книги из ГПНТБ / Красюк Н.П. Электродинамика и распространение радиоволн учеб. пособие

правления, например вдоль оси z. Мгновенное значение Е в какомто месте ионосферы будет изменяться по закону Е = Е теіші. Под действием электрического поля волны электроны с зарядом е, нахо­ дящиеся в этом месте, приходят в колебательное движение в на­ правлении вектора Е. Электроны будут двигаться со скоростью ѵэ, образуя электронный ток с плотностью

и ЭЛ----- с и э 1ѵ э?

Определим скорость движения электрона. Для этого найдем си­ лу, с которой электромагнитное поле действует на электрон. В со­ ответствии с законом Кулона сила F совпадает с направлением вектора Е и равна

F = e E = e € meimt.

Согласно второму закону Ньютона

где тэ — масса электрона.

Приравнивая правые части последних двух выражений, получа­ ем следующее уравнение движения электронов:

Величину, стоящую в круглых скобках, называют абсолютной диэлектрической проницаемостью ионизированного газа и обозна­ чают 8аи-

откуда относительная диэлектрическая проницаемость

проводимости уи ионосферы при учете столкновений электронов с нейтральными молекулами и ионами:

388

На высоких частотах, когда (о2^>ѵ2Эфф, можно пренебречь ѵ2Эфф по сравнению с ш2. Тогда формулы (13.23) и (13.24) упрощаются и принимают вид:

В этом случае электрические параметры ионосферы еи и уи за­ висят от частоты, т. е. ионосфера ведет себя, как диспергирующая среда.

ѵэфф

Здесь электрические параметры ионосферы еи и уи не зависят от частоты.

Из формул (13.22) и (13.23) следует, что относительная диэлек­ трическая проницаемость ионосферы еи меньше единицы, т. е. мень­ ше относительной диэлектрической проницаемости вакуума. Кроме тог^, ионосфера является неоднородной средой, так как электрон­ ная концентрация УѴЭ, а следовательно, величины еи и уи изменяют­ ся с высотой.

В отличие от тропосферы, где относительная диэлектрическая проницаемость незначительно отличается от единицы, в ионосфере в зависимости от изменений электронной концентрации и частоты радиоволны еи может принимать значения значительно меньше единицы. В частности, относительная диэлектрическая проницае­ мость может быть равна нулю или близка к нулю. В этом случае длина волны в ионосфере увеличивается во много раз по сравнению с длиной волны в свободном пространстве. В результате электриче­ ские параметры ионосферы на отрезке порядка длины волны могут резко изменяться.

Из формулы (13.24а) видно, что на высоких частотах, когда о)2^>ѵ2Эфф, проводимость ионосферы обратно пропорциональна час­ тоте, т. е. поглощение энергии радиоволн в ионосфере уменьшается с ростом частоты. Такая необычная зависимость поглощения от частоты физически объясняется тем, что с увеличением частоты ра­ диоволны в силу инертности электрона уменьшается амплитуда его

389

колебаний и, следовательно, снижается вероятность столкновений электронов с нейтральными молекулами и вероятность передачи кинетической энергии от первых вторым.

изменения. Аномальными или нерегулярными изменениями являют­ ся ионосферно-магнитные возмущения, внезапные поглощения и об­

где №йэ= Л / — электронная концентрация при х = 0; X — Угол

г®Эфф

между направлением солнечных лучей и вертикалью. Максимальная концентрация наблюдается днем, когда Солнце

занимает наивысшее положение. Этому правилу следует концен­ трация в областях D и Е . Исключением является область F 2, для которой характерно существование двух явно выраженных режи­ мов — «зимнего» и «летнего».

Суточное изменение электронной концентрации области F 2 в зимнее время характеризуется высоким максимумом в полуденные часы и глубоким минимумом в предрассветные часы. В летнее время суточные изменения в области F 2 имеют более сглаженный харак­ тер. Это объясняется по-видимому нагреванием атмосферы и подъе­ мом воздушных масс в летнее, время.

390

На рис. 13.11 приведены графики суточных изменений электрон­

ной концентрации и высот областей Е, Fi и F2 в летнее (а) и зимнее (б) время.

11-летним циклом солнечной активности, изменение которой сопро­ вождается изменением интенсивности ультрафиолетового излучения Солнца. Солнечная активность оценивается относительным средне­ годовым числом солнечных пятен. Последние представляют собой вихри во внешних областях Солнца, которые видны как темные пят­ на на его диске и свидетельствуют о местных повышениях темпера­

г оте следует за изменениями высоты Солнца в соответствии с за­ коном

N * = N ™ V cos (cp —x),

где ф — географическая широта места наблюдения.

