3.2. Электрические свойства тропосферы

Диэлектрическая проницаемость тропосферы. Электрические свойства атмосферы, как и любой среды, характеризуются диэлектриче­ской проницаемостью, магнитной проницаемостью и удельной проводи­мостью. Магнитная проницаемость атмосферы с достаточно высокой сте­пенью точности принимается величиной постоянной и равной магнитной проницаемости вакуума. Остальные два параметра испытывают значи­тельные изменения в зависимости от положения точки наблюдения, вре­мени, солнечной активности, частоты распространяющейся волны и т.д.

Относительная диэлектрическая проницаемость тропосферы

ε_т = [(1 + 1,552 × 10 ^-4) / Т](р + 4810е / Т),

где р - давление газа, мБар; е - абсолютная влажность воздуха, т.е. давле­ние водяных паров, мБар; Т - температура, К.

Из формул видно, что чем больше р и е, тем больше ε_т. Это связано с тем, что при возрастании р и е увеличивается число молекул в единице объема и, следовательно, ток поляризации. При увеличении Т возрастает скорость хаотического теплового движения молекул, препятствующего упорядоченному смещению связанных зарядов, т.е. ток поляризации уменьшается.

Относительная диэлектрическая проницаемость тропосферы связана с коэффициентом преломления тропосферы n_т выражением

n_т= =[1+(0,776×10 ^-4/Т)](р+4810е/Т).

Сильное влияние на коэффициент преломления оказывают водяные пары. Так как значение n_т (как и ε_т) весьма мало отличаются от единицы у поверхности Земли и лежат в пределах 1,00025...1,00046, то оперировать такими значениями не всегда удобно, поэтому для удобства был введен индекс коэффициента преломления тропосферы, показывающий насколь­ко миллионных долей коэффициент преломления отличается от единицы.

N = (n_т - 1 ) × 1 0⁶ = 77,6(р + 4810е / Т) / Т.

Численные значения индекса коэффициента преломления называются N - единицами. У поверхности Земли N_т меняется от 260 до 460 N - единиц. Зависимость величины N_т от высоты h оценивается градиен­том индекса коэффициента преломления тропосферы dN_т/dh.

Аналогичная зависимость для ε_т(h) имеет вид

ε_т(h) = 1 + 5,78 × 10 ^-4ехр(- 1,36 × 10 ^–4h).

На практике также пользуются понятием вертикального градиента диэлектрической проницаемости тропосферы

g_T = dε_T / dh = 2dn_T / dh.

На распространение радиоволн сильное влияние оказывают локаль­ные неоднородности диэлектрической проницаемости тропосферы.

Слоистые неоднородности представляют собой образования, гори­зонтальные размеры которых заметно превышают вертикальные. Одной из

основных причин их возникновения является температурная инверсия, а также наличие облачности.

Интенсивность неоднородностей слоистого типа, оцениваемая как отличие диэлектрической проницаемости в пределах слоя от диэлектриче­ской проницаемости окружающей среды колеблется от 10 ^-6 до (5...10)×10 ^-5 Число и интенсивность слоев с увеличением высоты над земной поверхно­стью уменьшаются. Размеры слоистых неоднородностей изменяются в широких пределах. Толщина слоев характеризуется величинами от деся­тых долей метра до нескольких сотен метров, а их горизонтальные разме­ры изменяются от десятков метров до десятков километров и более.

Неоднородности турбулентного характера имеют соизмеримые размеры во всех направлениях. Из-за малых сил вязкости движение атмо­сферного газа практически всегда турбулентное, так что неоднородности такого типа всегда существуют в тропосфере при любых метеоусловиях.

Размеры неоднородностей турбулентного происхождения опреде­ляются размерами (масштабами) элементарных вихрей и ограничиваются размерами от нескольких миллиметров до нескольких десятков метров.