телеграфная линия Морзе и Вейла, построенная между Балтимором и Вашингтоном, открылась 24 мая 1844 года. Жадная до новостей публика была в восторге: результаты выборов теперь облетали страну с молниеносной скоростью, тогда как раньше депеши доставлялись поездами. Морзе убедился в работоспособности своей идеи, а в ожидании субсидии на широкое коммерческое применение занялся менее глобальными вопросами. В частности, его интересовала возможность наладить телеграфную связь через реки. Перебрасывать кабель с одного берега на другой казалось не лучшим решением. Тогда Морзе и его компаньоны опробовали в устье реки Саскуэханна такую схему: вдоль берегов, удаленных друг от друга на 25 метров, они протянули два длинных провода, которые были соединены с медными листами, погруженными под воду у соответствующих берегов. Выяснилось, что если конец одного из проводов подключить к полюсу гальванической батареи, то на другой стороне реки регистрируется ток. Пресная вода служит естественным проводником электрического сигнала, заменяя провод между передающей и принимающей станцией. У Морзе даже возникла мысль установить таким способом сообщение между всеми городами, имеющими выход к побережью: заманчиво было избежать мороки с телеграфными столбами. Однако затея оказалась утопией. Обычная «проволочная» связь сохранила за собой господствующее положение, и еще почти полтора века никто не пытался использовать водную среду для передачи сообщений за счет электромагнитного поля. Но так не могло продолжаться вечно.

По окончании Второй мировой войны стратегам всего мира было ясно, что океан – не просто горизонтальное поле боя для ведения морских сражений на поверхности, но и одно из самых надежных на Земле укрытий. В скором времени военно-морской флот пополнился атомными подводными лодками, которые благодаря новейшим системам жизнеобеспечения могли месяцами находиться в погруженном состоянии, совершая практически кругосветные плавания. А поскольку океанская толща надежно глушит подавляющее большинство электромагнитных волн, это позволяло достичь почти идеальной скрытности: движение на глубинах свыше 100 метров полностью исключало возможность обнаружения субмарины. Имелась тут, само собой, и оборотная сторона: возможность спрятать атомоход от вражеских шпионских устройств автоматически обрубала экипажу связь с собственным командованием. А находившийся на суше генералитет, естественно, не хотел лишаться возможности доводить до подчиненных свои приказы… Словом, требовалось найти способ передавать подлодкам экстренные сигналы о необходимости всплыть на поверхность. Но какой сигнал способен проникнуть в океанские недра? И вот в 1968 году у ВМС США родилась идея проекта под кодовым названием «Сангвин» (Sanguine) – самого грандиозного в мире «радио»^[145].

Дерзость проекта в его первоначальном варианте поражала воображение и вместе с тем настораживала. Прежде всего, военным инженерам нужно было определиться с рабочей длиной волны. Они встали перед неизбежной дилеммой: с одной стороны, сверхдлинные волны сложнее генерировать, с другой – чем значительнее длина волны, тем больше дальность действия сигнала под водой^[146]. Волны, применяемые в обычном радиовещании, имеют максимальную длину порядка 10 километров^[147] и способны проникать в морскую воду лишь на несколько метров. Радиоволны с длиной до 100 километров, относящиеся к диапазону очень низких частот (ОНЧ), могут транслировать сигнал на глубину 40 метров. Если же мы хотим пробиться сквозь океанскую толщу более чем на 100 метров, потребуются радиоволны сверхнизких частот (СНЧ), имеющие длину порядка 10 000 километров. Для сравнения: окружность нашей планеты всего 40 075 километров. Иначе говоря, достаточно четырех СНЧ-волн, чтобы обогнуть по экватору весь земной шар.

Вторая проблема, с которой столкнулись разработчики проекта «Сангвин», заключалась в следующем: для эффективной генерации электромагнитной волны необходима антенна сопоставимого размера^[148]. Но как сделать передатчик таких габаритов? Инженеры решили, что он будет состоять из 10 000 километров заглубленных кабелей, проложенных в виде прямоугольной решетки, которая займет две пятых территории штата Висконсин. В качестве составной части антенны в таком случае используется сама Земля. Что касается питания линий, то для этого предполагалось построить сотню подземных электростанций. По задумке авторов, мощная радиоустановка должна была генерировать СНЧ-волны, способные распространяться на огромные расстояния в воздухе и обеспечивать связь с притаившимися в глубинах подлодками.