В области F2 электронная концентрация определяется не геогра­ фической, а геомагнитной широтой (магнитным наклонением) с ми­ нимумом в области магнитного экватора и с максимумом при маг­ нитном наклонении 28-ь38°.

391

И о н о с ф е р н о - м а г н и т н ы е в о з м у щ е н и я происходят в результате хромосферных вспышек (флоккул) на Солнце, которые сопровождаются мощными извержениями потока заряженных ча­ стиц. Попадая в сферу влияния магнитного поля Земли и двигаясь по спиралям вдоль силовых магнитных линий в направлении к по­ люсам, потоки заряженных частиц через несколько дней после вспышки нарушают обычную структуру ионосферы. Их действию подвержена в основном внешняя область F 2. Ее электронная кон­ центрация уменьшается, нарушается правильная структура области и появляются промежуточные быстроменяющиеся слои в виде элек­ тронных скоплений.

Причиной ионосферно-магнитных возмущений считают повыше­ ние температуры верхних слоев атмосферы на 600-^800° на высотах от 200 до 700 км, которое происходит благодаря взаимодействию магнитного поля Земли с быстродвижущимися заряженными час­ тицами. Это приводит к увеличению коэффициента рекомбинации и, следовательно, к уменьшению электронной концентрации.

Ионосферно-магнитные возмущения обычно сопровождаются по­ лярными сияниями и резкими изменениями напряженности маг­ нитного поля Земли — магнитными бурями. Магнитное поле Земли частично обусловлено движением зарядов в ионосфере, и всякое из­ менение электронной плотности ионосферы приводит к изменению магнитного поля Земли. Во время возмущений, как правило, нару­ шается коротковолновая радиосвязь от нескольких часов до несколь­ ких суток.

В настоящее время разработана методика прогнозирования ионо­ сферно-магнитных возмущений на месяц, на 5 суток, на 12 часов вперед, в основу которой положена 27-дневная повторяемость ионо­ сферно-магнитных возмущений, обусловленная 27-дневным перио­

происходят вспышки интенсивного ультрафиолетового и рентгенов­ ского излучения. Эти излучения обладают большой проникающей способностью и вызывают сильную ионизацию в области D и ниж­ ней части области Е. В результате почти мгновенно наступает пол­ ное или частичное поглощение коротких волн и нарушается радио­ связь на большинстве трасс. Это явление продолжается от не­ скольких минут до одного-двух часов и может возникнуть только на освещенной части Земли. В экваториальных областях и в летнее время оно происходит чаще и проявляется интенсивнее. Вероятность его появления увеличивается в годы максимума солнечной актив­ ности. Так как продолжительность явления внезапного поглощения невелика, то процент нарушения радиосвязи за счет него относи­ тельно мал по сравнению с нарушениями из-за других нерегуляр­ ных явлений.

Внезапные поглощения не прогнозируются, оценивается только вероятность возникновения этого явления в течение суток в зависи­

392

сотах 904-110 км. Он представляет собой скопление сильно ионизиоованных облаков, разделенных промежутками слабо ионизирован­ ного газа. Такой «решетчатый» спорадический слой имеет протя­ женность в десятки и сотни 'Километров и может перемещаться в каком-либо направлении под действием господствующих в ионосфе­ ре ветров. Время его существования составляет обычно несколько часов.

Географическое распределение слоя Е с неравномерно и изме­ няется во времени. В экваториальных районах он наблюдается в течение всего года в дневные часы, а в средних широтах — в днев­ ное время в течение 154-20 дней в месяце. В полярных районах спо­ радический слой наблюдается во все времена года преимуществен­ но в ночные часы.

Вероятность появления слоя Е с в ночное время увеличивается с ростом геомагнитной широты и достигает максимума примерно на широте 70°. В дневное время максимум вероятности появления слоя

Е с наблюдается вдоль магнитного экватора. На сравнительно не­ больших удалениях от него (±10°) вероятность появления слоя Е с резко падает и составляет меньшую величину, чем на средних широ­ тах.

Согласно существующим гипотезам причиной появления спора­ дического слоя являются тепловые процессы в области Е ионосфе­ ры, а в полярной зоне — возмущение области Е потоками заряжен­ ных частиц.

Спорадический слой может быть как прозрачным, так и непроз­ рачным для коротких радиоволн. Во втором случае он обладает экранирующим действием и нарушает работу коротковолновых ли­

§ 13.8. М И КРОСТРУКТУРА ИОНОСФ ЕРЫ

Наряду с крупномасштабными неоднородностями в виде спора­ дического слоя Е с в ионосфере существуют более мелкие неодно­ родности в виде облаков и отдельных гранул с повышенными или пониженными значениями электронной концентрации по сравнению с электронной концентрацией окружающей ионосферы.

