Материал: 751

Если коэффициент преломления n меняется с высотой по линейному закону, это уравнение можно переписать в виде

n dndh h R0 h1 h sin nsin 0 R0 h1

èëè

Раскрывая скобки и пренебрегая членами второго порядка

Если в уравнении (4.16) положить dndh 0 , то оно определит прямолинейную траекторию волны при отсутствии рефракции:

Из сравнения (4.16) и (4.17) видно, что тропосферу можно рассматривать как однородную среду с неизменным по высоте значением n , если вместо реального радиуса Земли ввести эквивалентный Rý,определяемый соотношением

откуда, переходя к индексу преломления, получим

Используя эквивалентный радиус Земли, картину распространения радиоволн по криволинейной траектории с радиусом кривизны вблизи реальной земной поверхности (рис. 4.3,à) можно заменить картиной распространения волн по прямолинейной траектории вблизи поверхности Земли с измененным радиусом Rý (ðèñ. 4.3,á). При этом высота траекторий в обоих случаях будет одинаковой.

Рис. 4.3. Определение эквивалентного радиуса Земли

Эквивалентный радиус Земли Rý можно выразить и через радиус кривизны луча :

Для нормальной тропосферы 4R0 и, следовательно, эквивалентный радиус Земли будет равен

При учете влияния тропосферы на распространение земных радиоволн обычно ограничиваются случаем нормальной тропосферы и заменяют реальный радиус Земли на эквивалентный (4.20) при вычислении приведенных высот антенн и в дифракционных формулах.

4.2.3. Виды тропосферной рефракции

Как было показано выше, радиус кривизны луча r, а следовательно, и рефракция радиоволн в тропосфере определяются градиентом показателя преломления по высоте. В зависимости от знака изменения индекса преломления с высотой dN/dh тропосферную рефракцию разделяют на положительную или отрицательную (рис. 4.4).

Ïðè dN/dh >0 индекс преломления возрастает с высотой и траектория волны обращена выпуклостью вниз ( < 0) . Такой вид рефракции называют отрицательной тропосферной рефракцией (рис. 4.4,à).

88 4. Тропосфера и ее влияние на распространение радиоволн

2. Критическая тропосферная рефракция, когда

Âэтом случае радиус кривизны луча равен радиусу Земли

èволна распространяется вдоль земной поверхности. Эквивалентная Земля становится плоской (рис. 4.4,â).

3. Сверхрефракция, когда

При сверхрефракции радиус кривизны меньше радиуса Земли, наступает полное внутреннее отражение волны в тропосфере, и она возвращается на Землю. Эквивалентный радиус Земли Rý оказывается отрицательным (рис. 4.4,ã). После отражения от Земли волна снова уходит в тропосферу и может далее распространяться путем последовательного отражения от тропосферы и Земли на большие расстояния.

Как следует из выражения для индекса преломления (4.7), производная dNdh определяется скоростью изменения температуры, давления и влажности с высотой, т.е. погодными условиями. Отрицательная рефракция встречается довольно редко. Как правило, имеет место положительная рефракция. Повышенная влажность, сырая погода, характерная для циклонов, приводит к уменьшению скорости убывания индекса преломления с высотой и уменьшению рефракции. Напротив, сухая, ясная погода приводит к усилению рефракции.

4.2.4. Распространение радиоволн в условиях сверхрефракции

Как уже отмечалось, режимом сверхрефракции может быть охвачена область тропосферы, в которой выполняется условие

dN 157 êì 1, dh

т.е. показатель преломления с высотой резко уменьшается. Такое убывание N с высотой наиболее часто связано с температурной инверсией, при которой температура воздуха не уменьшается, как обычно, а возрастает с высотой. В этих областях индекс преломления N резко убывает с высотой (рис. 4.5).

h

hB

N

Рис. 4.5. Изменение показателя преломления тропосферы с высотой и распространение УКВ в условиях тропосферного волновода

Возникает температурная инверсия по следующим причи- нам:

1)горизонтальный перенос воздушных масс, когда теплый воздух суши, например, оказывается над холодным воздухом, прилежащим к поверхности моря;

2)охлаждение поверхности Земли. После захода солнца в первую очередь охлаждаются прилегающие к ней слои воздуха. Такое явление характерно для засушливых районов и пустынь;

3)сжатие воздушных масс. Температурная инверсия возникает за сч¸т выделения тепла при сжатии воздушных масс при антициклонах.

Когда область сверхрефракции занимает значительное расстояние над земной поверхностью, радиоволны УКВ-диапа- зона могут быть приняты на весьма больших расстояниях от передатчика, много бîльших расстояния прямой видимости. Радиоволны в этом случае распространяются пут¸м последовательного отражения в тропосфере и от поверхности Земли.

Это явление аналогично распространению волн в волноводе. Поэтому инверсионный слой, в котором возникает такая передача энергии, называют тропосферным волноводом. По аналогии с металлическим волноводом, тропосферный волновод имеет критическую длину волны, которая связана с высотой волновода соотношением

ãäå h — высота тропосферного волновода, м.

Волны длиннее êð не захватываются волноводом и испытывают только дополнительное искривление на его границе.