1.3.2. Общие сведения об электрических свойствах почвы

Земная поверхность оказывает существенное влияние на распространение радиоволн: в полупроводящей поверхности земли радиоволны поглощаются; при падении на земную поверхность они отражаются; сферичность земной поверхности препятствует прямолинейному распространению радиоволн

Рис. 1.17. График ослабления земной волны

Если бы Земля являлась плоским идеальным проводником, то потерь в Земле не было и она не влияла бы на распространение радиоволн. Однако часть энергии волны тратится на образование токов в Земле и поэтому земная волна ослабляется. Ослабление, обусловленное Землей, зависит как от проводимости (или сопротивления) почвы, так и от рабочей частоты. Один и тот же участок земной поверхности по-разному влияет на электромагнитные волны различных частот: поверхностные волны большей частоты ослабляются значительно больше, чем волны более низкой частоты.

Влияние проводимости земной поверхности на распространение поверхностной волны показано на рис. 1.17. Приведенные кривые характеризуют напряженность поля в микровольтах на метр в зависимости от удаления от передатчика. Сплошные кривые соответствуют почве с высокой проводимостью, штриховые—почве с низкой проводимостью. Из рис. 1.17 видно, что, например, на дальности 60 км при распространении волны на

частоте 1500 кГц над почвой с хорошей проводимостью в точке приема напряженность поля будет примерно 0,75 мкВ/м, при распространении над почвой с плохой проводимостью эта волна полностью поглотится. График на рис. 1.17 подчеркивает еще одну особенность распространения поверхностных волн. Оказывается, что наиболее интенсивно волны поглощаются почвой в непосредственной близости от передатчика, т. е. там, где энергия волны наибольшая.

Проводимость почвы в значительной степени зависит от рельефа местности. Ровная плоская степная поверхность обычно имеет большую проводимость. В горах, в гористой и пересеченной местности проводимость почвы меньше. Очень хорошей проводимостью обладает морская поверхность. Так как земные волны более высоких частот ослабляются очень сильно, этот способ распространения используют главным образом в длинноволновом и средневолновом диапазонах.

1.3.3. Строение и свойства ионосферы

Ионосферой принято называть ионизированную область атмосферы, расположенную на высотах, превышающих 60 км. Область ионосферы, существенно влияющая на распространение радиоволн, ограничена высотами 1000—1500 км.

Преломление и отражение радиоволн ионосферой связано с наличием в ней электронов и ионов.

Сущность ионизации заключается в том, что из молекул газа с низким давлением космические или ультрафиолетовые лучи солнечного излучения выбивают один или несколько электронов. Такие молекулы превращаются в электрически заряженные ионы.

В высоких слоях атмосферы с низким давлением создаются благоприятные условия для ионизации. В атмосферу постоянно проникают космические, ультрафиолетовые лучи. Они ионизируют большую часть молекул верхних слоев атмосферы. Ионизацию также создают метеоры, вторгающиеся в атмосферу. Это повышает средний уровень ионизации.

Так как ионы и атомы находятся в постоянном движении, то часто происходит столкновение этих частиц. При этом наряду с ионизацией происходит обратный процесс исчезновения свободных электронов вследствие воссоединения (рекомбинации) их с положительными ионами. Время рекомбинации зависит прежде всего от среднего расстояния между частицами газа. В верхних слоях атмосферы газы сильно разрежены, поэтому возможность столкновения частиц мала и частицы воздуха остаются ионизированными длительное время. В нижних слоях атмосферы, где плотность газа значительно больше, столкновении частиц происходят настолько часто, что воздух не остается ионизированным на длительное время. Кроме того, ультрафиолетовые лучи поглощаются в основном верхними слоями атмосферы, поэтому вероятность ионизации частиц воздуха нижних слоев атмосферы ничтожно мала. На высотах до 60 км от земной поверхности ионизация воздуха очень слабая.

Рис. 1.18. Строение ионосферы

В слоях выше 400 км концентрация частиц воздуха настолько низкая, что ионизация становится также очень малой. Таким образом, в неоднородной по составу и степени ионизации атмосфере возможно образование нескольких максимумов ионизации, что и наблюдается в реальной атмосфере.

Количество ионизированных слоев, их высота над землей и степень ионизации зависят от времени суток и времени года. Они меняются также из года в год и зависят от фазы солнечной активности. На рис. 1.18 показано примерное строение ионосферы.

Имеются два основных слоя ионосферы, называемые областями Е и F. Кроме того, в дневное время на малых высотах образуется область D.

Область F, расположенная на высоте 250—400 км, является основным максимумом электронной плотности. Высота области уменьшается в дневное время до 220 — 240 км и увеличивается ночью до 300 —3 30 км.

В летние месяцы (точнее: май—сентябрь) суточное изменение параметров области F имеет совершенно иной характер.

В дневные часы область F расщепляется на два слоя, один из которых F₂ расположен на высоте 300—400 км, а второй F₁ — на высоте 200—300 км. В ночные часы существует только один слой на высоте 300 км.

Ионизация области F зависит от географической широты и долготы и происходит не только за счет ультрафиолетового излучения солнца, но. и за счет потоков заряженных частиц, на траекторию которых влияет земное магнитное поле. Наблюдается годовое изменение ионизации слоя Р для всего земного шара.