Причины возникновения неоднородностей до конца не ясны. По­ лагают, что возможной причиной, по крайней мере в нижней ионо­ сфере до высот 1304-150 км, являются турбулентные движения воз­ духа.

Хотя точные размеры неоднородностей неизвестны, по данным различных экспериментов в ионосфере имеются неоднородности с размерами от нескольких метров до десятков километров.

Например, из опытов на УКВ следует, что на высотах 604-80 км в области D размеры неоднородностей составляют 54-8 м. В облас­ тях Е и F наиболее часто встречаются неоднородности размерами 1504-400 м. Радиоастрономическими наблюдениями за мерцаниями

393

Г л а в а 14 РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН В АТМОСФЕРЕ

§ 14.1. РЕФРАКЦИЯ РАДИОВОЛН В НЕОДНОРОДНОЙ ТРОПОСФЕРЕ

До сих пор мы рассматривали явления, имеющие место при рас­ пространении радиоволн главным образом в однородном простран­ стве и при наличии различных сред со скачкообразным изменением электромагнитных свойств на границе раздела. Остановимся теперь на особенностях распространения радиоволн в среде с электромаг­ нитными параметрами, плавно изменяющимися в пространстве.

При распространении радиоволн в среде с плавным изменением свойств, определяющих плавное изменение коэффициента прелом­ ления, имеет место рефракция радиоволн. Характерными примера­ ми сред с таким изменением показателя преломления п, как следу­ ет из главы 13, являются тропосфера и ионосфера. Вначале рассмот­ рим рефракцию радиоволн в тропосфере.

В тропосфере диэлектрическая проницаемость е, а следователь­ но, показатель п и индекс N преломления уменьшаются с высотой. Хотя изменения п невелики и составляют десяти- и стотысячные до­ ли единицы, они приводят к появлению рефракции радиоволн. Стро­ гие методы исследования распространения радиоволн в слоистых неоднородных средах, к которым относится тропосфера, являются довольно сложными [29, 52]. Поэтому здесь проведем упрощенное рассмотрение явления рефракции радиоволн, в основу которого по­ ложено приближение геометрической оптики.

Приближение геометрической оптики. Как было показано в [8],

по мере укорочения длины волны уменьшаются поперечные разме­ ры эллипсоида вращения, существенного при распространении ра­ диоволн. В пределе при Я-Ю эллипсоид превращается в линию, сое­ диняющую источник и точку наблюдения. Одновременно по мере укорочения длины волны сферические участки волновых поверхно­ стей в пределах сечения существенного эллипсоида становятся все более плоскими. Поэтому по мере укорочения длины волны отра­ жение и преломление волн на границе раздела будет все более при­ ближаться к законам отражения плоских оптических волн.

С другой стороны, при падении плоской волны на границу раз­ дела двух сред коэффициент отражения будет тем меньше, чем меньше отличаются друг от друга электрические параметры обеих сред. Почти вся энергия падающей волны переходит во вторую сре­ ду в виде энергии преломленной волны, и лишь незначительная ее часть содержится в отраженных волнах.

Если среда неоднородная и ее электрические параметры меня­ ются от точки к точке, то распространение радиоволн сопровож­ дается непрерывным искривлением траектории и частичным их от­ ражением на всем пути распространения. Подобное явление проис­ ходит, в частности, в тропосфере, существенной особенностью кото­

395

рой является то, что свойства среды здесь мало изменяются на уча­ стке пути порядка длины волны. Поэтому доля отраженных волн незначительна, и ими можно пренебречь. Схематическая картина распространения радиоволн в тропосфере показана на рис. 14.1.

Смысл приближения геометрической оптики как раз и заключается в том, что пренебрегают влиянием отраженных волн, незначительных по амплитуде, и учитывают только преломленную волну.

Условие примениемости геометрической оптики может быть сформулировано следующим обра-

Рис 14.1 30м: относительное изменение показателя пре­ ломления на отрезке, равном длине волны ).с в среде (в тропосфере), должно быть пренебрежительно малым, т. е.

должно удовлетворяться неравенство

Неравенство (14.2) является математической записью условия применимости метода геометрической оптики к изучению распрост­ ранения радиоволн в неоднородной среде. Применительно к тропо­ сфере неравенство (14.2) выполняется практически для радиоволн любого диапазона, так как в тропосфере показатель преломления очень мало отличается от единицы.

Уравнение траектории и ра­ диус кривизны луча. Для упро­ щения анализа процесса рас­ пространения радиоволн пред­ положим, что тропосфера сос­ тоит из ряда тонких сфериче­ ских слоев, в пределах каждого из которых показатель прелом­ ления п остается постоянным. Обозначим показатель прелом­

396