А – взимку; б – влітку

Рисунок 13.5. Сезонне змінення електронної концентрації шарів ,,,_.

Рисунок 13.6. Змінення сонячної активності

Орієнтовну залежність сезонних змін об’ємної густини електронів у окремих шарах іоносфери наведено на рисунку 13.5.

Окрім добових та сезонних змін стан іоносфери залежить від періодичної 11-річної сонячної активності (рис.13.6). Змінення сонячної активності супроводжується появою сонячних плям, кількість яких визначають числом Вольфа (відносне цюріхське число сонячних плям) – один з індексів сонячної активності, який характеризує плямоутворювальну діяльність Сонця. Це число запропоновано у 1849 р. швейцарським астрономом Рудольфом Вольфом (Rudolph Wolf, 1816-1893), та названо в його честь.

,

де – кількість плям на дискуСонця;

g – кількість утворених цими плямамигруп,

k – нормувальний коефіцієнт, характерний для конкретного досліджувального комплексу.

Виявлено, що концентрація електронів у шарах змінюється приблизно однаково із зміною кількості сонячних плям: зменшення кількості плям веде до зниження електронної концентрації та до погіршення дальнього зв’язку на коротких хвилях. Попередній максимум сонячної активності помічено у 2002 році. Графік одинадцятирічних змін стану іоносфери зображено на рисунку 13.6.

Наддалекі поширення хвиль можна спостерігати взимку вдень, у роки максимуму сонячної активності. Існує пряма залежність між числом плям та інтенсивністю випромінення. Зростання інтенсивності випромінення (число Вольфа зростає), активізує іонізацію шарів, що створює кращі умови поширення радіохвиль на високих частотах.

13.2. Поширення радіохвиль в однорідному іонізованому газі

13.2.1. Сили, що впливають на електрон в іоносфері

З’ясуємо вплив іонізації (іонізованого газу) в шарах іоносфери на поширення радіохвиль.

Припустимо, що у просторі, який заповнено іонізованим газом, поширюється пласка вертикально поляризована хвиля (рис. 13.7):

, (13.1)

де – коефіцієнт фази (для вільного простору).

Рисунок 13.7. Модель процесу поширення пласкої вертикально поляризованої хвилі

В центрі системи координат , тому:

. (13.1а)

На кожен електрон іонізованого газу електричне поле діє із силою:

. (13.2)

Під впливом цієї сили заряджені частинки прискорюються. З іншого боку механічна сила, що діє на частинку, дорівнює добутку її маси на прискорення:

, (13.3)

де – маса електрона,– заряд електрона.

Звідки:

. (13.4)

Проінтегруємо (13.4):

, (13.5)

звідки швидкість частинки:

. (13.6)

Після диференціювання (13.1) отримаємо:

. (13.7)

На підставі (13.6) та (13.7), із урахуванням, що – швидкість переміщення частинки в іонізованому просторі маємо:

. (13.8)

Далі визначимо діелектричну проникність іонізованого газу.

13.2.2. Діелектрична проникність іонізованого однорідного газу без урахування втрат

Через одиницю поперечного перерізу простору за одиницю часу протікає електронів, що створюють струм провідності. З урахуванням (13.8), запишемо густину струму провідника:

(13.9)

У зв’язку з тим, що аналізується змінне поле, окрім струму провідності є також струм зміщення, його густина:

, (13.10)

де – діелектрична проникність простору.

Таким чином, повний струм є сумою двох струмів – струмів провідності та зміщення, його густина:

(13.11)

За порівнянням (13.9) та (13.11) стверджуємо, що іонізований газ можна характеризувати еквівалентною діелектричною проникністю:

. (13.12)

Особливістю цієї величини є можливість змінення знаку.