6.4.6. Поглинання енергії радіохвиль у тропосфері

Радіохвилі, довжина яких більша за 10 см, не зазнають ослаблення в тропосфері Землі. На довжинах хвиль коротших за 5 см ослаблення хвилі в тропосфері стає помітним. Воно зростає зі скороченням довжини хвилі. Поглинання енергії радіохвиль спостерігається в конденсованих водяних парах: в дощі, тумані й хмарах, гідрометеоритах; снігу, граді, а також в атмосферних газах (кисень). Ослаблення може мати резонансний і нерезонансний характер. Резонансне поглинання енергії пов'язане з тим, що молекули рідини здатні поглинати набори квантів енергії, які відповідають власним частотам. Нерезонансне поглинання енергії викликається витратами енергії на подолання сил тертя між молекулами, що виникає при їхніх змушених коливаннях, спричинених зовнішнім електромагнітним полем, тобто полем радіохвилі. Цей вид втрат енергії є тепловим. Поглинання радіохвиль носить вибірковий характер. Найбільше поглинання радіохвилі зазнають у кисні при довжинах хвиль 0,25 см і 0,5 см, у водяних парах – при довжинах хвиль 0,18 см і 1.35 см. Ці довжини хвиль не придатні для передачі сигналів у тропосфері. Слід відзначити, що краплини дощу, туман, гідрометеорити діють на радіохвилі ще й як розсіювачі.

6.5. Поширення радіохвиль в іоносфері

6.5.1. Джерела іонізації

Іоносфера – іонізований верхній шар атмосфери Землі, що починається на висотах, які перевищують 60 км. Процес іонізації атмосферного повітря полягає у вириванні із зовнішньої оболонки атома газу під дією сонячної радіації одного з електронів. В результаті атом набуває позитивного заряду і стає іоном. Основний фактор іонізації атмосфери – Сонце, яке є джерелом ультрафіолетового і рентгенівського випромінювань. Довжина хвилі іонізуючого ультрафіолетового випромінювання не перевищує 10^-4 мм, а рентгенівського - 10^-6 мм. Іонізуючу властивість має також корпускулярне випромінювання Сонця. Іншим джерелом іонізації атмосфери є сукупний вплив зірок. Іонізуюча властивість зоряної радіації складає одну тисячну від іонізуючої властивості сонячної радіації. Космічне випромінювання є основним іонізуючим фактором у нижніх шарах атмосфери. Джерелами іонізації є також дрібні метеорити й космічний пил, що безупинно влітають в атмосферу Землі. У середньому за добу в атмосферу Землі проникають сто метеоритів масою 1 кг, 10⁵ метеоритів масою 1 г і 10⁸ метеоритів масою 1 мг. Метеорити в атмосфері Землі випаровуються, залишаючи за собою метеоритний слід – іонізовану область атмосферного простору.

6.5.2. Утворення іоносфери в реальній атмосфері

На великих висотах іонізуюча здатність джерел іонізації є значною. Проте, внаслідок досить незначної густини атмосфери, на цих висотах іонізуватися практично нема чому.

Рис.6.16

При зменшенні висоти густина атмосфери зростає і починає проявлятися ефект іонізації атмосфери – з’являються вільні електрони. Спочатку їх кількість в одиниці об’єму, тобто густина N, зростає, але потім зменшується до нуля (рис. 6.16). Зменшення N пояснюється тим, що після деякої висоти густина атмосфери стає такою значною, що енергії джерел іонізації вже не вистачає для створення вільних електронів в атмосфері Землі.

Рис. 6.17

Реально існує не один, а чотири атмосферні шари з максимальною концентрацією вільних електронів в одиниці об’єму. Їх позначають буквами D, E, F₁, F₂ (рис. 6.17). Наявність чотирьох максимумів N можна пояснити тим, що атмосфера неоднорідна по висоті й її властивості залежать від часу доби та пори року. Можна припустити, що один із максимумів утвориться в області, однорідній за своїм складом, другий – в області атомарного кисню і т.п. На з’явлення максимумів впливає наявність перепадів температури на різних висотах. Шар D розміщений на висоті 70 - 80 км і характеризується об’ємною густиною вільних електронів N=10³ - 10⁴ в кубічному сантиметрі. Цей шар відтворюється і існує тільки вдень, а вночі він зникає через рекомбінацію електронів і позитивних іонів. Шар D характеризується сильно вираженими поглинаючими властивостями енергії радіохвиль гектометрового діапазону.

Шар Е знаходиться на висоті 100 - 120 км. Об’ємна густина електронів в ньому змінюється від 5(вночі) до 1,5(вдень). Шар утворюється під впливом ультрафіолетового випромінювання Сонця й характеризується стабільністю своїх параметрів. На висотах цього шару іноді виникають сильно іонізовані утворення, в яких значення N у декілька разів перевершують нормальну густину електронів шару Е. Такі утворення, що виникають в обмежених областях іоносфери, називаються спорадичними шарами й позначаються Е_S. Спорадичний шар може з‘явитися у будь-який час і проіснувати декілька годин. Радіохвилі добре відбиваються від цього шару.

Шар F розташований на висотах 160-350 км. Густина електронів у ньому максимальна і, в залежності від висоти, зростає від 2,5 (вночі) до 2 (опівдні). Влітку вдень шар F розщеплюється на два шари – F₁ та F₂. Нижній шар F₁ існує тільки вдень і розташований на висотах 180-240 км. За своїми властивостями він схожий із шаром Е, але відрізняється від нього більш значними змінами густини N, яка сягає максимуму в середині літа. Протягом доби електронна густина шару F₁ змінюється синхронно з кутовою висотою Сонця й сягає максимуму опівдні. До заходу Сонця шар F₁ піднімається і об’єднується з шаром F₂, що розташований на висоті 250-350 км і характеризується найбільшою густиною вільних електронів.

Стан іоносфери залежить від сонячної активності. Активність Сонця змінюється протягом доби, року, одинадцятирічного періоду. Приблизний графік, що ілюструє добовий хід електронної концентрації для шарів Е та F₂, наведено на рис. 6.17. У два-надцяту годину доби Сонце характеризується найбільшою активністю, чим і пояснюється максимум іонізації опівдні. Мінімум іонізації для шару F₂ спостерігається в передранішні години, коли нічна деіонізація закінчується через появу сонячного випромінювання.

Рис. 6.18

Влітку шар F₂ має два максимуми (рис. 6.18). Поява другого максимуму пояснюється тим, що нагріті шари повітря, піднімаються вгору і збільшують концентрацію вільних електронів у шарі F₂. Рис. 6.19 ілюструє приблизний хід сезонних змін об’ємної густини електронів в окремих шарах іоносфери.

Рис. 6.19

Рис. 6.20

Крім добових та сезонних змін стан іоносфери залежить від періодичної 11-річної сонячної активності. Зміна сонячної активності супроводжується появою на Сонці плям. Виявлено, що концентрація заряджених частинок у шарах іоносфери змінюється пропорційно кількості сонячних плям. Зменшення кількості плям супроводжується зниженням об’ємної густини заряджених частинок і, як наслідок, погіршенням дальнього зв'язку на декаметрових хвилях. Останній максимум сонячної активності спостерігався в 2002 р.