Материал: 1221

40

Рисунок 3.9 - Зависимости ослабления от r, км

Напряженность поля земной волны в диапазонах более длинных волн (KB, СВ, ДВ) обычно определяется по кривым МККР, рассчитанным по дифракционной формуле.

Подводя итог, можно сказать, что чем больше длина волны, тем на большие расстояния за линию горизонта проникает земная волна. Прием этой волны на значительных удалениях от передающей антенны практически возможен только в диапазонах средних и длинных волн.

41

4 РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН В ЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЕ [1,2]

4.1Электрические свойства тропосферы и ионосферы

4.1.1Распределение заряженных частиц в ионосфере

В ионосфере, т.е. на высотах более 50...60 км, кроме нейтральных частиц содержатся свободные заряженные частицы: электроны, положительные и отрицательные ионы. Количество положительно и отрицательно заряженных частиц одинаково, так что в целом ионосфера электрически нейтральна. Такие среды называются плазмой, поэтому в данном случае можно говорить об ионосферной плазме.

Наибольшее влияние на условия распространения радиоволн оказывают свободные электроны, обладающие наименьшей массой и, следовательно, инерцией. Основными параметрами ионосферной плазмы являются: электронная концентрация (плотность) NE (1/м3) и эффективная частота соударений ЭФ (1/с) электронов с тяжелыми частицами (положительными ионами и нейтральными молекулами и атомами).

Свободные заряды появляются в атмосфере в результате процесса ионизации, т.е. отрыва одного или нескольких электронов с наружных оболочек молекул и атомов за счет энергии воздействия внешних источников энергии. Основным источником ионизации газов в атмосфере является солнечная радиация в виде фотонов. Сравнение энергии, необходимой для ионизации, с энергией фотонов показывает, что фотоионизацию способно производить только ультрафиолетовое и более коротковолновое излучение Солнца ( < 0.134 мкм).

Кроме процесса фотоионизации в земной атмосфере имеет место ударная ионизация, возникающая при столкновении корпускул с нейтральными частицами. Корпускулами называют заряженные частицы (электроны, протоны), которые выбрасываются Солнцем и образуют так называемый солнечный ветер. В средних широтах роль ударной ионизации сравнительно невелика. В значительной мере этот вид ионизации проявляется в полярных районах, куда стекается основная часть корпускул, вторгающихся в земную атмосферу.

Количество свободных зарядов в атмосфере зависит не только от процессов ионизации, но и от обратных процессов, являющихся причиной их исчезновения. Из этих процессов наиболее важен процесс рекомбинации. Рекомбинация происходит за счет хаотического теплового движения, когда частицы, имеющие заряды разных знаков, оказываются настолько близко друг к другу, что под действием сил электростатического притяжения соединяются, превращаясь в нейтральные молекулы или атомы.

42

Электронная концепция NE определяется балансом процессов ионизации и рекомбинации. В идеализированном случае распределение NE(h) имеет один максимум NE max на конечной высоте в атмосфере (рисунок 4.1, а). Такое распределение называется простым слоем (слоем Крючкова-Чемпена). Образование простого слоя обусловлено тем, что интенсивность ионизирующего излучения ПС уменьшается с приближением к поверхности Земли, а плотность нейтральных частиц NH изменяется в обратном направлении. Максимум Ne(h) возникает на той высоте, где ионизирующее излучение еще не сильно ослаблено, а плотность нейтральных частиц еще не очень мала. Ионосфера ниже NE max называется внутренней, выше – внешней.

В реальной атмосфере распределение Ne(h) имеет сложный характер. На рисунке 4.1, б показано типичное распределение электронной концентрации по высоте, полученное на основании измерений.

Рисунок 4.1 - Строение ионосферы

Во внутренней ионосфере закономерность Ne(h) характеризуется наличием нескольких относительных максимумов ионизации, которые называются слоями. В ионосфере имеются четыре регулярных слоя: D, E, F1, F2.

