2017-12-14
9733
Важнейшим свойством тропосферы является убывание температуры с высотой. Средний вертикальный градиент температуры составляет 6,5 град/км. Причиной постоянного убывания температуры воздуха с высотой является то, что тропосфера почти прозрачна для солнечных лучей и, пропуская эти лучи, она практически не нагревается. Основной поток солнечной энергии поглощается поверхностью Земли. Нагретая поверхность Земли прогревает тропосферу снизу вверх. Три основных параметра, характеризующих свойства тропосферы (р – давление, абсолютные Т –температура и е - влажность), являются переменными как по высоте, так и по времени года, солнечной активности, метеорологическим условиям.
Плавное уменьшение температуры, влажности и давления с высотой приводит к постепенному уменьшению величины коэффициента преломления. Это обстоятельство вызывает искривление траекторий распространяющихся радиоволн в тропосфере (явление рефракции).
У поверхности Земли значение n мало отличается от единицы и в разных метеорологических и климатических условиях может принимать значения, находящиеся в пределах 1,00026 – 1,00046.
|
|
|
С другой стороны, начиная с высоты 8 и до 10 км коэффициент преломления постоянен и равен 1,00011. Таким образом, все сложные явления рефракции в тропосфере происходят за счет незначительного изменения с высотой коэффициента преломления (в четвертом и пятом знаках после единицы).
В практических расчетах использовать показатель преломления радиоволн n неудобно, поэтому введем в рассмотрение N –. индекс преломления. Он связан с коэффициентом преломления соотношением
N = (n -1)∙106.(6.1)
В свою очередь, индекс преломления N связан с метеопараметрами тропосферы соотношением:
N= 
( р + 
), (6.2)
где р – в мбар.
Параметрами, которыми характеризуют рефракцию радиоволн в тропосфере являются: индекс преломления N, индекс рефракции M, радиус кривизны луча и эквивалентный радиус Земли.
Так графическое представление индекса преломления показано на рисунке 6.1.
Рисунок 6.1 – Зависимость изменения индекса преломления от высоты
для широты г. Севастополя
Можно показать, что радиус кривизны луча в нижних слоях тропосферы определяется не абсолютным значением коэффициента преломления, а быстротой его изменения с высотой, т. е. градиентом
R = 
= 
(6.3)
где N – индекс преломления.
Если для тропосферы у поверхности Земли в среднем n = 1,000325, индекс преломления N =325, а градиент dN/dh = 4∙10-2(1/м),
то радиус кривизны луча равен:
R = 
= 25000 км.
Знак минус в (6.3) означает, что радиус кривизны будет положительным, т.е. траектория луча обращена выпуклостью вверх только в случае уменьшения величины n с высотой.
|
|
|
Рефракция, имеющая место в нормальной тропосфере, получила название нормальной, или положительной рефракции.
Под нормальной (стандартной) тропосферой будем понимать тропосферу, у которой удельная влажность воздуха, т. е. отношение плотности водяного пара к плотности воздуха не меняется с высотой, а температура воздуха убывает пропорционально высоте. Траектория луча при нормальной рефракции показана на рисунке 6.2,a 
Рисунок 6.2 – Рефракция радиоволн в тропосфере
а – ход радиолучей при пониженной, нормальной и повышенной рефракции
б – ход радиолучей при критической и сверхрефракции
С учетом рефракции радиоволн в тропосфере дальность действия радиолиний, работающих в УКВ, может быть определена по формулам
(6.4)
(6.5)
где Кр – коэффициент рефракции (радиолокационной наблюдаемости).
Радиолокационная наблюдаемость зависит от метеоусловий, времени года и др. и принимает значения:
для пониженной рефракции – 0,77;
для нормальной рефракции – 1,0;
для повышенной рефракции – 1,34;
для сверхрефракции – 2,53.