Политики, экологи, антивоенные активисты отреагировали резко и единодушно: ни о чем подобном не может быть и речи! Озабоченность вызывала не только баснословная стоимость системы, но и неизвестные последствия для окружающей среды и здоровья населения. Под давлением общественности военные отказались от первоначального плана и в последующие годы разработали несколько альтернативных, с каждым разом все больше сокращая проектную мощность. Наконец в 1981 году получил утверждение сравнительно «умеренный» вариант под названием Project ELF. Система, введенная в эксплуатацию в 1989 году, имела в своей основе два передатчика (один располагался в Висконсине, другой в Мичигане), что повышало ее экономичность по питанию, но в то же время снижало КПД. Общая протяженность воздушных линий электропередачи составила «всего» 135 километров. Установка генерировала сигналы с длиной волны 4000 километров^[149], которые можно было передавать на другой конец планеты, а всё благодаря особой области пространства между поверхностью Земли и нижней кромкой ионосферы (последняя начинается на высоте около 60 километров). Речь идет о промежуточной зоне, где радиоволны могут без труда распространяться на значительные расстояния. Не случайно там постоянно регистрируются сверхдлинные электромагнитные волны, источником которых служат удары молний – ежесекундно сотрясающие планету электрические разряды. И вот люди решили добавить к этим могучим природным раскатам собственное искусственное бормотание. Самая безумная из всех радиостанций наконец получила возможность выйти в эфир, и сигнал, хотя и слабый, действительно проникал сквозь океанскую толщу и мог приниматься подводными лодками на больших глубинах.

Одним из главных недостатков системы было то, что для нормальной передачи сообщений она не годилась: связь, основанная на использовании узкого диапазона сверхдлинных волн, работает чрезвычайно медленно. О голосовых сигналах сразу пришлось забыть; в лучшем случае можно было рассчитывать на неторопливую пересылку коротких закодированных команд в виде последовательности нулей и единиц. На передачу одного трехбуквенного кода уходило несколько минут. Коммуникация, разумеется, была односторонней: чтобы субмарина могла отправлять данные в ответ, ей понадобилось бы буксировать за собой собственную антенну в десятки километров длиной. Так что весь смысл радиолинии сводился, по сути, к возможности привлечь внимание экипажа. При нормальных условиях на борт транслировался стандартный код связи, который подлодка проверяла, оказываясь в радиусе действия передатчика. Если же береговое начальство хотело сообщить подводному кораблю какие-то особые инструкции, передавался специальный код, означающий приказ всплыть на поверхность: тогда субмарина поднималась из глубин и проводился сеанс связи по менее экзотическим каналам. Увы, ничего лучшего для передачи электромагнитных сигналов (света в широком смысле слова) сквозь океанскую толщу человечество придумать не в силах – законы физики не позволяют. СНЧ-установка получилась, прямо скажем, громоздкой, не говоря уже о непомерной стоимости и ограниченности в применении. В 2004 году проект был свернут. Руководство американских ВМС заявило, что ввиду развития альтернативных технологий связи необходимость в этой системе отпала^[150]. Учитывая масштабы передающей аппаратуры, удивительно, что она в принципе была построена. Исключительные усилия, которых потребовала реализация проекта, наглядно показывают, как непросто заставить свет проникнуть на сколько-нибудь заметную глубину под воду.

Когда мы любуемся ночным небосводом, то видим свет, который летел до нас сквозь Вселенную целые века, а то и тысячелетия. Покинув далекую звезду, этот вестник мчался сквозь пустоту космоса, затем преодолел земную атмосферу и ее защитные экраны и наконец с минимальными потерями достиг нашей планеты. Можно подумать, свет должен обладать почти неограниченными возможностями в плане передачи информации. Но так нам кажется только потому, что человеку дарована способность видеть мир во всех его красках и мельчайших оттенках. Мы самоуверенно принимаем доступное нам богатство зрительных образов как аксиому. На самом же деле это скорее аномалия: для распространения света и материи в природе подобная прозрачность и дальность вовсе не свойственны. И если тот же самый звездный свет упадет на поверхность океана, то физика водной среды позаботится о том, чтобы не пропустить его дальше.

Под водой видимое излучение и впрямь довольно быстро блокируется, но все же затухает оно не мгновенно. Этот факт имеет существенное значение для жизни морских экосистем и работы океанической машины в целом. Частичная доступность ресурса всегда интереснее, чем категоричное «всё или ничего», поскольку создает более многогранную, своеобразную и непредсказуемую картину. Так что свет, пусть и только отчасти, все-таки может считаться подводным вестником. Не стоит сбрасывать его со счетов просто потому, что он не способен заглянуть в каждый уголок океана.