Рис.2. Зависимости суммарного ослабления радиоволн с длиной 2 см в ливневых дождях и парах воды на радиозатменных трассах от высоты лучевой линии (кривые 2, 3, 4 и 6); кривая 1 - молекулярное поглощение в водяном паре; кривая 5 - экспериментальная зависимость A(H).
На рис.3 приведена только одна зависимость A(H) для обложных дождей (модель М2) с провалом кривой A(H) при H»4 км, обусловленным зоной таяния осадков. В модели М1 зависимость A(H) полностью совпадает с A(H) для модели М2 при H Ј 3.5 км, при этом провал в кривой A(H) при H > 3.5 км отсутствует, т.к. в этом случае зона таяния осадков не существует. Расчёты зависимости A(H) проводились в предположении, что длина трассы распространения радиоволн в обложном дожде равна 150 км, дождь является однородным с R= 1 мм/ч, толщина зоны таяния осадков 500 м, а коэффициент ослабления в ней СМ радиоволн втрое превышает коэффициент ослабления в дожде.
Зависимость A(H) с провалом на рис.3 можно рассматривать как характерную особенность ослабления в слабых обложных дождях. Однако использовать её в качестве единственного критерия для идентификации обложных дождей типа М2, строго говоря, нельзя, поскольку аналогичные зависимости A(H) с провалом могут существовать и в случае слоистых протяжённых облаков [5].
Отметим, что в случае всех трёх моделей дождя общая характерная особенность ослабления радиоволн в дождях A(H) заключается в том, что при стремлении H®0 км величины A(H) не стремятся к кривой 1 на рис.2 и 3, они всегда больше значений, определяемых кривой 1. В случае же облаков ослабление принимаемого сигнала при его восстановлении после провала стремится к кривой 1 при H ® 0 км, если на трассе распространения радиоволн другие гидрометеорные образования отсутствуют.
Аналогичные расчёты A(H) проводились на волнах 1 и 3 см. Установлено, что при высоте лучевой линии над земной поверхностью Н=1 км ослабление в ливневых дождях с интенсивностью R=5 и 100 мм/ч составляет соответственно на волне l = 1 см 6 и 60 дБ, а на l=3 см 0.3 и 3 дБ. В другом крайнем случае при H=5 км указанные величины равны соответственно на l=1 см 1.2 и 6 дБ и на l=3 см 0.07 и 0.3 дБ. Полученные данные могут использоваться при оценке энергетического запаса систем для исследования атмосферы и климата с радиозатменными спутниковыми трассами [1, 2].
Рис.3. Зависимость суммарного ослабления радиоволн с длиной 2 см в обложном дожде и парах воды на радиозатменных трассах от высоты лучевой линии (кривая 2); кривая 1 - молекулярное поглощение в водяном паре.
Отметим, что расчёты величин A(H) проводились в предположении, что дожди могут находиться как на середине радиозатменной трассы, так и ближе к её краям. В работе приводятся результаты расчётов для первого случая. Во втором случае расчёты отличаются тем, что, например, кривые на рис.2 будут стремиться к кривой 1 не при H®7 км, а при меньшем значении H , зависящим от того, насколько зона дождя закрыта линией горизонта.
Как отмечалось выше, дождь является анизотропной средой вследствие несферичности его капель и их наклона по отношению к вертикали (горизонтали). Анизотропия среды распространения радиоволн приводит к появлению кросс-поляризованной компоненты сигнала.
В [17-19] из решения матричного уравнения переноса излучения были получены выражения для кросс-поляризации сигналов с Г (горизонтальной) и В (вертикальной) поляризациями ХГ и ХВ в виде их модулей от комплексных чисел:
дБ (2)
дБ (3)
где Г=exp[-(б+iв)Z]; Z - расстояние; б - дифференциальное ослабление между главными осями (б=б2-б1); в - дифференциальный сдвиг фазы между главными осями (в = в 2-в 1); q - угол наклона капель.
