Рис. 3.2. Виды рефракции радиоволн в тропосфере:

1 – отрицательная рефракция; 2 – положительная рефракция; 3 – критическая рефракция; 4 - сверхрефракция

     При сверхрефракции радиоволны, из­лученные под небольшими углами возвыше­ния, испытывают в нижних слоях тропосфе­ры полное внутреннее отражение и воз­вращаются к поверхности Земли. При последовательных отражениях от земной по­верхности радиоволны могут распростра­няться на значительные расстояния за пре­делы «прямой видимости».

     3.4. Поглощение радиоволн в тропосфере

     Длинные, средние и короткие радиовол­ны не испытывают поглощения в тропо­сфере.

    Для волн короче 10 см ослабление ра­диочастотной энергии в тропосфере начинает заметно увеличиваться. Это вызывается поглощением и рассеянием на капельных образованиях или гидрометеорах  (главным образом в дожде, тумане; меньше влияют град, снег), а также на твердых частицах (пыль, дым и т. д.). Поглощение вызывает­ся тепловыми потерями в частицах воды или пыли, а потери на рассеяние обуслов­лены перераспределением энергии в прост­ранстве.

     Если волна проходит в тропосфере путь r причем на зону осадков приходит­ся расстояние   , то напряженность поля за  зоной осадков    Em oc   определяется  по  формуле:

                                                   (3.6)           

где Em св— напряженность поля в свобод­ном пространстве на расстоянии r от  излу­чателя (1.1);

Гoc   - коэффициент    ослабления,   дБ/м.

     Зависимость коэффициента ослабления  Гoc от длины волны при распространении сантиметровых и  миллиметровых волн в дожде и тумане      представлена  на     (рис. 3.3).

     Сантиметровые радиоволны рассеиваются капельками дождя и тумана, что приво­дит к появлению отраженных радиолока­ционных сигналов. Отраженные сигналы от дождя и туч занимают большую площадь на экранах радиолокационных станций, чем мешают нормальной работе этих станций. Для ослабления отражений от дождя на радиолокационных станциях применяют ра­диоволны с круговой поляризацией.

Рис. 3.3. Зависимость коэффициента поглощения от длины волны для дождя и тумана разной интенсивности:

а – моросящий дождь ( 0,25 мм/ч); б – слабый дождь (1 мм/ч); в – умеренный дождь ( 4 мм/ч); г – сильный дождь (15 мм/ч); д – слабый туман с водностью 0,03 г/м3 (видимость около 600 м); е –средний туман с водностью 0,3 г/ м3 (видимость около 120 м); ж – сильный туман с водностью 2,32 г/м3 (видимость около 30 м)

Рис. 3.4. Зависимость коэффициента поглощения в кислороде и водяных парах от длины волны

   Радиоволны короче 3 см испытывают также молекулярное поглощение в кисло­роде и парах воды, наблюдаемое даже в условиях «чистой» атмосферы и вызывае­мое затратами энергии на возбуждение ато­мов.  Коэффициент ослабления   можно определить с помощью графиков на (рис. 3.4), а напряженность поля    Em на расстоянии  рассчитать по формуле:

Наиболее интенсивное поглощение наблю­дается    на    волнах  0,25; 0,5;  1,35 см—эти волны непригодны для работы. «Окна про­зрачности» атмосферы имеются вблизи волн длиною 0,4 и 0,8 см — эти волны рекомендуются для работы в сантиметровом диапазоне.

3.5. Вопросы для самопроверки

     1. Поясните особенности состава и строения тропосферы.

     2. Что такое нормальная тропосфера?

     3. Как    связана    диэлектрическая   проницаемость   тропосферы   с метеорологическими условиями?

     4. Какова природа мелких неоднородностей тропосферы.

     5. Как объяснить наличие явления рефракции в тропосфере.

     6. Как зависит радиус кривизны траектории волны от диэлектрической проницаемости?

     7. Для  чего вводится понятие эквивалентного радиуса земли?

     8. Какие  условия  необходимы  для  возникновения  сверхрефракции радиоволн?

     9. Какие виды рефракции существуют? Поясните особенности каждого из видов.

     10. За  счет  каких  факторов  происходит  поглощение  радиоволн  в тропосфере?

     11. Что такое “окно прозрачности “ атмосферы?

4.  ИОНОСФЕРА И  ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ   РАДИОВОЛН

     4.1. Ионизация и рекомбинация газа в  ионосфере

     Ионосферой называют область атмосфе­ры, находящуюся на высоте 60—10 000 км, где газ частично или полностью ионизиро­ван, т. е. содержит большое число свобод­ных электронов. Наличие в верхних слоях атмосферы свободных электронов опреде­ляет электрические параметры ионизирован­ного газа — его диэлектрическую проницае­мость  и проводимость  .

