Расчет показателя преломления

•Цель работы

•Изучить особенности влияния рефракции на распространение радиоволн в атмосфере. Рассчитать послойные значения показателя преломления радиоволн и его вертикальный градиент в реальной атмосфере. Проанализировать полученные характеристики рефракции, определить тип рефракции, сравнить результаты с соответствующими для стандартной атмосферы.

•Материалы для работы

•1. Данные комплексного температурно-ветрового зондирования атмосферы (ТАЭ-3).

•2. Психрометрические таблицы.

•3. Миллиметровка.

•4. Калькулятор.

• Для метеорологической радиолокации используются станции излучающие радиоволны длиной волны от 1 см до 10 см. Радиоволны сантиметрового диапазона распространяются в атмосфере не прямолинейно, а по

криволинейным траекториям. Причиной этого является атмосферная рефракция, обусловленная, в свою

очередь, диэлектрической неоднородностью атмосферы.

•Диэлектрические свойства атмосферы характеризуются диэлектрической

проницаемостью составляющих атмосферу газов. Диэлектрическая проницаемость (ε)

газа определяется его молекулярным весом, плотностью, температурой и электрическими свойствами молекул (поляризацией их в электрическом поле).

•Реальный воздух можно рассматривать как смесь сухого воздуха и водяного пара, молекулы которого хорошо поляризируются.

•Диэлектрическая проницаемость влажного воздуха будет суммарной величиной:

• (ε – 1) · 106 = (156 / Т) · (р + 4800e / T - e / T),

•По известной ε можно рассчитать показатель преломления (n) воздуха в исследуемом слое атмосферы:

•Так как n – 1 ≈ 0,5 (ε – 1), то:

• (n – 1) · 106 = (78 / Т) (р + 4799 e / T) или

•n = 1 + [(78 / Т)(р + 4799 e / T)] · 10-6

•Известно, что у поверхности Земли:

•260 ≤ (n – 1) ·106 ≤ 460

•На практике для характеристики радиорефракции пользуются не абсолютными значениями n, а скоростью его изменения с высотой (h), то есть вертикальным градиентом – dn / dh.

•Обычно искривление радиолуча происходит плавно по некоторой кривой с радиусом кривизны:

•R = - (dn / dh)-1.

•При стандартном распределении атмосферных характеристик (стандартная радиоатмосфера)

•dn / dh = - 4·10-8 м-1, при этом R = 25000 км.

•При некотором градиенте показателя преломления радиус кривизны луча может быть равным радиусу Земли (6370 км), тогда радиолуч будет огибать Землю параллельно ее поверхности. Такой случай рефракции называется критическим и соответствующее значение градиента показателя преломления:

•dn / dh = - 15,7·10-8 м-1.

•Различают три основных типа радиорефракции: отрицательную, нулевую, положительную.

•2- Отрицательная рефракция наблюдается при положительных значениях градиента показателя преломления, при этом радиолуч переходит из менее плотной среды в более плотную и отклоняется от земной поверхности вверх. При отрицательной рефракции дальность радиосвязи между наземными пунктами уменьшается.

•1- При нулевой рефракции градиент показателя преломления равен нулю и радиолуч остается прямолинейным.

•Положительная рефракция возникает при отрицательных значениях (dn/dh) и делится на несколько видов: пониженную(1-3), нормальную(3-4), повышенную(4-5), критическую(5) и сверхрефракцию(6).

•При значениях dn/dh от 0 до - 4·10-8 м-1 рефракция называется пониженной положительной.

•При dn/dh = - 4·10-8 м-1 – рефракция называется нормальной и соответствует условиям стандартного распределения атмосферных характеристик по высоте.

•При -15,7·10-8 ≤ dn/dh ≤ - 4·10-8 м-1 радиорефракция – повышенная положительная.

•При dn/dh = -15,7 · 10-8 м-1 – критическая рефракция.

•Если dn/dh меньше критического значения (-15,7· 10-8 м-1 ), то радиус кривизны луча меньше радиуса Земли, поэтому луч будет испытывать многократное отражение от земной поверхности. Такая ситуация в атмосфере называется – сверхрефракцией.

•Критическая рефракция и сверхрефракция обусловливают сверхдальнее распространение радиоволн по так называемым атмосферным волноводам. При таких видах рефракции существенно повышается дальность радиосвязи на СВЧ и дальность радиолокационного наблюдения объектов.

•Порядок обработки

•1. По полученным данным температурно-ветрового зондирования (ТАЭ-3), используя психрометрические

таблицы, рассчитать значения показателя преломления N на разных высотах в атмосфере,

•2. Рассчитать вертикальный градиент показателя преломления в каждом километровом слое атмосферы и среднее значение по всем слоям.

•3. Построить график N (h) на миллиметровой бумаге.

•4. Определить тип рефракции в каждом слое, сравнить с условиями стандартной атмосферы. Сделать заключение об условиях распространения радиоволн.