Влияние ионосферы на распространение радиоволн

 

Выше стратосферы располагается ионосфера – слой земной атмосферы, простирающийся до высот порядка 800 км, а за ней – экзосфера, переходящая в ближний космос, которая не оказывает влияния на радиоволны.

Ионосфера существенно влияет на распространение радиоволн. Благодаря ионосфере радиоволны распространяются вокруг поверхности Земли на весьма большие расстояния, даже при очень малых мощностях передатчиков. Предположение о влиянии верхней части атмосферы на распространение радиоволн впервые было высказано в 1902 г. после осуществления трансатлантической радиосвязи. Почти одновременно Кеннели (Америка) и Хевисайд (Англия) предположили, что в верхних областях атмосферы имеется большое количество положительных и отрицательных ионов. Эти ионы образуют проводящий слой атмосферы, так называемую ионосферу, от которой и происходит отражение радиоволн.

Ионизация ионосферы или «холодной» плазмы происходит следующим образом. Атомы и молекулы газов, входящих в состав ионосферы, испытывают непрерывное воздействие космических лучей и метеоров, попадающих из космического пространства и излучаемых Солнцем. Под их воздействием происходит ионизация электрически нейтральных атомов и молекул. Одновременно с процессом ионизации происходит и обратный процесс – рекомбинация. Степень ионизации ионосферы характеризуется электронной концентрацией N, которая равна числу свободных электронов в 1 см³. Электронная концентрация, или плотность ионосферы, распределена неравномерно по всей толще ионосферы (рис. 7.1).

 

Рисунок 7.1 – Зависимость плотности свободных электронов от высоты Н

и времени суток. Зимнее время, средние широты

 

Ход кривой электронной концентрации можно пояснить следующим образом. В самых верхних слоях атмосферы ионизирующие факторы действуют сильнее всего, но плотность газов чрезвычайно мала. Поэтому, хотя в этих слоях почти все частицы ионизированы, величина N невелика. В нижних слоях, наоборот, плотность атмосферы достаточно велика, но ионизирующее действие излучений, ослабленных при прохождении через всю толщу атмосферы мало, поэтому и число электронов в 1 см³ тоже мало. В соответствии с уровнем электронной концентрации различают четыре области ионизации, которые обозначают буквами D, Е, F ₁, F ₂ и называют слоями.

Наиболее существенное влияние на распространение радиоволн оказывает слой F _2, имеющий наибольшую электронную концентрацию.

Электронная концентрация N существенно зависит от времени суток, времени года, 11-летнего периода изменения солнечной активности, географической широты, степени возмущенности Солнца и магнитного поля Земли, а также интенсивности действия внешних факторов.

Суточные изменения электронной концентрации в ионосфере примерно соответствуют изменению высоты Солнца (рис. 7.1). При этом максимум высоты Солнца соответствует максимуму электронной концентрации. Сезонные изменения в состоянии ионосферы выражаются как в изменении величины электронной концентрации, так и высоты ионизированных слоев. Так, например, слой F ₂, располагающийся днем в летнее время на высотах 300 – 450 км, в зимнее время опускается до высот 250 – 350 км.

При распространении пространственных радиоволн в ионосфере ее электрические заряды под воздействием электромагнитной волны сами начинают совершать колебательное движение и становятся источниками вторичных волн. При взаимодействии вторичных волн с первичными возникает результирующая волна. Скорость ее распространения зависит от электронной концентрации. Основными параметрами ионосферы будем считать ее диэлектрическую проницаемость Ɛ и проводимость Ϭ.

Диэлектрическую проницаемость ионизированного разреженного газа с электронной плотностью N без учета магнитного поля Земли, можно определить по формуле

 

, (7.1)

где – частота собственных колебаний электронов (плазменная частота);

N – концентрация электронов в плазме ионосферы;

– заряд электрона;

– масса электрона;

– частота столкновений электронов с ионами и нейтральными молекулами (частота релаксации).

Подставляя числовые значения в формулу (7.1) и приравнивая частоту релаксации нулю ( =0), получим формулу для определения относительной диэлектрической проницаемости ионизированного газа

(7.2)

 

Из (7.2) видно, что при значительной электронной концентрации диэлектрическая проницаемость газа может равняться нулю. Условие выполняется на частоте .

 

(7.3)

 

С учетом собственной частоты ионизированного газа выражение (7.2) можно переписать.

, (7.4)

где f – частота радиоволны, кГц.

