Физические характеристики Земли

Земля – третья планета Солнечной системы. Параметры Земли:

· Экваториальный радиус Земли R_з=6378,14 км;

· Полярный радиус – малая полуось эллипсоида Красовского R_Кр= 6356,78 км;

· Средний радиус Земли - 6371,3 км

· Периметр по экватору - 40075 км;

· Объем – 1,0832*10¹² км³;

· Масса – 59737*10²⁴ кг;

· Плотность – 5,515 г/см³;

· Площадь поверхности – 510 065 700 км²;

· Экваториальный наклон оси к орбите – 23,45^°.

Поверхность Земли на 70,8% - водная и 29,2% - суша. Вода океанов, морей и рек имеет разную соленость. Водная поверхность во времени изменяется от гладкой до волн высотой 10 м.

Рельеф суши разнообразный – от гладкой поверхности до гор высотой несколько километров. Физические свойства поверхности Земли так же разнообразны. Схематически структура естественной среды Земли показана на рисунке 2.

Рисунок 2 - Схематическая структура естественной среды Земли

В зависимости от физических и электрических характеристик различают земную кору, поверхность Земли (суша и море) и атмосферу.

На трассах, проходящих вблизи поверхности Земли, за счет влияния этой поверхности и атмосферы траектория радиоволн исправляется, изменяется скорость распространения, а напряженность поля волны отличается от напряженности поля в свободном пространстве.

Влияние поверхности Земли можно оценить 4-я факторами:

· Отражение радиоволн от поверхности Земли и связанное с этим явление интерференции;(рис.3а)

· Полупроводящими свойствами среды и связанные с этим потерями электромагнитной энергии в земле (воде);

· Сферичностью Земли и связанным с ней явлением дифракции радиоволн;(рис. 3б)

Рисунок 3

4)Неровностями земной поверхности, вызывающими рассеяние радиоволн.(рис.4)

Рисунок 4

Влияние атмосферы Земли на распространение радиоволн обусловлено особенностью электрофизических свойств земной атмосферы.

Атмосфера – это газообразная оболочка, окружающая Землю, которая вращается вместе с ней как единое целое. Нижней границей служит земная поверхность, верхняя граница – неоднозначна. Она изменяется в зависимости от состояния магнитного поля Земли и простирается от двух до двадцати земных радиусов. Все зависит от интенсивности магнитных возмущений. Строение атмосферы весьма сложно и изменяется в пространстве и во времени.

Расчетным путем многие характеристики пока еще определять не удается. Изучение атмосферы введется в основном экспериментальными прямыми и косвенными методами.

Прямые методы – предполагают непосредственные измерения параметров атмосферы: температуры, плотности, химического состава и др.

Косвенными методами изучают полярное сияние, метеоры, свечение ночного неба, распространение радиоволн и др.

На больших высотах сведения пополняются с помощью ракет и искусственных спутников Земли.

С точки зрения распространения радиоволн атмосферу разделяют на три области: тропосферу, стратосферу и ионосферу (рис.5). Границы между областями выражены не резко и зависят от времени и географического расположения точки наблюдения.

Рисунок 5

Тропосфера. Нижние слои атмосферы примерно до 100-130 км почти однородны по своему составу. Они содержат в основном азот (78% - N₂) и кислород(21% - О₂). Тропосфера кроме этих газов включает водяные пары, содержание которых зависит от метеорологических условий и подвержено резким колебаниям.

Тропосфера – это наиболее подвижная часть земной атмосферы, для которой характерны интенсивное вертикальное перемешивание, резкие вихревые движения, а так же значительные колебания температуры влажности.

Высота тропосферы над экватором достигает 15-17 км, в умеренных широтах – 10-12 км, в полярных областях 7-10 км.

Высота тропосферы подвержена небольшим сезонным изменениям. Состояние тропосферы в любой ее точке характеризует три параметра: давление воздуха, температура и влажность.

Все эти три параметра влияют на так называемую оптическую плотность воздуха и преломления электромагнитных волн. изменение температуры и давления приводит к изменению диэлектрической постоянной воздуха и связанного с ней показателя преломления. Для сухого воздуха

(1)

где Р - давление в мм рт.ст.;

Т – абсолютная температура

Показатель преломления тропосферы

(2)

где - абсолютная влажность воздуха, т.е давление водяных в миллибарах.