     Число электронов, содержащихся в еди­нице объема воздуха, называется элект­ронной       плотностью        ().

     Электронная и ионная плотности ионо­сферы непостоянны по высоте, что приво­дит к преломлению и отражению радио­волн в ионосфере.

Объемные неоднородности ионизирован­ного газа вызывают рассеяние радиоволн. Указанные явления определяют условия распространения радиоволн в ионосфере и в одних случаях могут быть использованы, а в других должны быть учтены при работе радиолиний. В связи с этим возникла не­обходимость изучения строения ионосферы и свойственных ей регулярных и случай­ных изменений.

     Ионосфера в целом является квази­нейтральной, т. е. количества имеющихся в ней положительных и отрицательных за­рядов равны. Состав газа в этой области атмосферы отличается от состава газа вблизи поверхности Земли: помимо моле­кулярных кислорода и азота имеются ато­мы этих веществ, причем газы не переме­шиваются и располагаются слоями в соот­ветствии с их молекулярной массой.

     Температура газа, начиная с высоты h = 80 км, плавно возрастает, достигая 2000—3000 К при  h = 500600 км. Воз­растание температуры с высотой в области ионосферы объясняется тем, что воздух здесь нагревается непосредственно излуче­нием Солнца.

     Основным источником ионизации зем­ной атмосферы являются электромагнитные волны солнечного излучения длиной короче 0,1 мкм — нижний участок ультрафиолето­вого диапазона и мягкие рентгеновские лу­чи, а также испускаемые Солнцем потоки заряженных частиц. Ультрафиолетовые и рентгеновские лучи производят ионизацию только на освещенной части земного шара и более интенсивно в приэкваториальных областях. Заряженные частицы движутся по спиральным линиям в направлении магнит­ных силовых линий к магнитным полюсам земного шара и производят ионизацию глав­ным образом в полярных областях. Счита­ют, что ионизирующее действие потока час­тиц составляет не более 50% ионизирующе­го действия ультрафиолетового излучения Солнца.

     Помимо Солнца источником ионизирую­щего излучения являются звезды, особенно те, которые обладают высокой температу­рой (около    20 000°С) и создают интенсивное ультрафиолетовое излучение. Но из-за большой удаленности звезд ионизирующее действие их излучения составляет примерно 0,001 часть ионизирующего действия Солн­ца. Ионизацию создают также метеоры, вторгающиеся в земную атмосферу со ско­ростями 11—73 км/с. Кроме повышения среднего уровня ионизации метеоры созда­ют местную ионизацию: за метеором обра­зуется столб ионизированного газа, который быстро расширяется и рассеивается, суще­ствуя в атмосфере от одной до нескольких секунд. Такие ионизированные следы метео­ров образуются на высоте 80—120 км над земной  поверхностью.

      Одновременно с появлением новых электронов в ионосфере часть имеющихся электронов исчезает, присоединяясь к поло­жительным и нейтральным молекулам. При этом образуются нейтральные молекулы и отрицательные ионы.

    Процесс воссоединения заряженных частиц и образования нейтральных моле­кул называется   рекомбинацией.

     После прекращения действия источника ионизации электронная плотность спадает по гиперболическому закону. Поэтому с за­ходом Солнца ионизация в нижних слоях ионосферы исчезает не мгновенно, а в верх­них слоях — сохраняется в течение всей но­чи.

     4.2. Строение ионосферы

     Общая   картина     распределения     элек­тронной плотности по высоте h над земной поверхностью изображена на (рис. 4.1). На высоте 250—400 км, имеется основной максимум ионизации. Область ионосферы ниже основного максимума ионизации принято называть внутренней ионосферой, а область ионосферы выше основного мак­симума — внешней ионосферой. Наиболее изучена внутренняя ионосфера.
Во внутренней ионосфере существуют не­сколько неярко выраженных максимумов концентрации электронов, условно называемых слоями (областями), которые принято обозначать символами D, E, F1 и F2. Области ионосферы D, Е и F1 обладают доста­точно высоким постоянством, проявляющим­ся в том, что суточный ход изменения электронной концентрации и высота их располо­жения сохраняются почти неизменными. С наступлением темноты из-за быстрой ре­комбинации исчезают области D и F1. В то же время электронная концентрация области Е сохраняет постоянное значение в те­чение всей ночи.

     В области F2 электронная концентра­ция и высота расположения максимума значительно изменяются день ото дня. При этом ионизация различна в летнее и зим­нее время. Зимой (в северном полушарии) электронная концентрация в этой области увеличивается. Суточный ход электронной концентрации области  F2 зависит также от геомагнитной широты (расстояния в граду­сах дуги от магнитного экватора Земли до точки наблюдения).

