Лекция 4

ВЛИЯНИЕ АТМОСФЕРЫ И ПОДСТИЛАЮЩЕЙ

ПОВЕРХНОСТИ НА РРВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АТМОСФЕРЫ

С точки зрения РРВ атмосферу делят на три области: тропосферу, стратосферу и ионосферу

Тропосферу – до 10-15 км

Стратосферу – до 60 км

Ионосферу – до 60-1520 км.

Тропосфера – неоднородная среда в которой характерно наличие неоднородностей диэлектрической проницаемости и возможность появления гидрометеоров (дождя, снега, града, тумана).

Относительная диэлектрическая проницаемость воздуха зависит от метеорологических параметров (формула Дебая)

.

– температура по абсолютной шкале, , атмосферное давление, давление водяного пара в мбарах (бар=10⁵ )

Коэффициент преломления

.

Поэтому вводят индекс преломления

.

У поверхности земли меняется от 260 до 460 единиц.

Регулярные изменения  характеризуют среднее состояние тропосферы. Наиболее заметное – убывание с высотой.

.

– отклонение от 1 у поверхности Земли; – вертикальный градиент диэлектрической проницаемости.

В реальной атмосфере всегда имеет место отклонение зависимости от экспоненциальной. Причиной этого являются слоистые и турбулентные неоднородности в тропосфере. Толщина слоистых неоднородностей – 0,5-100 м и горизонтальные размеры – десятки км. Причиной возникновения турбулентных неоднородностей являются быстрые вертикальные и горизонтальные перемещения воздушных масс, в результате идет образование вихрей и их диссипация, возникают локальные неоднородности давления, температуры и влажности. Образующиеся глобулы имеют размеры до 100 м. Среди гидрометеоров наибольшее влияние на РРВ оказывают дожди. В зависимости от интенсивности дождей территория страны разбивается на климатические районы для которых имеются кривые статистического распределения средне минутной интенсивности дождей.

При рассмотрении влияния тропосферы на РРВ необходимо учитывать основные факторы: рефракцию радиоволн, переизлучение гидрометеорами тропосферы, ослабление газами и гидрометеорами и деполяризацию.

Ионосфера – в условиях наличия магнитного поля представляет собой анизотропную среду. Влияние ионосферы в см диапазоне незначительно. Учитывается только поворот плоскости поляризации в дециметровом диапазоне (эффект Фарадея).

Стратификация и турбулентность – основные явления, определяющие существо физических процессов в тропосфере. Здесь, по современным представлениям, имеет месте следующая картина. При слабом ветре преобладает устойчивая стратификация – турбулентность развита слабо. Мелкомасштабные вихри распола­гаются у поверхности Земли и затухают на высоте. В потоке воз­духа присутствуют нерегулярные вкрапления, имеющие протя­женность по направлению ветра. При безразличной стратификации (умеренные и сильные ветры) мелкомасштабные вихри почти постоянны по высоте, протяженность крупных вихрей с высотой растет. При неустойчивой стратификации (свободная конвек­ция) существуют восходящие и нисходящие потоки, на которые наложены мелкомасштабные вихри, ослабевающие с высотой. Квазигоризонтальные вихри с горизонтальными размерами боль­ше 3 км, особенно сильные в циклонической области, располагаются на границе пограничного слоя. При наличии турбулентного движения поток воздуха в целом можно представить в виде неко­торого среднего движения, на которое наложены флуктуационные скорости элементов турбулентности. Средние значения индекса преломления у поверхности Земли, их сезонные и суточные изменения, как показывают многочисленные экспериментальные исследования, имеют достаточно четкую корреляцию с климатогеографическими особенностями района.

При определении условий распространения радиоволн важно знать не только значение индекса преломления у поверхности Земли, но и распределение его среднего значения по высоте. В первом приближении при решении ряда задач принимают, что с увеличением высоты температура уменьшается линейно (6,5°С на километр), давление уменьшается по барометрическому закону, влажность убывает по экспоненциальному закону. Это приводит к стандартной экспоненциальной модели тропосферы

,

где Н=7,35 км – масштаб высоты; h – текущая высота, км.

В качестве средней стандартной модели тропосферы берут

.

Представляет интерес зависимость от g_N=dN/dh высоты градиента индекса преломления. Для стандартной тропосферы.

.

Турбулентность в тропосфере возникает в результате совокупного влияния ветра (динамическая турбулентность) и атмосферной конвекции (термическая турбулентность) на отдельные количества воздуха.

Вследствие того что диэлектрическая проницаемость  и коэффициент преломления n зависят от давления, влажности и температуры газов тропосферы, которые при наличии турбулентности изменяются хаотически во времени и пространстве, то  и n изменяются во времени и пространстве также случайным образом.

Если скорость движения газов тропосферы не превышает некоторого критического для каждого состояния тропосферы значения, то движение воздуха называют ламинарным или плоским. При этом отдельные слои воздуха движутся параллельно друг другу, обтекая встречающиеся препятствия равномерными слоями. При достижении (и превышении) некоторой скорости, называемой критической, ламинарное течение воздуха превращается в турбулентное, беспорядочное, вихреобразное движение. Вихреобразное движение газов воздуха сопровождается вращением (вихрями) как отдельных частиц газов, так и объемов газов. Вначале образуются наиболее крупные вихри с наибольшим линейным размером l_max, называемым внешним масштабом вихря (турбулентности). Эти более крупные вихри в процессе движения воздуха постепенно и последовательно разбиваются (распадаются) на все более мелкие по размерам вихри, пока в самых малых вихрях с линейным размером l_min вся кинетическая энергия вихря не превратится в тепловую энергию отдельных частиц газов воздуха, так что на создание вихрей с размерами меньше l_min просто не останется энергии. Размер l_min называют внутренним масштабом вихря (турбулентности) Н а рис схематически показаны турбулентные вихри, образующиеся в тропосфере, а также внешний (l_max) и внутренний (l_min) масштабы турбулентности.

Всю область изменения мас­штабов турбулентные вихрей делят на три интервала, обладающие разными свойствами.

Энергетический интервал (интервал образования вихрей). В этом интервале под действием внешних сил при перемещении воздушных масс начинают образовываться наиболее крупные вихри с размерами, большими или равными l_max(l_B l_max). Турбулентные области с размерами, лежащими в этом интервале, приобретают энергию за счет ветрового сноса и градиента температуры. При этом в общем случае в данном интервале вихри (турбулентность) анизотропны.

Инерционный интервал, в котором размеры вихрей изменяются от l_min до l_max. В этом интервале крупные вихри постепенно и последовательно превращаются в более мелкие, пока не достигнут наименьшего из размеров l_min (l_max>l_B l_min). Потерь энергии вихрей при этом не происходит, поэтому интервал и получил название «инерционный интервал». В этом интервале турбулентность имеет существенно изотропный характер.

Вязкий интервал (интервал диссипации), в котором вихри даже с минимальным размером l_min (l_B <l_min) становятся неустойчивыми и постепенно разрушаются, а энергия вращательного движения вихря переходит в тепловую.

Эксперименты показывают, что l_max имеет порядок нескольких десятков либо сотен метров, а l_min – нескольких миллиметров.

Флуктуации диэлектрической проницаемости вследствие турбулентного движения воздуха имеют порядок 10^-6. Наличие таких флуктуаций означает, что в фиксированный момент времени существуют области тропосферы, диэлектрическая проницаемость которых отличается от диэлектрической проницаемости соседних, окружающих областей на =10^-6. Эти области и представляют собой, мелкомасштабные объемные неоднородности тропосферы.