книги из ГПНТБ / Левитский, Г. Е. Распространение радиоволн
.pdf§ ІО. Иносфера и её влияние на распространение радиоволн.
Этот параграф имеет целью ознакомить учащихся с элек трическими' свойствами иносферы,рядом явлений,наблюдаемых при распространении радиоволн в ней и некоторыми ваннейшими закономерностями,присущими указанным явлениям.
I.Электрические свойства ионизированного газа
истроение ионосферы
Под влиянием ультрафиолетового и корпускулярного излучений ооляца, в первую очередь,а также излучения звезд, космических лучей и движущихся в атмосфере метеоритов,проис
ходит ионизация её газов.В результате чего в газах ионосферы
всегда содержатся свободные |
электроны и ионы. Их распределе |
|
ние характеризуется величиной М э[^ и ) , равной отношению |
||
числа свободных |
электронов / |
ионов / в элементе объема Л i f , |
к величине этого |
объема, она |
Мэу и/<А/ц/ получила наименование |
электронной /ионной/ концентрации.
Легко сообразить,что в каждый момент времени в ионосфе
ре должна |
существовать хотя бы одна высота на которой |
|
достигает |
максимума. |
_ |
Действительно, на очень больших высотах^д |
аѳмлѳй^/^/^/ |
|
|
стремится к нулю иа-эа ничтожно малой |
плотности |
гавов, так как стремится к нулю число молекул в единице объема, которые могут бдпь ионизированы^ на малых же высотах слаба ин тенсивность ионизирующих факторов - ивлучѳния солнцами других
из-за поглощения в атмосфере, благоцаря чту на этих
220
высотах также мало.
Олой атмосферы,в котором наблюдаются значительные
электронные концентрации^получил наименование ионосферы.Ниж
няя граница её |
находится на высотах 60 •* 70 км, высота верх |
ней достигает |
1000 км. |
На протяжении длительного времени осуществлялись регу |
|
лярные измерения электронных концентраций в ионосфере с по |
|
мощью так называемых ионосферных станций.В последнее десяти летие проводились непосредственные измерения Л/э с помощью аппаратуры,установленной на ракетах и исскуственных спутниках
земли.
В результате всех этих измерений удалось создать кар
тину распределения электронных концентраций по высоте /рис.59/,
из которой |
что в ионосфере наблюдается один максимум jYs |
|||
и несколько |
б еслоев,д н о , |
внутри которых |
мало зависит от |
высо |
ты. Эти слои получили наименование ионосферных слоев |
и |
|||
/рис. 59/.- |
|
|
|
|
Рис.59.■
Ш
Следует подчеркнуть,что электронные концентрации ж9
в ионосферных слоях изиеняптся во времени: дней они-выше чем ночью; наблюдаются такіе сезонные и одиннадцатилетний цикл
изиенения |
м |
. |
|
|
|
|
|
Ионизированные слои характеризуются тремя величинами: |
|||||
высотой нижней границы - И |
.величиной |
электронной кон |
||||
центрации |
|
и. частотой |
столкновений свободного апектро- |
|||
на с нейтральными молекула»« |
? . , |
|
|
|||
Отдельные слои имеют следующие значения этих величин: |
||||||
слой «0 : h = 60-80 км, Мз - IO^-Ю3^ ? , |
)) = до |
ІО^сек“^/ |
||||
слой £ |
: h |
=I00-II0KM,^>=I,5-I05-5*I03^ > ))= до |
І05свк"1« |
|||
слой ? |
: k |
=е50-ад0кц,Ж = |
ß-IO^-IOTâJ,, ?= ІО3- Гобсек“1. |
|||
|
|
|
|
сж |
|
|
Наличие электронов и ионов в ионизированном газе оказы
вает влияние на его диэлектрическую проницаемость и проводи мость.
