5.8. Электромагнитные свойства поверхности и атмосферы Земли

Земной шар – это тело почти сферической формы. Радиус сферы – 6370 км. В большинстве радиолиний приемная и передающая антенны приподняты над поверхностью Земли на высоту существенно меньше радиуса Земли, а длина трассы радиосвязи колеблется от нескольких километров (телевещание и телесвязь) до нескольких тысяч километров (радиовещание и радиосвязь). В зависимости от длины трассы используются различные модели земной поверхности.

Электромагнитные свойства земной поверхности

Свойства земной поверхности в значительной степени определяют условия распространения электромагнитных волн. Все материальные среды, составляющие подстилающую поверхность, как правило, немагнитны, и их магнитную проницаемость с большой степенью точности можно считать равной единице. Диэлектрические свойства основных видов подстилающих поверхностей приведены в таблице 5.2

И диэлектрическая проницаемость, и проводимость изменяются в широких пределах. Воспользовавшись этими двумя величинами, можно получить комплексную диэлектрическую проницаемость

.

Вещественная часть этой величины пропорциональна суммарной плотности тока смещения и поляризационного тока, а мнимая часть характеризует токи проводимости.

На низких частотах основной вклад в диэлектрическую проницаемость дает мнимая часть и при → 0 все виды подстилающих поверхностей металлоподобны. При проведении оценочных расчетов на частотах ниже одного мегагерца земную поверхность можно считать идеально проводящей. С ростом частоты начинают сказываться потери, возникающие при отражении от земной поверхности.

ёТаблица 5.2

Вид среды	Частота (МГц)	Диэлектрическая проницаемость	Электрическая проводимость (См/м)
Морская вода	Менее 3102 3 103 104 105	75 70 65 10	1 – 6 1 – 6 10 – 20 10 – 20
Пресная вода рек и озер	Менее 3102 3 103 104 105	80 75 65 10	10-2 1 – 2 10 – ­20 10 – 20
Влажная почва	Менее 3102 3 103 104	20–30 20–30 10–20	210-2– 0,3 0,5 – 1 1 – 3
Сухая почва	Менее 3102 3 103 104	3–6 3–6 3–6	10-5–210-2 10-2–710-2 10-1–210-1
Мерзлая почва	Менее 3102	3 – 6	10-3–10-2
Лед (Т = –10 0С)	Менее 3102 3 103 104	4 – 5 3 – 5 3 –2	10-2 – 10-1 10-4– 10-3 10-4– 10-3
Лес	Менее 3102 3 103	1,004 1,04 – 1,4	10-6– 10-5 10-5– 10-3

Электромагнитные свойства земной атмосферы

Атмосфера Земли состоит на 78% из азота, на 21% из кислорода. На долю других компонентов (углекислый газ, водяной пар, инертные газы) приходится всего один процент. Физические параметры атмосферы сильно зависят от высоты, поэтому атмосферу принято делить на нижнюю (тропосфера, до 15 км, и стратосфера, до 60 км) и верхнюю или ионосферу (свыше 60 км). Физические процессов в нижней части атмосферы определяются интенсивным теплообменом и переносом больших воздушных масс. Ионосфера подвергается интенсивному облучению Солнца и других космических источников. Атмосфера удерживается за счет гравитационного поля Земли.

Давление на уровне мирового океанасоставляет примерно 0,1 МПа. В нижней части атмосферы давление падает с высотой практически линейно со скоростью 12 кПа/км. В ионосфере давление падает быстрее и закон его изменения приближается к экспоненциальному.

Температура атмосферытакже изменяется с высотой (рис.5.11). У поверхности Земли температура в среднем приближается к 300К. В нижней части атмосферы она падает и в нижней части ионосферы составляет 200К. В ионосфере температура снова растет и на высоте 1200 км достигает 1200К.

К

онцентрация молекул газаN_m(см. рис. 5.11) может быть рассчитана, если известно давление и температура

,

где k = 1,3810^-23Дж/К – постоянная Больцмана. Число частиц у поверхности Земли составляет 2, 4110²⁵ м^-3.

В ионосферепод действием интенсивного облучения происходит диссоциация молекул и ионизация атомов. Параллельно с этим идет обратный процесс объединения ионов в молекулы и рекомбинация. В результате устанавливается равновесие и концентрация электронов и ионов стабилизируется. Степень ионизации зависит от интенсивности ионизирующего излучения, поэтому она изменяется с высотой.

Важный параметр ионизированного газа – концентрация свободных электронов. Она различна днем и ночью, поскольку в разное время суток количество подводимой к ионосфере энергии различно. Зависимость числа электронов с высотой неоднородна. Те области, в которых плотность электронов примерно постоянна, называются слоями.

Известны четыре наблюдаемых более или менее регулярно слоя:D,E,F₁,F₂(рис.5.12). СлоиEиF₂непрерывны и наблюдаются над всем земным шаром, а слоиDиF₁регулярно появляются лишь в определенное время суток и года. Кроме того, в слояхEиF₂время от времени появляются облака с повышенной концентрацией электронов.

Слой Dрасположен на высоте 60 – 90 км. Средняя концентрация электронов в нем – 10⁹м^-3. СлойDночью пропадает.

Слой Ерасположен на высоте 120 – 130 км. Концентрация электронов в нем составляет днем 210¹¹м^-3, а ночью 510⁹м^-3. Нижняя граница северных сияний находится в слое Е.

Слой Fрасположен на высоте 200 – 500 км. В этом слое наблюдается наибольшая концентрация электронов. СлойF₁формируется только летом в дневные часы на высоте 200 – 220 . Концентрация электронов в нем составляет 210¹¹– 510¹¹м^-3. Максимального значения 210¹²м^-3концентрация достигает в слоеF₂. Затем она плавно уменьшается с высотой. На высоте 2000 – 3000км атмосфера заканчивается.

Ионизация верхней атмосферы в сильной степени определяется состоянием Солнца. Степень ионизации изменяется со временем суток, с сезоном и фазой цикла солнечной активности. Сильное влияние на состояние ионосферы оказывает бомбардировка ее частицами солнечного происхождения, вызывающая магнитные бури и полярное сияние.

Существует международная служба, занимающаяся прогнозом состояния ионосферы. Использование таких прогнозов позволяет значительно повысить надежность работы радиосвязи в земных условиях.