Состояние ионосферных слоев подвержено регулярным суточным и сезонным вариациям, которые связаны с обычными суточными и сезонными изменениями радиации Солнца. Так, слой D является типично дневным слоем; после захода Солнца вследствие сравнительно большой плотности газа положительно и отрицательно заряженные частицы рекомбинируют и электронная концентрация на этих высотах падает практически до нуля. Слой Е существует круглые сутки, но в дневное время Ne значительно больше, чем в ночное. Слой F1 наблюдается в средних широтах только в дневное летнее время, в остальные периоды он сливается со слоем F2, образуя единую об-

43

ласть F. Слой F2 существует всегда, но его параметры претерпевают значительные изменения.

К регулярным относят также изменения состояния ионосферы в течение цикла солнечной активности, имеющего среднюю длительность около 11 лет. Солнечная активность обычно характеризуется относительным числом солнечных пятен W (числом Вольфа), которое изменяется от нескольких единиц в годы минимума до 100... 150 и более в годы максимума. Зависимость от W позволяет прогнозировать параметры ионосферы на некоторый период времени вперед, используя прогноз активности Солнца, осуществляемый астрономическими обсерваториями.

Кроме регулярных слоев в ионосфере наблюдаются также нерегулярные, спорадические слои, возникающие на высотах слоев Е и F, но имеющие повышенную относительно обычного уровня электронную концентрацию. Спорадические слои характеризуются сложной структурой и ограниченными горизонтальными размерами, которые обычно не превышают нескольких сотен километров.

Во внешней ионосфере имеет место сравнительно плавный и весьма медленный спад электронной концентрации по высоте (см. рисунок 4.1, а). Свободные электроны, находящиеся в частично ионизированной ионосферной плазме, при своем движении могут сталкиваться с ионами и нейтральными молекулами, отдавая им часть энергии. Столкновения определяют энергетические соотношения в ионосфере, и в частности обусловливают преобразование энергии электромагнитного поля в тепловую. Суммарное число столкновений электронов с различными ионами и молекулами оценивается эффективным числом соударений в единицу времени ЭФ. Значение ЭФ зависит в основном от расстояния между частицами и скорости их движения. С увеличением высоты над земной поверхностью ЭФ уменьшается.

4.1.2Диэлектрическая проницаемость и проводимость ионосферы

Вопросы распространения радиоволн в средах с частотной дисперсией рассматривались в курсе «Основы электродинамики». Земная ионосфера является типичной дисперсионной средой.

Воспользовавшись полученными ранее результатами, опишем электродинамические свойства ионосферы. Относительная диэлектрическая проницаемость И и проводимость ионосферы И записывается следующим образом:

44

После подстановки постоянных значений e, me и 0:

1 3190Ne ,

И2ЭФ 2

где И – См/м; f – Гц, Ne – 1/м3; ЭФ – 1/с.

Учитывая, что максимальное значение ЭФ, наблюдается в слое D ионосферы и имеет порядок 107 1/с, упрощенные формулы (4.2) могут быть использованы на частотах выше примерно 3 МГц, т.е. в диапазонах KB и УКВ.

Рассмотрим основные свойства ионосферы, вытекающие из полученных для И и И формул. Формулы для И показывают, что диэлектрическая проницаемость ионосферы:

-меньше диэлектрической проницаемости свободного пространства (И

<1) за счет наличия конвекционного тока;

-зависит от электронной концентрации и частоты столкновений, которые претерпевают пространственные и временные изменения; следовательно, ионосфера является электрически неоднородной средой. На рисунке 4.2 пока-

зано качественное изменение И ионосферного слоя по высоте h. Видно, что диэлектрическая проницаемость сначала уменьшается, а затем, выше максимума ионизации слоя, возрастает с высотой;

- зависит от частоты, т.е. ионосфера является диспергирующей средой. Это обусловлено тем, что электроны, обладая конечной массой, проявляют инерционные свойства. С повышением частоты упорядоченная скорость движения электронов, а, следовательно, и конвекционный ток уменьшаются, и свойства ионосферы приближаются к свойствам свободного пространства. Практически основное влияние ионосферы на условии распространения радиоволн наблюдается на частотах f < 100 МГц ( > 3 м);

-может принимать нулевые значения, если частота приложенного поля

будет равна так называемой собственной частоте ионосферной плазмы e, которая определяется (при ЭФ = 0) как: