Материал: 1221

45

На частотах < e диэлектрическая проницаемость ионосферы И < 0. На рисунке 4.2 показан случай, когда для некоторой частоты f3 на высотах от h1 до h2 И < 0. Распространение волны с частотой f3 в указанной области ионосферы невозможно. Это объясняется тем, что коэффициент распространения k a a при a < 0 и отсутствии потерь становится величиной чисто

мнимой: k = ja. Следовательно, амплитуда поля убывает по экспоненциальному закону, а перенос энергии отсутствует.

Рисунок 4.2 - Изменение Ne и И по высоте

Полученные формулы для удельной проводимости позволяют сделать следующие заключения:

1.Проводимость ионосферы на разных высотах различна, так как зависит от электронной плотности и частоты соударений, которые в свою очередь зависят от высоты. Максимальное значение удельная проводимость ионосферы принимает на высотах соответствующих слою D. Учитывая, что слой D существует только в дневное время, можно сделать еще один вывод: проводимость, а, следовательно, и поглощение в ионосфере в дневное время больше, чем в ночное.

2.Удельная проводимость, характеризующая поглощение в ионосфере,

тем меньше, чем выше частота (при 2 2ЭФ ). Это происходит потому, что

с увеличением частоты из-за инерции электронов их средняя колебательная скорость уменьшается и, следовательно, уменьшается энергия, которую электроны отдают тяжелым частицам при столкновении. Практически поглощение в ионосфере мало на частотах f > 100 МГц.

Магнитное поле Земли HЗМ значительно усложняет характер движения зарядов в ионосфере и приводит к изменениям ее диэлектрической проницаемости и проводимости. На движущийся электрон со стороны магнитного поля Земли действует сила Лоренца, которая закручивает электрон вокруг силовых линий магнитного поля, превращая траекторию его движения в спиральную

46

линию. Частота вращения электронов вокруг магнитных силовых линий (в

отсутствие других полей) называется электронной гиромагнитной частотой.

Учитывая, что в средних широтах HЗМ 40 А/м, гиромагнитная частота fН 1.4 МГц, т.е. лежит в диапазоне средних волн.

Сила Лоренца зависит от угла между направлением распространения

волны и вектором H ЗМ .

Определение параметров анизотропной ионосферы путем решения уравнений Максвелла и уравнения движения электрона с учетом магнитной силы Лоренца представляет весьма громоздкую задачу. Отметим лишь, что под влиянием магнитного поля Земли в ионосфере возникают некоторые специфические явления, характерные для анизотропных сред. Например, возникает явление двойного лучепреломления, когда электромагнитная волна расщепляется на две – обыкновенную и необыкновенную, распространяющиеся по различным траекториям с различными скоростями и испытывающие различное поглощение (эффект Коттон - Мутона).

Существенное влияние на работу радиолиний оказывают отклонения электронной концентрации от регулярных средних значений. Различают два вида отклонений: флуктуации около средних значений и длительные аномальные изменения самих средних значений. Флуктуации наблюдаются всегда, аномальные изменения – только в периоды так называемых ионосферных возмущений.

Флуктуации электронной концентрации обусловливают неоднородную быстро меняющуюся микроструктуру ионосферы. Ионосфера представляется как скопление локальных образований, изменяющихся во времени и подвижных в пространстве. В пределах неоднородностей электронная концентрация отличается от среднего значения в данной области ионосферы.

Мелкомасштабные неоднородности с горизонтальными размерами в несколько сотен метров образуются в результате процессов турбулентности и диффузии. Интенсивность неоднородностей определяется среднеквадратическим значением отношения перепада электронной концентрации на неоднородности к среднему значению.

Крупномасштабные неоднородности с горизонтальными размерами в десятки и сотни километров образуются в результате колебательных процессов в ионосфере и представляют образования эллипсоидальной формы с преимущественной ориентацией вдоль силовых линий магнитного поля Земли.

Длительные аномальные изменения средних значений электронной концентрации, наблюдаемые в течение 1 ч и более, называются ионосферными возмущениями или бурями. Наиболее важные для работы радиолиний ионосферные возмущения имеют корпускулярную природу. Напомним, что корпускулы производят ударную ионизацию атмосферного газа. Возмущения появляются, когда атмосфера Земли попадает в корпускулярные потоки, излученные из активных областей возмущенного Солнца. Корпускулы, достигая области действия магнитного поля Земли как заряженные частицы, начи-

47

нают двигаться по спиралям вокруг магнитных силовых линий и направляются к полярным областям. Корпускулярные потоки вызывают не только ионосферные, но и магнитные бури, поэтому часто говорят о магнитноионосферных возмущениях. Возмущения протекают по-разному в зависимости от широты точки наблюдения.

Возмущения корпускулярного происхождения в средних и низких широтах характеризуются аномальным изменением в основном области F. Лишь в периоды очень сильных бурь возмущения достигают нижних слоев ионосферы. Для средних широт характерны так называемые отрицательные возмущения, при которых электронная концентрация слоя понижается на 30...40 %. Во время бури на плавное изменение электронной концентрации слоя F2 налагаются интенсивные неоднородности.