Выражения (1) и (2) могут быть приведены для проведения расчётов к следующему виду:
(4)
(5)
Представляя линейно поляризованную волну в виде суммы двух волн с противоположной круговой поляризацией и разлагая векторы поля на составляющие параллельные большой и малой осям сфероида, получим, что в случае круговой поляризации (К)
(6)
Отметим, что при круговой поляризации величина ХК не зависит от угла наклона капель и соответствует наихудшему случаю деполяризации в дожде волн с линейной поляризацией, когда q=45°.
Таким образом, при линейной поляризации деполяризация радиоволн будет сильно зависеть от угла наклона капель. В настоящее время нет достаточных данных о форме или ориентации дождевых капель, особенно в случае сильного ветра. Поэтому расчёты поляризационного отношения обычно проводятся в предположении, что все капли имеют одинаковый угол наклона или эти углы распределены по закону Гаусса [20]. В [21] анализировались и сравнивались между собой экспериментальные и теоретические значения Х в дожде, рассчитанные при разных углах наклона дождевых капель, на частотах 11 и 16 ГГц соответственно на трассах 13.6 и 0.85 км. Установлено, что среднее значение угла наклона капель бqсменялось в пределах от 2° до 4°, а среднее значение их модуля составляло б|q|с=25°. Поскольку б|q|с>>бqс, это означает, что распределение углов наклона капель дождя имеет большую дисперсию.
На основе полученных экспериментальных величин бqс можно рассчитать полуэмпирические зависимости медианных значений поляризационного отношения от ослабления волн в дожде [20]. Анализ таких расчётов показывает, что величина Х может изменяться на частоте 15 ГГц в пределах от 20 до 60 дБ в зависимости от А.
Литература
1. Kursinski E.R., Ward D., Otarola R., Herman B. et al. // Abstr. 3rd International workshop OPAC. September 20, 2007, Graz, Austria. P. 14.
2. Hoeg P., Kirchengast G. // Proposal to ESA on atmosphere and climate explorer. Graz: University of Graz. 2002. P. 33.
3. Яковлев О.И. Космическая радиофизика. М.: РФФИ, 1998.
4. Яковлев О.И., Павельев А.Г., Матюгов С.С. // Усп. совр. радиоэлектроники. 2002. № 9. С. 8.
5. Яковлев О.И., Матюгов С.С. // РЭ. 2005. Т. 50. № 3. С. 277.
6. Соколов А.В., Сухонин Е.В. // Итоги науки и техники. Сер. Радиотехника. М: ВИНИТИ, 1980. Т. 20. С. 107.
7. Сухонин Е.В. // Итоги науки и техники. Сер. Радиотехника. М: ВИНИТИ, 1990. Т. 41. С. 3.
8. Liu G., Curry J.A. // J. Geophys. Res. 1992. V. 97. № D9. P. 9959.
9. Wu R., Weinman J.A. // J. Geophys. Res. 1984. V. 89. № 8. P. 7170.
10. Сухонин Е.В. // РЭ. 2008. Т.53. № 9. С. 1128.
11. Nowland W.L., Olsen R.L., Shkarovsky I.P. // Electron. Lett. 1977. V. 13. № 22. P. 676.
12. CCIR. V. Rep. 564-1. Section 12.4. Geneva: CCIR, 1978.
13. Jones D.M.A. // J. Meteor. 1959. V. 16. P. 504.
14. Laws J.O., Parsons D.A. // Trans Am. Geophys. Union. 1943. V. 24. P. 452.
15. Liou Y.A., Pavelyev A.G., Wickert J. et al. // J. Geophys. Res. 2006. V. 111. D06104, doi: 10.1029/2005JD005823.
16. Wu R., Weinmann // J. Geoph. Res. 1984. V. 89. № 8. P. 7170.
17. Oguchi T. // J. Radio Res. Lab. (Tokio). 1975. V. 22. P. 165.
18. Watson P.A. // Proc. IEE. 1976. V. 123. № 7.
19. Magiori D. // Alta Frequenza. 1981. V. 50. № 5. P. 262.
20. Watson P.A., Arbabi M. // Proc. IEE. 1973. V. 120. P. 413.