Рис. 1.19. Распространение радиоволн в зависимости от частоты

Область F является основным слоем, отражающим короткие волны, и имеет очень большое значение для радиосвязи. Область Е расположена на высоте 90—130 км. Ионизация этой области в дневное время в десятки раз выше, чем ночью. Эта область оказывает наибольшее влияние на распространение радиоволн средневолнового диапазона.

Область D—самая нижняя область ионосферы, расположенная на высоте 60—80 км, появляется только в дневное время. Ночью ионизация на этих высотах полностью исчезает.

Области D, Е и F₁ ионосферы обладают высоким постоянством, т. е. суточный ход изменения электронной концентрации и высоты расположения максимумов повторяется изо дня в день.

Рассмотрим, как распространяются ионосферные волны.

Предположим, что передатчик, расположенный в точке А, излучает радиоволны под некоторым углом к горизонту, как это изображено на

рис. 1.19. Волна распространяется по прямой линии только до тех пор, пока она не достигнет ионизированных слоев (точка Б). По мере проникновения в область большей ионизации луч начинает изгибаться. Коэффициент преломления, определяющий траекторию распространения радиоволн в ионосфере, зависит от электронной плотности ионосферы и длины волны, проходящих через ионосферу колебаний: чем больше электронная плотность и длина волны, тем меньше коэффициент преломления. Поэтому луч всегда изгибается от области с большей ионизацией к области с меньшей ионизацией. При некоторых условиях луч выходит из ионизированного слоя и возвращается на землю (точка Д).

Рис. 1.20. Распространение радиоволн в зависимости от угла излучения

Такое искривление луча при прохождении волны через неоднородные слои ионосферы называется рефракцией.

Если частоту волны увеличить (рис. 1.19), то при некотором ее значении волна не будет отражаться на землю. До области ионизации (А—Б) волна распространяется по прямой, затем луч изгибается (Б—Ж), но меньше, чем в предыдущем случае. Это обусловлено тем, что коэффициент преломления ионосферы растет с ростом частоты. Затем луч искривляется в сторону меньшей ионизации (Ж—3). В точке Ж волна выходит из области наибольшей ионизации и вновь отклоняется в сторону области меньшей ионизации (Ж—3). В результате луч изгибается в противоположном направлении и на землю не возвращается.

Прохождение радиоволн в ионосфере зависит от частоты волны, степени ионизации слоя ионосферы и от угла, под которым волна входит в слой. Предположим, что волна той же частоты, что и в предыдущем случае, входит в ионосферу под меньшим углом поверхности земли (рис. 1.20). После входа в ионизированный слой луч начнет изгибаться. Если угол достаточно мал, то волна изогнется настолько, что сможет вернуться на землю несмотря на то, что волны этой частоты, вошедшие в ионосферу под большим углом (угол 3), пронизывают ионосферу. Волны той же частоты при углах излучения, меньших угла 1, возвращаются на землю. При этом будет существовать пространство Б—В, в котором возможен прием ионосферных волн от передатчика, расположенного в точке А. В пространстве А—Б осуществим прием только земных волн. Но дальность действия таких волн невелика, предположим, лишь на удалении А Е. Таким образом, на некотором удалении от передатчика в области Е — Б образуется зона, в которой невозможен прием ни земных, ни ионосферных волн. Эта зона называется зоной молчания, или мертвой зоной. Расстояние от передатчика до точки Б, в которой становится возможным прием ионосферных волн, называется расстоянием скачка.

В точках Б и В волна может отразиться от Земли, так как Земля является проводящей, снова войти в ионосферу и вновь отразиться на Землю на очень большом удалении от передатчика. Такое распространение называется распространением с многократным отражением.

При распространении волн наблюдается поглощение их энергии ионосферой. При прохождении волн через ионосферу электроны под действием волны начинают колебаться. При этом они сталкиваются с соседними молекулами и ионами и затрачивают на нагревание воздуха часть или всю энергию, полученную ими от волны.

Величина энергии, отбираемей у волны и рассеиваемой таким путем, будет тем больше, чем большее расстояние пройдет волна в ионизированном слое и чем выше степень ионизации и плотность воздуха в этом слое.

Свойства ионосферы претерпевают периодические изменения. Это влияет на распространение ионосферных волн, а значит, и на состояние радиосвязи. Регулярные изменения ионосферы, связанные с временем суток, года и изменением солнечной активности, могут быть учтены и предсказаны с большой точностью.

Для практических целей крайне необходимо знание так называемых критических частот, т. е. частот, энергия которых при данном состоянии ионосферы еще способна отражаться. Критическая частота является наибольшей для волн, падающих на ионосферу перпендикулярно. Для волн, падающих на ионосферу под меньшими углами, она увеличивается. Наблюдение за условиями распространения ионосферных волн и прогнозирование этих условий осуществляются единой системой ионосферной службы, имеющей станции по всей территории бывшего Советского Союза.

Станции ионосферной службы определяют критические частоты и на основании полученных данных составляют краткосрочные и. долгосрочные прогнозы, содержащие все необходимые сведения для организации радиосвязи ионосферными волнами на прогнозируемый срок. Эти прогнозы не могут учитывать нерегулярных изменений состояния ионосферы, вызванных магнитными бурями, внезапным повышением солнечной радиации и др.