Возмущения корпускулярного происхождения в полярных широтах характеризуются изменением ионизации всей толщи ионосферы, включая слой D. При аномальном повышении ионизации этого слоя увеличивается удельная проводимость ионосферы и, следовательно, поглощение радиоволн. В кольцевой зоне полярных сияний одновременно с изменением состояния слоя D наблюдается возмущенность слоя F2, проявляющаяся в освещенной части зоны в виде значительного понижения Ne max, а в затененной – в виде значительного повышения Ne max за счет спорадических образований.

Возмущения волнового происхождения проявляются в виде резкого возрастания ионизации слоя D в результате мощного рентгеновского излучения, источником которого является хромосферная вспышка на Солнце. Возмущения этого типа, сопровождаемые резким увеличением поглощения (эффект Делинжера), наступают внезапно и длятся от нескольких минут до 1...2 ч. Обычно они охватывают всю освещенную часть земного шара, распределяясь с разной интенсивностью в зависимости от широты.

4.1.3Диэлектрические свойства тропосферы

Физические свойства тропосферы рассмотрены в разделе 2.3. Рассмотрим более подробно динамику распределения диэлектрической проницаемости в тропосфере.

В большинстве случаев зависимость относительной диэлектрической проницаемости Т тропосферы от высоты h близка к экспоненциальной:

где 0 приземное (h = 0) отклонение Т от единицы; gТ – вертикальный градиент диэлектрической проницаемости тропосферы у земной поверхности:

48

Обычно при среднем состоянии тропосферы gТ < 0, т.е. убывает с высотой. Можно получить связь gТ с градиентом коэффициента преломления:

gТ 2dhdnТ .

В качестве первого приближения, дающего представление о среднесезонном распределении Т по высоте, можно воспользоваться понятием стандартной радиоатмосферы, для которой 0 = 5.78 10 4; gТ = 7.85 10 8 1/м. Подставляя эти значения в (4.4), получаем:

Т(h) = 1 + 5.78 10 8 exp( 1.36 10 4h), (4.6)

где высота h выражена в метрах.

Стандартная радиоатмосфера характеризует среднестатистическое, наиболее вероятное состояние тропосферы в умеренных климатических условиях и вводится как некоторый эталон.

Отметим, что при определенных метеорологических условиях могут наблюдаться существенные отклонения от рассмотренных средних закономерностей Т(h). Так, при температурных инверсиях, когда температура воздуха возрастает с высотой, происходит более резкое, чем обычно, убываниеТ по высоте. При других метеоусловиях, когда в приземном слое температура воздуха резко уменьшается с высотой, а влажность увеличивается, е возрастает с увеличением высоты. Такие условия возникают, например, при натекании холодного влажного воздуха с моря на нагретую сушу. Таковы основные регулярные распределения Т.

Как показывают измерения, в тропосфере всегда имеются случайные во времени и локальные в пространстве области, в пределах которых диэлектрическая проницаемость отличается от средних значений. Для примера на рисунке 4.3 показано типичное распределение Т(h), свидетельствующее о наличии локальных неоднородностей диэлектрической проницаемости. Неоднородности имеют различные формы и размеры, они видоизменяются во времени, исчезают и появляются вновь, движутся с потоком воздушных масс и создают сложную структуру флуктуации Т.

При оценке условий распространения радиоволн неоднородности диэлектрической проницаемости разделяют на два вида: слоистые и турбу-

лентные.

Слоистые неоднородности представляют собой образования, горизонтальные размеры которых заметно превышают вертикальные. Одной из основных причин их возникновения является температурная инверсия, а также наличие облачности.

49

Рисунок 4.3 - Типичное распределение Т по высоте h

Интенсивность неоднородностей слоистого типа, оцениваемая как отличие диэлектрической проницаемости в пределах слоя от диэлектрической проницаемости окружающей среды. Число и интенсивность слоев с увеличением высоты над земной поверхностью уменьшаются.

Размеры слоистых неоднородностей изменяются в широких пределах. Толщина слоев характеризуется величинами от десятых долей метра до нескольких сотен метров, а их горизонтальные размеры изменяются от десятков метров до десятков километров и более.

Неоднородности турбулентного характера имеют соизмеримые раз-

меры во всех направлениях. Вследствие малых сил вязкости движение атмосферного газа практически всегда турбулентное, так что неоднородности такого типа существуют в тропосфере всегда, при любых метеоусловиях. Размеры и интенсивность неоднородностей могут быть оценены только статистически.

Размеры неоднородностей турбулентного происхождения определяются размерами (масштабами) элементарных вихрей, совокупность которых составляет турбулентный поток воздуха. В тропосфере пространственный спектр размеров вихрей непрерывен и ограничен величинами от нескольких миллиметров до нескольких десятков метров.