Название: Восемь лекций по физике атмосферы и гидросферы (Браже Р. А.)

Жанр: Радиотехнический

Просмотров: 1311


3.2. распространение радиоволн в атмосфере

 

Радиоволны, будучи, как и свет, электромагнитными волнами, только бо- лее низкочастотными, также преломляются в атмосфере  (см.  рис. 3.1). Более того, кривизна лучей может быть такой большой, что они, как  после отраже- ния, направляются вниз (рис. 3.4 [5]).

 

Атмосфера      Атмосфера

 

 

 

Земля

Зона молчания

 

 

Земля

 

Рис. 3.4. Распространение радиоволн в атмосфере

 

Важную роль в отражении радиоволн обратно к Земле играет ионосфе-

ра – верхняя часть атмосферы (на высотах 50–100 км), содержащая изолиро- ванные атомы и свободные электроны. На рис 3.5 показано распределение кон- центрации N электронов по высоте в ионосфере в летний день.

h, КМ

500

 

400

 

300

 

 

200

 

100

 

D

 

0

 

 

F

1

 

E

 

5 . 10 11

F2

 

12        N,

 

 

м-3

 

 

Рис. 3.5. Слои ионосферы с различной концентрацией электронов (летний день):

D – на высотах от 70 до 90 км, E  –  от 90 до 150 км, F – от 190 до 500 км

 

Из  теории  дисперсии  [5]  вытекает  следующая  зависимость  показателя преломления n от частоты ω:

 

2          Ne 2    1

n          ,           (3.4)

m

 
0          2          i2

 

где e и  m – соответственно заряд и масса электрона, ε0  – диэлектрическая про- ницаемость вакуума, β – коэффициент затухания. Средняя скорость дрейфа электронов в поле электромагнитной волны

 

 

 
u          eE0      ,

2m

где

E0  /

2  – действующее значение напряженности электрического поля, τ –

среднее время свободного пробега электрона. Средняя сила торможения, дейст- вующая на колеблющийся электрон,

 

 

 

Отсюда

 

 

 

 

 
2  m     u

eE0  .

2

1 .        (3.5)

2

 

Плотность тока дрейфа

 

 

 

 

 
j           eN       u

 

 

E0  ,

2

откуда

e 2 N

/ m , а

 

 

 

 
m

e 2 N

 

.           (3.6)

 

Подставляя (3.5), (3.6) в (3.4), получаем

 

/

n          1          0

 

.           (3.7)

i           (1         i           )

 

Число столкновений электронов с молекулами воздуха в секунду порядка

106 – в слое F2, 104 – в слое Е, 200 – в слое D. Таким образом, даже для сравни- тельно низких частот в ионосфере реализуется беcстолкновительный режим распространения радиоволн, когда ω>>1/σ. В этом случае выражение (3.7) ста- новится действительным:

 

 

n 2       1

e 2 N

1

 

.           (3.8)

0

 
2          0 m

 

Вводя так называемую плазменную частоту колебаний

 

e 2 N

p          ,           (3.9)

0 m

 

с которой происходят собственные (ленгмюровские) колебания электронов в плазме, (3.8) можно записать в виде

 

n          1          (           p  /

) 2  .     (3.10)

 

 

Из (3.10) видно, что при       p  фазовая скорость волны

 

 

 

2

 
v          c          c          c ,

n          1          (           p  /       )

 

и атмосфера становится непрозрачной для радиоволн.

Отражение радиоволн от ионосферы обусловливает возможность приема радиопередач на достаточно длинных волнах вне пределов прямой видимости.

Одновременно имеет место и зона молчания – область, где не удается поймать сигнал  передатчика.  С  ростом  частоты  показатель  преломления  ионосферы

увеличивается, и при λ ~10 м (30 МГц) n ~ 1. Такие радиоволны (УКВ) свобод- но проходят через ионосферу.

Слой D существует только в дневное время и ионизован слабо. Поэтому короткие волны от него не отражаются, но хорошо отражаются длинные волны. Слой Е существует в средних широтах только в летнее время, а вблизи эквато-

ра – круглогодично. Это слой отражает в основном короткие волны. Слой F существует днем и ночью, причем наименьшая ионизация имеет место незадол- го перед восходом Солнца, а наибольшая вскоре после полудня. Именно этот слой, в первую очередь, определяет условия распространения радиоволн на Земле.

Следует отметить, что связанные со вспышками на Солнце магнитные

бури вызывают изменение концентрации электронов  в ионосфере и нарушение радиосвязи.