книги из ГПНТБ / Белосток В.С. Распространение радиоволн (учебное пособие)

электронов и ионов,

образующихся

в результате

и о н и з а ц и и

г аз ов .

расщепления

Ионизацией, как известно, называется процесс

нейтральных молекул

на электроны

и ионы,

а работа, затрачи­

ваемая

для удаления

электронов

из

молекулы или

атома, назы­

вается

р а б о т о й и о н и з а ц и и .

Эта работа

обычно измеряется

магнитных колебаний,

излучаемых Солнцем (фотоионизация).

энергия кванта

этих колебаний

должна

превосходить работу

ионизации:

11VV2

(4.1)

-

где eU — работа

ионизации;

h. ---- 6,62.10-27 эрг/сек-—постоянная

Планка;

v — скорость выбиваемых

электронов;

АУф — длина

волны

ультрафиолетового излучения Солнца;

При условии, что

скорость

выбиваемых

электронов

равна

нулю,

из

соотношения

(4.1)

можно

определить

максимальную

длину

волны электромагнитных

колебаний,

способную

еще про­

извести ионизацию

ch

_

12400

о

(4.2)

АУф

e U

^

еЛ!

А

где

1 А(ангстрем)

1СГ8

см.

В таблице 1 приведены

данные о величине работы

ионизации

для различных

газов,

входящих

в

состав

атмосферы, а

также

ионизирующая длина волны Хуф,

подсчитанная по формуле

(4.2).

Таблица

1

Г а з

о 2

О

N2

N

Не

н 2

И

Работа ионизации,эе . . . »

12,1

13,6

15,5

14,5

24,8

15,5

13,6

Ионизирующая длина

О

1010

910

800

850

500

800

910

волны, А ..................................

Из таблицы видно, что ионизацию

могут производить весьма

короткие

электромагнитные

волны, лежащие

в

ультрафиолето­

вой части спектра. Понятно, что

интенсивность

ультрафиолето­

вого излучения

Солнца

зависит от

времени

года,

времени

суток,

широты

места

на

земном

шаре и

изменения

солнечной

актив­

ности.

ионизирующим

фактором является

м я г к о е

Весьма важным

р е н т г е н о в с к о е

и з л у ч е н и е

в

диапазоне

волн

от

10

до

с

и особенно солнечной короной.

300 А, создаваемое хромосферой

Со стороны длинных волн мягкие

рентгеновские лучи

непосред­

ственно примыкают к ультрафиолетовому излучению.

Важным ионизирующим

фактором

является

к о р п у с к у л я р ­

ное

и з л у ч е н и е

С о л н ц а .

Корпускулярное

излучение — это

дающие

высокими энергиями.

Однако

их действие

оценивается

в 1СГ8

части от ионизирующей

способности

ультрафиолетового

излучения Солнца.

* Расчеты показывают, что если

частица

обладает

массой

электрона,

то

для того, чтобы была произведена ионизация,

она должна иметь скорость

не

менее 2000 кж/сек.

Ионизацию создают

также м етео р ы — материальные тела,

вторгающиеся в земную

атмосферу со скоростями 11—73 км/сек..

стает средний уровень ионизации.

уровня

ионизации,

метеоры

Наряду с повышением среднего

создают так называемую м е с т н у ю

и о н и з а ц и ю . За

метеором

образуется след ионизированного воздуха со

средней

протяжен­

различного

веса,

попадающих

ежедневно

в земную

атмосферу,

и плотность ионизации N, образующейся непосредственно за эти­

ми частицами.

Таблица 2

Среднее число

Плотность иони­

Масса частиц, г Радиус частиц,

см

метеоров,

попада­

ющих за сутки

зации,

эл/см3

в атмосферу

1

0,4

ю5

2 •

1015

К Г 3

0,04

ю8

2 •

1014

К Г 5

0,008

ю10

5 • 1013

Следует заметить, что мелкие частицы могут быть обнаруже­

ны непосредственно

радиолокационным методом — путем

фикса­

ции отражений от ионизированного следа метеора.