     Ионосфера неоднородна и в горизон­тальном направлении. Максимальные гори­зонтальные градиенты электронной плотно­сти наблюдаются во время захода и восхо­да Солнца, но они существенно меньше вер­тикальных градиентов.

    Наряду с рассмотренными регулярны­ми областями ионосферы иногда на высоте 95—125 км образуется так называемый спо­радический слой Е (слой ), в котором электронная концентрация в несколько раз превышает концентрацию области Е. Слой  в средних широтах чаще образуется днем в летние месяцы. В полярных же районах слой  возникает в основном в ночное время.

     Поскольку солнечное излучение является основным источником ионизации атмосфе­ры Земли, то от активности Солнца зависит
и процесс ионизации. Замечено, что актив­ность Солнца изменяется с периодичностью в 11 лет. Критерием солнечной активности служит относительное число солнечных пя­тен, которое характеризует площадь поверхности Солнца, имеющую наиболее высокую температуру. В  настоящее время разработаны методы прогнозирова­ния числа солнечных пятен на много лет вперед и более точно на ближайшие годы. Прогнозирование    числа    солнечных  пятен важно в связи с тем, что электронная плот­ность ионосферы коррелированна со средне­месячными     числами     солнечных     пятен. Максимум электронной концентрации увели­чивается в 1,4—3 раза при переходе от ми­нимума к максимуму солнечной активности.

      Регулярная слоистая структура ионо­сферы временами нарушается, причем эти нарушения вызваны изменением деятельно­сти Солнца, наблюдающимся особенно час­то в годы максимума солнечной активности. Происходящие на Солнце время от времени вспышки являются причиной из­вержения потоков заряженных частиц, попадающих в атмосферу Земли и нарушающих нормальный режим ионизации ионо­сферы.   Структура ионосферы   нарушается также под действием процессов, происхо­дящих в коре Земли и нижних слоях атмосферы, например во время извержения вул­канов.

Рис. 4.1. Распределение электронной

плотности по высоте атмосферы

 Изменение ионизации сопровождается изменением магнитного поля Земли и это явление носит название ионосферно - магнитной   бури. Во время ионосферно-магнитной бури понижается элек­тронная плотность в области слоя F. На­рушения этого вида могут длиться от нескольких часов до двух суток и происхо­дят главным образом в приполярных районах.

     Временами на Солнце происходят вспышки интенсивного ультрафиолетового излучения, вызывающего повышенную иони­зацию нижней ионосферы в слое D. Это явление может длиться от нескольких ми­нут до нескольких часов и происходит толь­ко на освещенной  стороне  земного  шара.

     Исследования показали, что помимо регулярных и нерегулярных изменений средних величин электронной плотности в ионосфере происходят непрерывные флук­туации электронной плотности. В ионосфере непрерывно происходят сгущения и разря­жения плотности ионизации, нерегулярные как во времени так и от точки к точке. Кро­ме того, под действием ветров вся неодно­родная структура ионосферы перемещается. Причинами образования неоднородностей в ионосфере являются турбулентное движение воздуха и неоднородность ионизации.

     Неоднородности представляют собой некоторые области с электронной плотно­стью, отличной от среднего значения элек­тронной плотности на данной высоте ионо­сферы. Размеры неоднородностей на высо­те 60—80 км в слое D составляют до не­скольких десятков метров, на высоте слоя  E - 200—300 м, а в слое F размер неодно­родностей достигает нескольких километ­ров, причем они имеют продолговатую форму и вытянуты вдоль силовых линий посто­янного магнитного поля.

     Отклонение электронной плотности не­однородностей от среднего значения элек­тронной плотности на данной высоте со­ставляет                 (0,1 — 1) %; скорость хаотического движения 1—2 м/с. 

4.3. Диэлектрическая проницаемость и проводимость  ионизированного газа (плазмы)

    Относительная диэлектрическая прони­цаемость ионизированного газа отличается от единицы из-за того, что под действием электрического поля проходящей волны электроны получают смещение относитель­но равновесного положения и газ поляризу­ется. Помимо электронов в ионосфере со­держатся ионы и нейтральные молекулы, совершающие беспорядочное тепловое дви­жение. Сталкиваясь с тяжелыми частицами, электроны передают им энергию, получен­ную от электромагнитной волны. При столк­новениях эта энергия переходит в энергию теплового  движения  тяжелых   частиц,  что и приводит  к   поглощению    радиоволн    в ионизированном газе.

