Глава 10 Влияние тропосферы на распространение радиоволн

Лекция 20 Диэлектрическая проницаемость тропосферы. Рефракция радиоволн в тропосфере.

Тропосфера – нижний слой атмосферы до высот 10÷15км. Верхняя граница определяется высотой, на которой перестает уменьшаться температура. В разных географических областях эта верхняя граница разная, для полярных районов ~5÷7км, в тропиках, где тропосфера прогревается от земли сильнее ~17км. Тропосфера пристально изучается (метеостанции, метеорологические зонды), поскольку в ней происходят явления, определяющие погоду, так же это связано с авиационной, ракетной техникой.

Физическими параметрами атмосферы являются:

1. Состав атмосферного газа. Молекулам и атомам химических элементов, соответствует определённая электрическая и магнитная структура, от которой зависят электрические и магнитные параметры атмосферы. Состав тропосферы - 4/5 азота и 1/4 кислорода, состав постоянен. Это связано с перемещением воздушных масс под действием ветров, перемещением нагретого от поверхности земли воздуха вверх, холодного вниз.

2. Температура является мерой средней кинетической энергии движения частиц газа и влияет на его электрические параметры. Температура с высотой равномерно падает, тропосфера нагревается от поверхности земли (снизу вверх). Прекращение уменьшения температуры и служит верхней границей тропосферы.

3. Давление. Несмотря на малую высоту в тропосфере сосредоточено 4/5 всей массы воздуха. С высотой давление воздуха уменьшается. Плотность тропосферы так же с высотой уменьшается.

4. Относительная влажность S(%). – отношение давление водяного пара к давлению насыщенного пара. Водяные пары возникают в результате испарения влажности с поверхности океанов, морей и океанов. Содержание водяного пара быстро уменьшается с высотой.

В отличие от параметров земной поверхности, которые практически не меняются во времени, диэлектрическая проницаемость и проводимость тропосферы подвержены пространственным и временным флюктуациям (колебаниям). Изменение параметров бывают регулярные (суточные, сезонные, географические). Нерегулярные изменения параметров возникают из-за перемещения воздушных масс. При рассмотрении распространения радиоволн в тропосфере (в воздухе) вводится понятие стандартной тропосферы с усредненными параметрами.

Тропосфера, как и любая среда, характеризуется диэлектрической проницаемостью ε, магнитной проницаемостью μ и проводимостью σ. Магнитная проницаемость всей атмосферы с достаточно высокой степенью точности принимается величиной постоянной и равной магнитной проницаемости вакуума, то есть относительное значение μ=1. Потери в тропосфере существенны только в диапазоне сантиметровых и более коротких волн, тогда и учитывается проводимость σ и пользуются комплексной диэлектрической проницаемостью.

Физические параметры тропосферы определяют её диэлектрические свойства:

, (10.1)

где р и р_пар выражены в миллибарах, Т – в градусах по шкале Кельвина.

У поверхности земли ε чуть больше единицы, для стандартной тропосферы ε = 1,000625. В тропосфере принято работать с показателем преломления , на поверхности земли n=1,000325. При расчётах неудобно пользоваться такими значениями n поэтому вводится индекс преломления N=(n-1)*10⁶. При столь малом отличии n от единицы, существенным оказывается уменьшение показателя преломления с высотой (рис. 10.1).

Рис. 10.1 Изменение показателя преломления с высотой:

1 – идеализированный график для стандартной тропосферы;

2 – реальный график, полученный в результате измерений.

В стандартной атмосфере на линейном участке зависимости n(h) градиент индекса преломления равен 1/км. В неблагоприятных с точки зрения распространения радиоволн районах (горных), когда требуется повышенная надёжность радиосвязи прибегают к экспериментальному измерению вертикального профиля показателя преломления.