Процесс ионизации в ионосфере характеризуйся и н т е н с и в ­

н о с т ь ю

и о н и з а ц и и , то есть числом

свободных

электронов,

возникающих под

действием

ионизирующего излучения

в

1 см3

в 1 сек (/s эл/см3

сек).

характеризуется

э л е к т р о н н о й

Степень

ионизации воздуха

к о н ц е н т р а ц и е й

( п л о т н о с т ь ю) , то

есть числом

свободных

электронов,

образующихся

в

1 с м 3

ионизированного

газа

(N эл/см3) .

рассуждения

показывают,

что даже в

однородной

Простые

по своему составу атмосфере интенсивность ионизации

s (следо­

вательно,

и электронная

концентрация N)

не постоянна

и

имеет

на некоторой высоте максимум.

и о н и з и р у ю щ е г о

Действительно,

пусть

5 — п л о т н о с т ь

п о т о к а ,

то есть поток

ионизирующей

энергии,

проходящий че-

рез

единицу

поперечного

сечения

в 1 сек, р — давление газа на

данной

высоте.

На

графике

рис.

4.1

изображены

зависимости

этих величин от высоты.

Как

видим,

плотность ионизирующего

потока S

убывает с приближением к земной поверхности, так как

энергия потока 5 тратится на

процессы ионизации,

диссоциации

и ряд других, а давление р возрастает.

На больших высотах, з

области малых давлений, ко­

личество

молекул,

способных

ионизироваться,

мало.

Поэто­

му

мала

и

величина

/5.

На

малых высотах плотность ве­

лика,

однако

наряду

с этим

мала

плотность ионизирующе­

го потока

S и энергия

его не­

достаточна

для

ионизации

большого

числа

молекул.

Отсюда следует, ЧТО на неРис- 4.1. Зависимость плотности иони-

которой высоте,

где

величи-

зиРУюЩего потока, давления и иитеп-

ны

о и р

»

велики.

сивпости ионизации

от высоты

достаточно

образуется

максимальное

чис­

В реальной

атмосфере, не однородной по своему составу, при

неоднородном

ионизирующем

потоке S

имеется несколько макси­

мумов ионизации, носящих

название

и о н о с ф е р н ы х слоев.

концентрация слоев F2

и Е соответственно уменьшается.

Однако

ионосферные

слои F2

и Е продолжают

существовать

в

течение

всей

ночи.

3 приведены

данные о

распределении

в

средних

В таблице

широтах электронной концентрации

в

ионосферных слоях.

Таблица 3

Слон

ЭЛ

Н,

км

Примечание

D

ю 2 -ЕЮ3

6 0 — 90

Ночью отсутствует

Е

1,5

10'

9 0 - 1 2 0

Существует постоянно

Ei

3

• 105

180

- 240

Существует преимущественно

летом

днем

f 2

1

10ь

300 -Е 450

Летом

1

2

10е

250 -г 350

Зимой

|

В

ионосфере,

помимо

процесса

ионизации, непрерывно

про­

исходит процесс

р е к о м б и н а ц и и ,

заключающийся

в том,

что

и

Наличие в верхних слоях земной

атмосферы

электронов

ионов определяет электрические параметры

ионизированного

газа — его диэлектрическую проницаемость

и проводимость з,

а

следовательно, его преломляющие и

поглощающие

свойства.

“Г—1—80,8 N

( 4 - 3 )

f

Следовательно, выражение для

коэффициента

преломления

ионизированной среды примет вид:

г

N

гг

(4.4)

80,8-—

f

где N — электронная концентрация,

эл/гж3;

/• — частота радиоволн, кг^.

ния (закон синусов)

и принимая

на нижней границе

ионосферы

гг У: 1, получим:

Риг. 4.3. Схема распространения

1 • sin

rtj-sindjО, /z2-sin02-

радиоволн в слоистой'ионосфере

-■-Як-sin 0k.

