4 6 Строение атмосферы. Основные проявления влияния атмосферы на распространения радиоволн.

В окружающей Землю атмосфере различают три области, оказывающие влияние на распространение радиоволн: тропосферу, стратосферу и ионосферу. Границы между этими областями выражены не резко и зависят от времени и географического места. Тропосферой называется приземной слой атмосферы, простирающийся до тропопаузы (переходного слоя между тропосферой и стратосферой), лежащей над экватором на высоте 16—18км, в умеренных широтах—на 10—12 км и в полярных областях—на 7—10 км. Высота тропопаузы меняется в зависимости от времени года. В области тропосферы температура воздуха с высотой убывает. Тропосфера неоднородна как в вертикальном направлении, так и вдоль земной поверхности. Ее электрические параметры меняются при изменении метеорологических условий. В тропосфере происходит искривление траектории земных радиоволн 7, называемое рефракцией. Распространение тропосферных радиоволн 2 возможно из-за рассеяния и отражения их от неоднородностей тропосферы. Радиоволны миллиметрового и сантиметрового диапазонов в тропосфере поглощаются. Стратосфера простирается от тропопаузы до высот 50—60 км. Стратосфера отличается от тропосферы существенно меньшей плотностью воздуха и законом распределения температуры по высоте: до высоты 30—35 км температура постоянна, а далее до высоты 60 км резко повышается. На распространение радиоволн стратосфера оказывает то же влияние, что и тропосфера, но оно проявляется в меньшей степени из-за малой плотности воздуха. Ионосферой называется область атмосферы на высоте 60—10 000 км над земной поверхностью. На этих высотах плотность воздуха весьма мала и воздух ионизирован, т. е. имеется большое число свободных электронов (примерно 10³—10⁶ электронов в 1 см³ воздуха). Присутствие свободных электронов существенно влияет на электрические свойства ионосферы и обусловливает возможность отражения от ионосферы радиоволн длиннее 10 м. При однократном отражении радиоволны могут перекрывать расстояние по поверхности Земли до 4000 км. -В результате многократного отражения от ионосферы и поверхности Земли радиоволны могут распространяться на любые расстояния по земной поверхности. Радиоволны, распространяющиеся путем отражения от ионосферы или рассеяния в ней, называют ионосферными волнами 3. На условия распространения ионосферных волн свойства земной поверхности и тропосферы влияют мало. Условия распространения радиоволн 4,5 при космической радиосвязи обладают некоторыми специфическими особенностями, а на радиоволны 4 основное влияние оказывает атмосфера Земли.

47 Распространение радиоволн в тропосфере

У поверхности Земли относительная диэлектрическая проницаемость тропосферы отличается от единицы на несколько десятитысячных и в среднем убывает с высотой со скоростью, которая в стандартной тропосфере оценивается градиентом диэлектрической проницаемости 7,8510^-8 м^-1. В такой слабо неоднородной среде траектории радиоволн испытывают малое искривление. Для оценки условий распространения наиболее существенным оказывается определение соизмеримости радиусов траектории распространения и Земли.

Радиус кривизны траектории в пределах тропосферы определяют по (18.13), принимая приземное значение n_т(h = 0) ~ 1:

. (18.14)

Для малых высот, где зависимость _r,т(h) можно приближенно считать линейной и где dn_т/dh = g_т(h)/2= const, радиус кривизны

. (18.15)

Для волн, распространяющихся по пологим траекториям вдоль Земли, когда ₀  90° и (h)  90°, получаем выражение для радиуса кривизны

. (18.16)

Из (18.16) видно, что если на всем пути распространения градиент диэлектрической проницаемости есть величина постоянная, то траектория волны представляет собой дугу окружности, радиус которой определяется величиной градиента. В условиях стандартной тропосферы _т,ст = 25000км.

При расчетах неудобно иметь дело с криволинейными траекториями. Этого можно избежать для области высот, где g_т = const, вводя понятие эквивалентного радиуса Земли. В концепции эквивалентного радиуса принимается, что распространение происходит по прямолинейной траектории, но над Землей не с истинным радиусом а_зм, а с некоторым эквивалентным радиусом а_зм,э (рис. 18.3). Величина а_зм,э определяется из условия, что разность между значениями кривизны реальной траектории радиусом  и реальной Земли радиусом а_зм равна разности между значениями кривизны спрямленной

траектории ( = ) и кривизны воображаемой Земли радиусом а_зм,э :

. (18.17)

Отсюда . (18.18)

При стандартной тропосферной рефракции согласно (18.18); а_зм,э = 8500 км; а_зм,э/а_зм = 4/3.

В

1. отрицательная рефракция, или субрефракция (кривая 1), наблюдается при возрастании коэффициента преломления с увеличением высоты, т.е. при g_т > 0 и а_зм,э < а_зм. Это возможно при росте влажности воздуха с высотой, что, например, часто встречается в континентальных районах с умеренным климатом осенью и весной во время утренних приземных туманов.

2. Отсутствие рефракции, т.е. прямолинейное распространение волны (кривая 2), возможно, когда g_т = 0.

Положительная рефракция наблюдается при убывании коэффициента преломления с высотой, т.е. когда g_т < 0, при этом а_зм,э > а_зм. Различают четыре частных случая положительной рефракции:

зависимости от метеорологических условий различают следующие типовые виды рефракции в тропосфере (рис. 18.4):

3. стандартная рефракция при g_т = —810^-8м^-1; а_зм,э = 8500 км. Это наиболее распространенный вид рефракции, характерный для среднего состояния тропосферы. Часто наблюдается в дневные часы;

4. повышенная рефракция (кривая 3) при g_т < —810^-8м^-1; а_зм,э > 8500 км. В континентальных районах средних широт она наиболее часто отмечается в вечерние, ночные и утренние часы летних месяцев за счет температурных инверсий и резкого уменьшения влажности с высотой;

5. критическая рефракция (кривая 4) при g_т = —31,410^-8м^-1; а_зм,э = , поскольку при таком градиенте  = а_зм и волна движется параллельно земной поверхности на постоянной высоте, как над плоскостью. Условия возникновения критической рефракции те же, что и для повышенной рефракции;

6. сверхрефракция, или волноводная рефракция (кривая 5), при g_т < —31,410^-8м^-1; а_зм,э < 0. В этом случае радиус кривизны траектории  < а_зм и волна, отразившись от области высокого градиента, достигает поверхности Земли, отражается от нее, снова преломляется и т.д., т.е. появляется тропосферный волновод. Из-за малой вероятности появления таких волноводов данное явление не используется для регулярной работы радиолиний.