Диэлектрическая     проницаемость      и удельная  проводимость  ионизированного газа   определяются   выражениями

где  — масса электрона (9,109  10-31кг); е — заряд электрона       (1,6010-19 Кл);  — чис­ло соударений электрона с тяжелыми час­тицами, происходящее в 1 с, определяемое тепловым движением частиц; Nэ — элек­тронная плотность, см-3.

    Для высоких частот, когда 2>> 2, можно пренебречь величиной 2 по сравне­нию с 2. Тогда выражения для  c учётом подстановки в них числовых значений e,  , , можно за­писать:

                                                 (4.1)                

                                                                            (4.2)

     Используя частоту электромагнитной волны (кГц) формулу для e удобно записать в таком виде:

                                                     (4.3)           

     Это основная расчетная формула для оп­ределения относительной диэлектрической проницаемости ионизированного газа. Оче­видно, что при значительной электронной плотности диэлектрическая проницаемость газа может оказаться равной нулю.

    Частота , при которой выполняется условие e = 0,

                                                                       (4.4)

называется собственной  частотой  ионизированного  газа  или часто­той Ленгмюра и является параметром ионизированного газа, удобным для оценки условий  распространения  радиоволн.

     Выражение (4.3) можно переписать иначе, пользуясь понятием собственной час­тоты ионизированного газа:

                                                                                             (4.5)

     При  <  относительная диэлектриче­ская проницаемость e оказывается меньше нуля. Это значит, что коэффициент прелом­ления  является мнимой величиной. В такой среде электромагнитные колебания  не    распространяются  и  быстро    затухают.

 4.4. Скорость распространения  радиоволн в ионизированном

        газе (плазме)

     Диэлектрическая проницаемость иони­зированного газа меньше единицы и зави­сит от частоты колебаний, поэтому и ско­рость распространения радиоволн в иони­зированном газе зависит от рабочей частоты. Среды, в которых скорость распрост­ранения радиоволн зависит от частоты, на­зываются диспергирующими. В дис­пергирующих средах различают фазовую и групповую скорости распространения радиоволн [2]. Скорость перемещения фронта волны называется фазовой скоростью. Фазовая ско­рость для сред, приближающихся по своим свойствам к диэлектрику, определяется (2.6).  Поэтому для ионизированного газа без учета потерь согласно выражению (4.5)

                                                (4.6)

     Фазовая скорость волны в ионизирован­ном газе больше скорости света в свобод­ном пространстве. Однако скорость рас­пространения сигналов не может быть боль­ше скорости света в свободном простран­стве. Сигналы конечной длительности, содержащие несколько полных периодов колебаний (группа волн), распространяются с групповой скоростью. Гармонические со­ставляющие сигнала в диспергирующей сре­де распространяются с разными фазовыми скоростями, что приводит к искажению сиг­нала.

     Под  групповой   скоростью    понимают  скорость   распространения максимума огибающей сигнала[2]. Групповая скорость связана с фазовой скоростью соотно­шением     для    ионизированного газа

                                                     (4.7)                  

     В случае приближения рабочей частоты к собственной частоте ионизированного га­за (à) групповая скорость уменьшается (à0), а фазовая скорость резко возрас­тает ().

     4.5. Поглощение радиоволн в ионизированном газе (плазме)

     Коэффициент   затухания   радиоволн   в ионизированном газе определяется по (2.2) с подстановкой в нее значений e из  (4.1) и g из (4.2).

    Поглощение радиоволн связано со столкновениями электронов с молекулами и   ионами   и   переходом    электромагнитной энергии  в тепловую энергию движения тя­желых частиц. В этом процессе важно соотношение  между    периодом    электромаг­нитных колебаний    (T=1/ )  и средним вре­менем   между  двумя   соударениями    элек­трона  с  молекулами  или  ионами  . На низких частотах при T> энергия электромагнитной волны передается от электро­на тяжелой частице малыми порциями, при Т< соударения происходят редко в масштабе периода радиоволны. В том и другом случаях  поглощение  мало.    При  T на­ступает явление резонанса между частотой колебаний    электрона  под действием электромагнитного поля и тепловым движением частиц,     причем     поглощение   существенно возрастает. Поэтому частотная зависимость коэффициента поглощения описывается кривой (рис. 4.2), имеющей  максимум в области частоты  , близкой к величине , т. е. наблюдается явление резонанса. В нижних слоях ионосферы   107 1/с и условие = / выполняется для волн длиной около  200  м.   Поэтому  в  диапазоне коротких волн происходит уменьшение поглощения с повышением частоты, а в диапазоне    волн длиннее 200 м поглощение увеличивается с повышением частоты.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7