Если метеоусловия сложились так, что индекс преломления N не уменьшается, как обычно, с высотой, а возрастает
то радиоволны удаляются от поверхности Земли, а дальность радиовидимости соответственно уменьшается (рис. 6.2, а) и становятся меньше геометрической, см. выражение (5.10). Это возможно, например, при переносе масс холодного воздуха с берега на более теплое море или во время снегопада. Такая рефракция получила название отрицательной, или пониженной.
Нормальная рефракция возникает обычно в облачную погоду. Такое состояние атмосферы наиболее часто встречается в средних и высоких широтах. При нормальной рефракции дальность действия УКВ-радиолинии по сравнению с вычисленной по формуле (5.10) оказывается в 1,3 раза больше.
Отметим, что повышенная рефракция наблюдается при распространении радиоволн в жаркую солнечную погоду над теплым морем.
Особый интерес представляют случаи критической рефракции и сверхрефракции. В первом случае радиус кривизны луча становится равным кривизне земного шара, т. е. R з = 6370 км.
Отсюда, используя выражение (6.3), определим значение градиента индекса преломления, при котором наступает критическая рефракция
= ̶ 
= ̶ 
= ̶ 0,157 
(6.6)
На практике критическая рефракция наблюдается при обычных градиентах влажности, т. е. влажность убывает с высотой так же, как и при нормальной рефракции, а температура меняется медленнее, или при инверсии температуры, когда температура тропосферы возрастает с высотой. Инверсия температуры бывает в хорошую ясную погоду, после захода солнца, когда нижний слой воздуха, примыкающий к поверхности Земли, успевает охладиться, в то время как более высокие слои остаются еще теплыми. Дальность работы радиосредств при критической рефракции больше, чем при повышенной (рис. 6.2, б).
Сверхрефракция или волноводное распространение радиоволн (рис.6.2, б) наблюдается тогда, когда с высотой температура убывает значительно медленнее, а влажность – значительно быстрее, чем при нормальной рефракции. Такая ситуация складывается, например, над морем. В течение целых суток воздух у поверхности моря оказывается более холодным по сравнению с воздухом высокорасположенных слоев. Над морем сверхрефракция наблюдается и тогда, когда с суши после полудня дуют теплые ветры. При этом нижние слои воздуха к вечеру оказываются более увлажненными и охлажденными по сравнению с верхними слоями. Дальность действия радиосредств при сверхрефракции может значительно возрасти благодаря тому, что распространение здесь происходит вдоль тропосферного волновода, подробнее о морских тропосферных волноводах будет сказано ниже.
|
|
|
Явление рефракции необходимо учитывать на практике. Так в радиолокации рефракция электромагнитных волн, сопровождаемая искривлением пути, вызывает дополнительное временное запаздывание радиоволн, что приводит к возникновению ошибок по дальностиRи увеличению (уменьшению) значений угла места цели, т. е. к ошибкам Ɛ. Соответствующие графики ошибок приведены на рисунках 6.3, 6.4.
Рисунок 6.3 – Ошибки тропосферной рефракции по дальности
Рисунок 6.4 – Ошибки тропосферной рефракции по углу места
Из графиков видно, что ошибки R и Ɛ увеличиваются по мере уменьшения угла наблюдения за целью, т. е. угла Ɛ, под которым радиоволны распространяются в тропосфере. Так, эти ошибки максимальны за счет рефракции радиоволн в тропосфере при работе РЛС по низколетяшим самолетам, ракетам, надводным кораблям.
Taк, при наблюдении цели, находящейся под углом 0,2°, т. е. 12 угл. мин., на дистанции 30 км, что соответствует высоте полета около 105м, угловая ошибка за счет рефракции может составить до 3' (рис. 6.4). Это означает, как видно на рисунке 6.5, завышение оценки высоты полета цели на 26 метров.
Рисунок 6.5 – Ошибка определения высоты полета цели 
Н
за счет тропосферной рефракции
