6.5.5. Вплив магнітного поля Землі на поширення радіохвиль в іоносфері

Рис. 6.23

Припустимо, що в іоносфері поширюється лінійно поляризована електромагнітна хвиля. Вектор напруженості електричного поля хвилі утворює з вектором довільний кут. У момент "вмикання" електричного поля електрони починають рухатися вздовж векторапід довільним кутом. Відносно векторавекторможе бути розкладений на паралельнута перпендикулярнускладові (рис. 6.23). Очевидно, аналогічні складові має й вектор швидкості руху електрона=+. Оскільки=0, то на електрон, що рухається здовж вектора , магнітне поле Землі не діє.

Тому радіохвиля, у якої вектор напруженості електричного поля паралельний вектору, при поширенні в іоносфері не відчуває будь-якого впливу з боку магнітного поля Землі. Така радіохвиля називаєтьсязвичайною хвилею. Можна показати, що для звичайної хвилі відносна діелектрична проникність іоносфери визначається співвідношенням [2]

, (6.72)

де

(6.73)

– кругова частота Ленгмюра, тобто така частота, при якій відносна діелектрична проникність іонізованого газу (5.8) дорівнює нулю. Цю частоту ще називають власною частотою іонізованого газу.

На електрон, напрям первісного руху якого співпадає з напрямом вектора (рис. 6.23), діє сила Лоренца, яка викривлює траєкторію його переміщення. Радіохвиля, на умови поширення якої впливає магнітне поле Землі, називається незвичайною хвилею. Відносна діелектрична проникність іоносфери для незвичайної хвилі [2]:

. (6.74)

В отриманому співвідношенні кутова частота .

Припустимо, що лінійно поляризована радіохвиля проникає в іоносферу з боку земної поверхні. Для її складових ідіелектричні проникності (6.72) і (6.74) виявляються неоднаковими. Тому, згідно з другим законом Снелліуса, ця радіохвиля розщеплюється на звичайну та незвичайну хвилі. Спостерігається ефект подвійного променезаломлення. Його наявність пояснюється тим, що при звісному куті падіння радіохвилі кути заломлення звичайної та незвичайної хвильбудуть відмінними. Через нерівністьівиявляються різними і фазові швидкості поширення звичайної й незвичайної хвиль. Крім того, можна відзначити те, що в іоносфері звичайна та незвичайна хвилі зазнають неоднакового загасання. Незвичайна хвиля загасає більше, ніж звичайна хвиля. Неоднаковість фазових швидкостей загасання звичайної і незвичайної хвиль призводить до того, що лінійно поляризована радіохвиля при поширенні в іоносфері Землі перетворюється в радіохвилю з еліптичною поляризацією.

6.5.6. Заломлення та відбиття радіохвиль в іоносфері

Реальна іоносфера являє собою неоднорідний по висоті іонізований газ. Відносний коефіцієнт заломлення з урахуванням (6.69)

.

З висотою змінюється N, а також й n так, що промінь переходить з оптично більш густого середовища в менш густе (рис. 6.23). Уявимо, що іоносфера складається з декількох смуг, в яких їхні коефіцієнти заломлення n_i (i = 1, 2, 3 ... ) і коефіцієнти заломлення стратосфери при n₀ = 1 співвідносяться як n₀>n₁>n₂ ... n_i > ... . Застосовуючи до кожної межі розділу смуг звісний закон Снелліуса, маємо такі рівності: , або

Рис. 6.23

Оскільки = 1 і = 90⁰, одержуємо співвідношення:

.

Промінь повернеться до Землі, якщо , тобто:

.

Знайдемо граничну частоту, при якій промінь відбивається від іоносфери:

. (6.75)

Отримане співвідношення дозволяє ввести поняття максимальної та критичної частот радіохвиль в іоносфері. Максимальною частотою f_max називається таке значення частоти радіохвилі, що падає на нижню поверхню іоносфери під кутом , при якому промінь ще відбивається від її глибинних шарів у бік Землі:

З цього виразу випливає, що кожному куту відповідає своє значення f_max. При f >f_max промінь піде у простір і не повернеться до Землі. При f < f_max промінь повертається до Землі.

Критичною частотою називається максимальна частота радіохвилі, що відповідає куту падіння = 0⁰ (вертикальне зондування):

. (6.76)

Кругова критична частота, що відповідає (5.15), збігається з частотою Ленгмюра (5.12). Очевидно, що

. (6.77)

Кут  обмежується значеннями  = 0 – при вертикальному падінні променя на іоносферу і _г – при випромінюванні вбік горизонту (рис. 6.24).

На підставі цього рисунка легко показати, що

і максимальна частота (6.77) визначаться співвідношенням:

, (6.78)

де h – відстань до іоносфери.

Оскільки об’ємна густина електронів N в іоносфері змінюється з висотою, то радіохвилі будь-яких частот f відбиваються й поглинаються на різних висотах h. Для кожного іоносферного шару існує своя критична частота (6.76), при якій у випадку нормального падіння хвилі ( = 0⁰) на висоті h виникає ефект повного внутрішнього відбиття (= 90⁰). Порівнюючи (6.76) із (6.73) бачимо, що критичні та власні частоти іонізованого газу, який створює той чи інший шар іоносфери, збігаються.

Для N = шару F₂ на підставі (6.76) = 14 МГц. При куті падіння , яким визначається випромінювання вбік горизонту Землі (рис. 6.24), для того ж значення N на висоті 300 км на основі співвідношення (6.78) отримаємо значення максимальної частоти = 46 МГц. Таким чином, збільшення кута падіння радіохвилі на іоносферу супроводжується зростанням максимальних частот, при яких існує ефект повного внутрішнього відбиття. Тому для встановлення радіозв‘язку із земними об‘єктами в залежності від кута  необхідно використовувати частоти нижче 14 - 46 МГц, а для встановлення зв‘язку з космічними об‘єктами – частоти, що їх перевершують. Відзначимо, що частоти, які були розраховані, практично повністю належать до піддіапазону високих частот (декаметрові хвилі).