Опуская выкладки^приведем формулы для относительной диэлектрической проницаемости я проводимости ионизированного газа;
ѵ |
’ /* (* * ч ) |
\ |
е=г,»гмг— (154)
где |
J- |
- |
частота колебаний; |
|
СО |
- |
круговая частота. |
|
|
|
I |
Формулы |
(154) справедливы при .бс?» р |
||
Обратим внимание на гавне.-. .оси ~ И 6“ от частоты |
|||
/ |
, |
|
|
колебаний.Чем выше частота,тем параметры ионизированного газа
222'
ближе к параметрам свободного пространства: -ё- |
к |
I, а |
|
к 0.Существует чаатота / |
-J o ,при которой |
Ж- |
=0; |
|
|
Со |
|
она называется собственной частотой ионизированного газа или частотой Ленгмюра.
Проводимость газа зависит от частоты столкновений V ,
которая находится в прямой зависимости от плотности газов.
Оказывается,что |
"9 |
убывает с высотой быстрее.,чем растет |
|||||||
Мэ , поэтому и проводимость ионизированного |
газа |
убывает с |
|||||||
высотой1: в слое |
-Й) |
она вше, чем в |
, |
а в |
S |
~ чем |
|||
В |
<г |
. |
|
і |
|
|
|
|
|
* |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
Специально поставленнь'е опыты пока зквевт, что |
электрон- |
||||||
■ная концентрация |
|
, является случайной функцией положения |
|||||||
точки наблюдения и времени.Данные об ионосфере,приведенные |
|||||||||
выше,относятся к средним значениям |
.Строго говоря,ионо |
||||||||
сфера |
|
представляет |
собой область,заполненную движущимися |
||||||
ионизированными облаками ( неоднородностями |
|
|
). |
||||||
2. Отражение радиоволн от ионосферы.
Рассмотрим луч в ионосфере.Во имя упрощений будем
приближенно полагать,что электронная концентрация в ионосфе ре ізависит только от высоты,а влиянием постоянного магнитно
го поля земли на форму луча |
можно пренебречь. |
|
|
/ Показатель преломления ионосферы |
= |
,как видно |
|
из формулы (154),зависит от |
величины ^ |
,а |
последняя яв |
ляется функцией высоты. Следовательно,ионосфера приближенно может рассматриваться как среда с радиально симметричным рас пределением" показатели преломления И и уравнение луча в ионосфере будет описываться соотношением (94),если в него
п одстави ть значение |
-f- |
ИЗ (154) |
7 І223 • |
|
|
|
Сі55; |
|
Напомним смысл величин,входящих в |
это уравнение: |
|
|
электронная концентрация в |
, зависящая от ексо- |
|
тн ^ |
; |
|
|
f |
- частота колебаний в кгц; |
|
|
Q. - радиус зешш в км; |
|
|
|
k |
- высота текущей точки М ' на луче |
(рио.60). |
|
У |
- угол,образованный касательной к лучу в точке М |
и |
||||
вертикальным направлением ; |
|
|
|
|||
if |
- значение |
f |
при |
h |
= 0. 1 |
|
|
Уравнение |
(155) |
можно |
упростить, если учесть, что ^Ь |
. « і |
|
и пренебречь этой величиной |
в сравнении с единицей. |
|
||||
Тогда получим:
(156)
2 2 4
Вобласти, заключенной межпу нижней границей ионосферы
иповерхностью, в точках которой ■Л/з достигает максимума,
•Л/э'возрастает с высотой (рис.59). В этой области, как сле
дует |
из (156), угол Н |
будет также возрастать о увёличѳнием |
ft |
» а ето означает, что луч в указанной области будет иск |
|
ривляться выпуклостью вверх, т .е . будет наблюдаться положи |
||
тельная рефракция. |
|
|
|
Если луч, посланный под некоторым углом к горивонту, в |
|
результате его искривления в ионосфере возвращается к ѳемле (рис.60), то говорят, что происходит отражение радиоволны от ионосферы.
Этот случай представляет большой практический интерес,
так как он очень часто сопровождается нѳеначительным ослаб лением радиоволны на пути передающая антѳнна-ноносфѳра-прием- ная антенна, расположенная йа земле, и возникает возможность передачи сигналов с помощью отраженных от ионосферы волн ог
ромные расстояния (практически на любые земные) при относи
тельно маломощных передатчиках, чего нѳльэя достигнуть о по мощью поверхностных (дифракционных) волн.
Сформулируем условия отражения луча от ионосферы, под
которым понимаютря условия, при выполнении которых наблюдает ся отражение луча от ионосферы.