(4.5)

ния п с высотой (то есть при

возрастания электронной

концен­

трации N

с высотой) на каждый

последующий слой

волна па­

дает под

все

большим

углом

б,

так

что на

некоторой

высоте

(в каком-то ионизированном

слое

с

диэлектрической

проницае­

мостью,

например, sk)

произойдет

п о л н о е

в н у т р е н н е е

о т р а ж е н и е ,

то есть

угол

преломления бк станет равным 90°,

дит не на границе воздух — ионизированный газ,

а в толще иони­

зированного слоя. При этом отражение

может

произойти только

в той

области

высот

ионосферы, где коэффициент преломления

убывает с высотой, а

следовательно,

электронная

концентрация

возрастает с высотой.

между

электронной

концентрацией,

Выясним

соотношение

углом падения

волны

на нижнюю границу ионосферы и рабочей

частотой, которое должно быть выполнено для

того,

чтобы про­

изошло отражение радиоволн от ионосферы.

то есть sin6k = l .

При полном внутреннем отражении 0к а; 90°,

Тогда, сохраняя в равенстве (4.5)

крайние

члены,

можно запи­

сать

условие отражения (условие

поворота

радиоволны):

или

ып 'Jо

//,,•

80,8 N_

sin'

1

(4.6)

f

где

0о — угол

падения волны

на

нижнюю границу

ионосферы;

N — электронная

концентрация в эл/смг ионосферного слоя,

от которого происходит отражение радиоволны.

Таким образом,

при

определенной

электронной

концентра­

ции

N

волна данной

частоты

/

отразится

только в том случае,

если угол падения

0О равен

или

превосходит величину, опреде­

ляемую соотношением

(4-6). Чем больше

N,

тем при

меньших бн

возможно отражение.

(4.6)

можно

представить

в несколько

Очевидно,

выражение

иной форме

_УУ

или

cos260^80,8

f

ном падении волны при

заданных величинах N

и 0О.

Положив в формуле

(4.7)

0О= 0, получим

условие отраже­

ния (поворота) вертикально

направленного луча частоты / верт от

/ всрт

У

Ш .

(4.8)=

Из формул

(4.7) и (4.8)

получаем

/

Л еp,.sec0o.

■

(4.9)

Это соотношение между частотой наклонного луча /

и частотой

вертикально

направленного

луча

/ в с р т , которые отражаются от

одной и той же области

ионосферы, часто

называют

з а к о н о м

с е к а н с а .

концентра­

Таким образом, при одной и той же электронной

ции ионосферы N и наклонном

падении может отразиться

волна

частоты большей в sec 0О раз,

чем

частота волны,

отражаемой

слоем при вертикальном

падении. Иными

словами,

для отраже­

f

1/80,8 N

макс

.

(4. .0)

J кр

v

*

х

'

Если

частота

сигнала меньше

критической

частоты,

то

есть

/ <С /кр,

то волна

при вертикальном

падении

возвращается

на

Землю;

если ж е / > / кр, то волна

проходит

через

ионизированный:

слой.

Отсюда непосредственно

вытекает,

что

критическую

частоту

ионизированного слоя можно измерить методом

так называемо­

го вертикального

радиозондирования.

Для этих целей:

служат

различных ионосферных

слоев

д/

_

. f Kl>,

макс

80,8

максимума

ионизации)

При этом высота отражения h0 (высота

определяется по времени запаздывания импульса

At:

К

-у - Д *

где с — скорость

света.

'

Максимально применимая частота

Если в закон

секанса

(4.9)

подставить / Верт=/кр,

то мы полу­

чим

f

мпч

-

f

кр

sec 6

(4-11)

'

J

J

0

4

ИЛИ

/»„„ = V W A U 7 - s e c V

(4.12)

Это есть м а кс и м а л ь н о

п р и м е н и м а я ч а с т о т а

(МПЧ),.

то есть та наибольшая частота, при

которой сигнал,

направлен­

ный под углом 60, еще отражается от

ионизированного

слоя при

данном состоянии ионосферы.

МПЧ зависит

ют утла паде­

Очевидно,

значение

величины

ния 0о волны

на

ионосферный

слой,

то есть от

расстояния

R

от ионосферы

не

отражаются,

а

пронизывают

ее

насквозь

(рис. 4.4). Это

обстоятельство

обусловливает

ограниченность

рабочего диапазона

волн для связи

между двумя

наземными

пунктами с помощью ионосферных волн.