7. Распространение электромагнитных волн в атмосфере

Сигнал в виде электромагнитной волны (в частности, волны оптического диапазона) распространяется от передатчика к приёмнику по «радиоканалам», проходящим в различных средах. К таким средам относятся тропосфера, стратосфера, ионосфера, космическое пространство и водная среда (в основном, морская).

Тропосфера – неоднородный неионизированный слой воздуха над поверхностью земли до высоты 10…15 км (на полюсах и на экваторе соответственно). В тропосфере распространяются волны радиовещательных диапазонов, телевизионные сигналы, а также сигналы связной, локационной и навигационной информации.

Тропосфера обеспечивает высокие скорости передачи информации в широкой полосе частот до сотен ГГц, но вследствие непрерывных, как медленных, так и быстрых изменений диэлектрической проницаемости воздуха могут появляться искажения информации и даже прекращение её передачи. Указанные процессы имеют статистический (случайный) характер. Полные статистические законы, по которым изменяются параметры среды, как правило, отсутствуют. Ограниченность статистических данных некоторых процессов в тропосфере уменьшает точность прогнозов параметров РТС и РОС.

Стратосфера – часть атмосферы на высотах от 15 до 50 км над землёй, электрически нейтральная, очень разреженная среда. Она оказывает слабое влияние на распространение оптического сигнала.

Ионосфера – неоднородный слой ионизированной атмосферной плазмы, расположенный на высоте 50…600 км, защищающий атмосферу и земную поверхность от электронных потоков, рентгеновского и ультрафиолетового излучений Солнца.

Электроны и ионы (составляющие плазмы) возникают при фотоионизации под действием рентгеновского и ультрафиолетового излучения, а также при ударной ионизации молекул воздуха корпускулярными потоками (электронами и ионами). Ионизирующими факторами также являются космические лучи и мощные электрические поля, а также вызванные ими грозовые разряды.

В ионосфере образуется несколько концентрических ионизированных слоёв с максимальной концентрацией электронов 10⁵…10⁶ электронов в см³. Для волн короче 6-8 м и для оптических сигналов ионосфера прозрачна, поэтому распространение радиооптических сигналов с земной поверхности на большую высоту ограничивается прозрачностью тропосферы.

Космическое пространство представляет собой безграничную слабо ионизированную, неупорядоченную среду с концентрацией электронов порядка нескольких единиц Эл/см³. В ней хорошо распространяются волны инфракрасного и ультракоротковолнового диапазона.

В космическом пространстве содержится космическая пыль с частицами размером 1 мкм (графит или силикат). Все космическое пространство пронизывается потоками частиц высоких энергий >10 Гэв (10⁹ эв). Кроме того, первичное (реликтовое) космическое излучение приходит из Галактики, оно изотропно в пространстве и неизменно во времени. В его состав входят протоны (90%), альфа-частицы (7%) и атомные ядра, вплоть до самых тяжёлых, а также небольшое количество электронов, позитронов и гамма-квантов.

При взаимодействии космических лучей с ядрами атомов атмосферы образуется вторичное излучение, в состав которого входят все известные элементарные частицы. В космическом пространстве присутствует так называемое реликтовое излучение, яркостная температура которого составляет 2,7 К.

Оптические средства передачи информации в космическом пространстве имеют преимущества перед радиотехническими.

Морская вода является средой, обладающей высокой проводимостью, вследствие чего радиоволны в ней распространяются на расстояния, определяемые толщиной скин-слоя, в котором происходит затухание в е =2,71 раза. На частотах 10⁷; 10⁶; 10⁴ Гц толщина скин-слоя в морской воде составит соответственно 37,5 см , 346 см и 35 м. Световое излучение распространяется в морской воде на значительно большие расстояния. Наименьшим ослаблением обладают синий и зелёный цвета излучения. Как показали эксперименты, передача оптического сигнала в морской воде возможна на расстояния от 30 до 100 м.