5.9. Строение ионосферы. Понятие критической и максимально

применимой частот слоев ионосферы. Влияние ионосферы

на распространение радиоволн

Ионосфера, часть атмосферы Земли, которая начинается на высоте 50 - 80 км. На распространение радиоволн влияние оказывает та часть ионосферы, которая находится на высотах ниже 500 км.

Под действием солнечного и космического излучения в ионосфере непрерывно происходят процессы ионизации и рекомбинации. Считается, что ионосфера представляет собой плазму, состоящую из электронов и положительно заряженных ионов. Электродинамические параметры ионосферы (относительная диэлектрическая проницаемость и удельная проводимость) без учета влияния магнитного поля Земли можно рассчитать по следующим формулам:

, (5.31)

, (5.32)

где – электронная концентрация ионосферы, равная числу свободных электронов в единице объема;– число столкновений электронов с нейтраль­ными молекулами за 1 с.

Электронная концентрация принимает наибольшее значение на высотах 250 – 400 км. При дальнейшем росте высоты электронная концентрации быстро уменьшается и на высотах порядка 20 000 км имеет значение порядка 10² электрон/м³.

По причинам, связанным с историей развития ионосферных исследований, ионосферу делят на три области, обозначаемые через ,и.

В области , которая расположена на высотах 50 – 90 км, электронная концентрация быстро растет с высотой и характеризуется большими суточными колебаниями (от 10³ электрон/м³ ночью до 10⁸ электрон/м³ днем). В области , которая расположена на высотах 90 – 130 км, электронная концентрация достигает максимума (около 10¹¹ электрон/м³) летом на высотах около 110 км. Область , которая расположена на высотах 130 – 500 км, подразделяется днем в своей нижней части (130 – 200 км) на слоии. Электронная концентрация областидостигает значений (10¹² – 10¹³) электрон/м³.

При распространении радиоволн в ионосфере они частично поглощаются (волна отдает энергию заряженным частицам), преломляются и отражаются. Для характеристики отражающих и преломляющих свойств слоев ионосферы вводят понятия критической () и максимально применимой () частот.

Под критической частотой данного слоя ионосферы понимают максимальную частоту радиоволны, которая отражается от этого слоя при нормальном падении волны на него. Из этого определения следует, что если радиоволна с частотой падает на слой ионосферы по нормали и

,

то радиоволна отражается от него.

Если же

,

то радиоволна пронизывает слой ионосферы, не отражаясь от него.

Под максимально применимой частотой (МПЧ) данного слоя ионосферы понимают максимальную частоту радиоволны, которая отражается от этого слоя при наклонном падении волны на него.

Значения указанных частот можно определить по следующим формулам:

, (5.33)

, (5.34)

где – максимальное значение электронной концентрации слоя ионосферы;– угол между направлением распространения волны и нормалью к слою ионосферы.

Так как интенсивность ионизирующего излучения меняется, то и параметры ионосферы постоянно изменяются, что необходимо учитывать при рассмотрении систем радиосвязи, которые используют ионосферные радиоволны. При этом наблюдаются суточные изменения, изменения по временам года и по 11-летнему периоду солнечной активности.

Диэлектрическая проницаемость ионосферы является анизотропной величиной (из-за влияния постоянного магнитного поля Земли). В связи с этим, в ионосфере, как и ферритовой среде с постоянным подмагничиванием, наблюдается эффект Фарадея, явление двойного лучепреломления и др.