Изменение метеорологических условий приводит к более быстрому изменению показателя преломления тропосферы, что приводит к искривлению траектории радиоволн. Чем выше частота, тем сильнее влияет тропосфера на радиосвязь. Особенно это сказывается на распространение ДЦ и СМ волн.

Неоднородность тропосферы в горизонтальном направлении из-за присутствия местных неоднородностей, вызываемых турбулентным (с завихрениями) движением воздуха которые сильно влияют на УКВ диапазон.

На больших высотах различие в массах газов, составляющих атмосферу, приводят к расслоению атмосферы – к образованию стратосферы.

Если тропосфера состоит главным образом из молекулярных азота и кислорода (N_2, O₂), то в стратосфере под воздействием солнечной радиации происходит распад этих молекул на атомы (N, O), а так же ионизации, т.е расщепление на положительные ионы и отрицательные электроны.

Ионизированные слои стратосферы, располагающиеся на высотах от 50 до 800-1000 км называется - ионосферой.

На высоте 250-400 км существует основной максимум ионизации, выше и ниже которого электронная плотность уменьшается.

Область ниже основного максимума ионизации называется внутренней ионосферой, а выше этого показателя – внешней ионосферой.

Во внутренней ионосфере существует несколько максимумов ионизации. Они называются соответственно слоями, и обозначаются: D,E,F₁,F₂. Причиной появления этих слоев является неоднородность атмосферы, ее слоистое строение, а так же температурное неравномерное распределение. табл

Слой Е образуется в области постоянного состава атмосферы; слой F₁ в области молекулярного азота; слой F₂ в области атомного кислорода.

Количество слоев, а так же их строение зависит от солнечной активности, времени года, суток и других причин. Эти слои существенно влияют на радиоволны, вызывая изменение их скорости распространения, приломления, отражения и поглощения.

Днем, когда на атмосферу действует солнечная энергия наблюдаются все четыре слоя, различающиеся плотностью свободных электронов рис(). Слои не имеют резких границ (т.е ионизация не падает до 0), а их высоты и плотность изменяются.

Слой D расположен на высоте 60-80 км и наиболее сильно поглощает СВ и КВ и хорошо отражает волны длиннее 5000 м (60 кГц). Ночью и зимой слой D отсутствует.

Слой Е находится 100-130 км, здесь плотность электрона значительно выше. Этот слой используется для радиосвязи отраженными волнами на ближних расстояниях в дневное время.

Слой F₂ располагается на высоте 250-400 км, его электронная плотность достаточно велика (10⁶ эл. в см³) и изменяется от дня к ночи и от лета к зиме. Это основной слой для радиосвязи отраженными и короткими волнами.

Летом в дневные часы между слоями F₂ и Е на высоте 180-240 км наблюдается слой F₁, зимой этот слой в некоторое годы отсутствует. Во время захода Солнца он поднимается и сливается со слоем F₂.

Интенсивность излучения Солнца, вызывающего ионизацию в верхних слоях атмосферы претерпевает сильные изменения, повторяющееся приблизительно через 11 лет. Эти изменения совпадают с видимыми изменениями состояние Солнца, в частности с изменением числа солнечных пятен и размеров солнечной короны. В годы минимума солнечной активности число пятен уменьшается или совсем исчезает, а размеры короны уменьшаются, резко убывает и ультрафиолетовое излучение, а следовательно и ионизация верхних слоев атмосферы.

Через 5-6 лет картина да наоборот повторяется, ультрафиолетовое излучение увеличивается в 2,5 раза по сравнению с минимумом.

Таким образом строение ионосферы, плотность свободных электронов ее слоев изменяется в течении суток ото дня к ночи; в течении года от месяца к месяцу и в течении 11-летнего цикла, годовой - с временем летнего солнцестояние а суточный - с полуднем.

Годы максимальной активности Солнца – 1959, 1970, 1981, 1992, 2003, 2014 и т.д.

Годы минимальной активности – 1954, 1965, 1976, 1987, 1998, 2009, 2020 и т.д.