Из этих соотношений видно, что электрические свойства ионосферы неоднородны. Экспериментально установлено, что неоднородности ионосферы имеют размеры от нескольких метров до нескольких километров. На высоте 60...80 км, т. е. в области D, преобладают более мелкие неоднородности размером до десятков метров, в слое E – неоднородности размером 200...300 м, а в слое F – неоднородности размером в несколько километров. Неоднородности слоя F имеют продолговатую форму, вытянутую вдоль силовых линий магнитного поля Земли. Отклонения неоднородностей электронной плотности от среднего значения электронной плотности окружающей ионизированного газа могут составлять (0,1...1)%. Скорость движения неоднородностей не превышает 1...10 м/с.

Как видно соотношений (7.2 – 7.4) диэлектрическая проницаемость ионосферы Ɛ всегда меньше единицы и тем меньше, чем ниже рабочая частота f. Это означает, что преломление радиоволн в ионосфере тем сильнее, чем больше длина радиоволн. Наоборот, для очень коротких радиоволн (высокие частоты) диэлектрическая проницаемость ионосферы очень мало отличается от единицы, и они почти не испытывают в ионосфере преломления.

Кроме того, установлено, что ионосфера является нестационарной анизотропной средой.

Нестационарность означает изменение во времени параметров ионосферы, а свойство анизотропии обусловлено наличием магнитного поля Земли. За счет влияния магнитного поля на ионосферу при распространении линейно поляризованных радиоволн (особенно метровых и дециметровых) наблюдается вращение плоскости поляризации (эффект Фарадея), что вызывает поляризационные замирания радиосигнала.

Учитывая наличие в ионосфере слоев с различными Ɛ, можно представить себе траектории радиолучей в виде, показанном на рисунке 7.2.

 

 

Рисунок 7.2 – Траектории радиолучей в ионосфере для различных длин волн

 

При некоторых условиях Ɛ = 0 преломленная в ионосфере радиоволна может возвратиться на землю. Такую волну называют отраженной.

Максимальную частоту электромагнитной волны, которая еще отражается при вертикальном падении на ионизированный слой, называют критической частотой. Она определяется:

 

(7.5)

где N – электронная концентрация данного слоя.

Поэтому ионизированным слоям D, Е, F ₁, F ₂ расположенным на различных высотах, соответствуют свои критические частоты. Если частота радиоволн выше критической, соответствующей данному ионизированному слою, то падающая на ионосферу волна не отражается, а лишь преломляется в ней и уходит в космическое пространство. Ионосфера для таких радиосигналов становится прозрачной.

Чтобы этого не произошло, необходимо рабочую частоту радиоэлектронного средства выбирать так, чтобы обеспечивалось условие

 

_РЭС <

 

Практически от слоя F ₂, имеющего максимальную концентрацию электронов, могут отражаться волны длиннее 10 м, а волны короче 10 м уходят в космическое пространство.

Кроме преломления и отражения, в ионосфере происходит и поглощение энергии радиоволн. Если бы электрические заряды ионосферы, приходящие в движение под действием поля радиоволны, могли совершать колебания свободно, не испытывая никаких столкновений, то ионосферу следовало бы рассматривать как идеальную среду, так как никаких потерь энергии радиоволн не было бы. Но в действительности колеблющиеся свободные электроны непрерывно сталкиваются друг с другом, с нейтральными молекулами и положительно заряженными ионами. За счет этих столкновений энергия радиоволны рассеивается, частично превращаясь в тепловую. Величина поглощения зависит от электронной концентрации N, частоты радиоволны и определяется

(7.6)

 

где k –коэффициент пропорциональности;

υ – среднее число столкновений электронов в одну секунду.

Из формулы видно, что величина поглощения сильно зависит от частоты распространяющейся радиоволны. Поэтому и влияние ионосферы на радиоволну существенно зависит от ее частоты; чем выше частота радиоволны, тем меньшее поглощение она испытывает в ионосфере.

Таким образом, поглощение энергии радиоволн в ионосфере уменьшает дальность действия радиосредств. Дальность может быть определена по формуле

 

(7.7)

 

где R_{о макс} – максимальная дальность действия радиосредства в свободном пространстве.

Это уравнение трансцендентное и решить его можно графически, используя график, приведенный, например, в [6].

Для регулярных наблюдений за состоянием ионосферы во всех развитых странах построены так называемые ионосферные станции. На этих станциях путем радиозондирования изучают состояние ионосферы, определяют её параметры и влияние на распространение радиоволн.

Заканчивая краткое рассмотрение влияния атмосферы на распространение радиоволн, сделаем выводы:

1. Тропосфера влияет только на радиоволны короче 10 м.

2. Регулярные отражения от ионосферы испытывают волны длиннее 10 м, вплоть до сверхдлинных.

3. Волны короче 10 м, включая и волны оптического диапазона, распространяются как прямые.