Раздел 1. Распространение радиоволн.
Глава 1. Влияние тропосферы Земли на распространение радиоволн.
Строение и коэффициент преломления тропосферы.
Тропосферой называют нижнюю непосредственно прилегающую поверхность Земли часть атмосферы, простирающуюся в среднем до высоты 15-20 км.
Особенностями тропосферы являются постоянство ее состава:
78 % азота, 21 % кислорода и других примесей (пары воды, водород, углекислый газ, озон и др.) и почти равномерное падение температуры с высотой со скоростью в среднем 0,5 градусов на каждые 100 м. Прекращение падения температуры и характеризует верхнюю границу тропосферы.
Основными параметрами тропосферы являются:
P – давление;
Т – абсолютная температура;
Рп – парциальное давление водяного пара.
С точки зрения распространения радиоволн не столь важен состав тропосферы, как коэффициент преломления – n.
Для частот до 1 ТГц (1 ТГц – терагерц =1012 Гц) коэффициент преломления определяется по эмпирической формуле:
- коэффициент преломления тропосферы.
При нормальных атмосферных условиях коэффициент преломления у поверхности Земли оценивается величиной n=1,000338.
При расчете неудобно пользоваться мало отличающимися от 1 значениями и поэтому вводят понятие индекса преломления N*.
- индекса преломления тропосферы.
Индекс преломления измеряется как прямым, так и косвенным методом.
При прямом методе N* измеряется с помощью приборов, называемых рефрактометрами. Этот метод отличается высокой точностью, большой чувствительностью, быстротой получения данных. Средняя квадратичная ошибка – 0,1 %.
Приближенно, индекс преломления с высотой описывается выражением:
где h – высота в [км];
– индекс преломления
у поверхности Земли;
– параметр,
зависящий от
(он равен
км-1).
из
зависит от T,
P
и Рп
и на поверхности
Земли и составляет
.
На высоте h=10
км индекс преломления отличается большим
постоянством и он равен 93, то есть
=93.
Учитывая это из (1.3) имеем:
Изобразим зависимость
Рис 1.1.
Однако, эта зависимость не отражает микроструктуры тропосферы, в которой происходят сложные турбулентные (вихревые) процессы.
Турбулентность тропосферы вызывает быстрые изменения (флуктуации) коэффициента преломления.
Среднеквадратическое
отклонение индекса преломления из-за
флуктуации на высоте от 0,5 км до 5 км
равно
Это соответствует
среднему размеру неоднородностей
атмосферы в
20
км.
В приземном слое тропосферы (до 100 км.) среднеквадратическое отклонение индекса преломления из-за, флуктуации равны 3Nед (средний размер неоднородности до 500 м).
1.2. Поглощение радиоволн в тропосфере.
В тропосфере практически ослабляются только радиоволны дециметрового и более кротких диапазонов.
Основной причиной поглощения радиоволн в тропосфере является наличие капель воды в виде тумана или дождя. При рассмотрении процесса поглощения различают два явления: поглощение радиоволн каплями воды и рассеяние их в скоплениях капель воды.
Для учета влияния
ослабления, в формулы, выражающие
зависимость напряженности поля от
расстояния, вводят экспоненциальный
множитель
,
то есть
,
где
– напряженность
поля без учета поглощения;
– коэффициент
поглощения радиоволны в тропосфере.
Таким образом, функция ослабления, обусловленная поглощением в тропосфере равна
– функция ослабления радиоволны в тропосфере.
Обычно, коэффициент поглощения определяют в дБ/км, то есть
– коэффициент поглощения в (дБ/км).
Где в [1/км].
Кроме указанных видов поглощения, “ММ” – волны испытывают выборочное, или, так называемое, селективное поглощение в молекулах водяного пара и кислорода на определенных частотах.
Рис 1.2.
Из рис. 1.2. видно, что наиболее интенсивное поглощение происходит на волнах 0,25 и 0,5 см – для кислорода и 0,18 и 1,25 см – для водяного пара.
Радиоволны, испытывающие селективное поглощение, не применимы для передачи сигналов в тропосфере.