Очевидно, что явление отражения луча будет наблюдаться
в том случае,, если на |
луче имеется наивысшая над землей точка |
|
JV* %в которой угол |
Н - |
(рис.61). Полагая в (156)У~|~ |
получим искомые условия отражения в вице уравнения: |
||
. . Л п .% |
- / / - Л |
(157) |
6 |
||
15 Зэк. 6р. |
225 |
А/
â -ъемля, НГИ-нижмл граница мноареры
Из последнего соотношения видно., что возможность отраже
ния радиоволны от ионосферы зависит от соотношения величин:
угла у? |
|
, под которым луч послан в ионосферу/ |
-ве |
||||
личины электронной |
концентрации в нея, а также частоты ко |
||||||
лебаний |
у |
. Проанализируем зависимость возможности отра |
|||||
жения от |
каждой |
из перечисленных |
величин. |
|
|||
Зафиксируем угол |
ір0 |
и максимальное значение^ =^н?ар, |
|||||
будем изменять частоту |
колебаний |
у |
|
||||
Чем больше |
У |
, |
тем |
требуется большее значение |
, |
||
как |
это следует из (157), |
для отражения луча, а это |
означает, |
||||
что |
с ростом частоты |
J- |
будет расти вчсота точки |
J / |
|
||
Срис.60), |
которую условно |
назовем точкой |
отражения. |
Найдется |
|||
частота |
j- = |
при |
которой точка |
отражения |
М |
, |
|
226
окажется совпадающей с точкой, где |
J/э - -Ѵэ/тх |
|
При дальнейшею увеличении |
/ |
.условие отражения (157) |
выполняться не будет и отражение |
не произойдет.Таким образом, |
|
при заданных |
и ß/этах йудет |
существовать наибольшая час |
тота , при которой ещё будет наблюдаться отражение.Картина лучей
при различных значениях У изображена на рис.62.
Зафиксируем Мэтах и частоту' ,вэяв её
достаточно большой,но такой,чтобы при некотором угле % наблю далось отражение.Из (157) следует,что при достаточно . большой
частоте |
/ - fx p |
будет существовать критическое значение |
|
% ~ Уохр |
.Псе лучи,посланные под углом (f0 > |
УДУ? отра |
|
жаться от |
ионосферы,а все лучи,посланные,под углами (f>p < |
||
не будут отражаться |
(рис.65). Причем |
будет тем |
|
больше,чем больше f |
, если гадало Л/этах . |
Особый интерес представляет отражение вертикально направленного луча ( % ~ 0 j .Подставляя в (157) if^O-
получии условие его отранения.
|
|
|
Г ~ ----------- |
~ - |
(15) |
|
|
|
80,bA/9{hj , |
||
где |
fg |
- частота |
вертикально направленного луча. |
||
|
Важно обратить |
внимание |
на то,что |
между частотой вер- . |
|
тикально направленного луча и.величиной электронной концентра ции в точке его отражения существует простая однозначная связь, выражаемая условней (І58).Измеряя тем пли иным способом высоту,
на которой происходит отражение ве^икаисно |
направленного луча • |
||
'.заданt.о». частоты J-0 |
,«o*uo но ( .‘рнуле |
(15') |
онр»';.;, ,ѵ..пг |
величину м м электронной концентрации на |
этой |
высоте. |
|
2 2 8
Описанное свойство отражения вертикально направленных лучей используется в так называемых ионосферных станциях для изме рения Электронных концентраций в ионосфере.
Ясно,что существует паиболъсая частота вертикально |
|
направленного луча,который отражается от данного слоя.Эта |
|
частота получила наименование критической частоты |
: |
|
|
|
|
|
в слое. |
|
Таким образом,критическая частота слоя однозначно связа |
||||
на с максимальным значением электронной концентрации в нем. |
|||||
Поэтому принято последний |
характеризовать |
критической часто |
|||
той |
Кр |
’ |
|
|
|
|
|
|
|
||
та ионосферных станциях,позволяет указать |
значения критичес- |
||||
ких частот |
слоев £)у |
</ |
: |
|
|
МГЦ ,
днем
ночью
2Й9