Вопр_гос_эк_ЭД и РРВ / Ионосфера Земли

Ионосфера Земли, особенности распространения КВ радиоволн в неоднородной плазме полное внутренне отражение, максимально применимая частоты

Атмосфера Земли представляет собой частично ионизованный газ. На малых высотах ионизация происходит из-за грозовых разрядов и высокоэнергичных частиц космических лучей. На больших высотах ионы образуются преимущественно в результате ионизирующего излучения Солнца в ультрафиолетовом диапазоне частот. При ионизации атом обычно теряет из своей оболочки один электрон, благодаря чему образуются положительно заряженные ионы и свободные электроны, являющиеся проводниками электрического тока. С ростом высоты количество заряженных частиц в единице объема (концентрация) возрастает и достигает максимума на высотах порядка 300~км. При дальнейшем увеличении высоты возрастает относительное количество ионизованных частиц по сравнению с нейтральными, но общее их количество падает, поэтому концентрация уменьшается. На высотах, больших 1000 км газ в атмосфере Земли становится практически полностью ионизованным. Зависимость концентрации от высоты, типичная для земной ионосферы, показана на рис.1. Обычно в ионосфере выделяют слой D, находящийся на высотах 60÷80 км, слой E, который занимает область высот 80÷150 км и самый протяженный слой F, простирающийся вплоть до 1000 км, который в свою очередь условно разделяют на F₁ и F₂ слои. Электронная концентрация ионосферы зависит от времени суток, в ночное время она уменьшается, она также зависит от уровня солнечной и геомагнитной активности.

Заряженные частицы в плазме, также как и частицы идеального газа, находятся в тепловом движении. Тепловые (хаотические) скорости электронов и ионов составляют м/с, м/с соответственно. Здесь (Дж/K) – постоянная Больцмана, Te Ti (К) – электронная и ионная температуры в градусах Кельвина, m_e=0,9 10^–30 кг – масса электрона, m_i2^. 10^–26 кг – масса иона.

Характерным свойством плазмы является наличие собственных частот колебаний заряженных частиц, из которых на распространение радиоволн наиболее сильное влияние оказывают высокочастотные резонансы, связанные с колебаниями электронной компоненты. Электронные плазменные колебания возникают вследствие смещения более легких электронов относительно тяжелых ионов.

Запишем уравнение движения электрона гармонического поля :

,

здесь учтена эффективная сила трения, равная _тр= , где – частота соударений электронов с другими частицами. Выразив из данного уравнения скорость , приходим к следующему выражению для плотности тока

.

Плотность тока представляет сумму тока проводимости и тока поляризации . Учитывая уравнение , связывающие вектор электрической индукции с напряженностью электрического поля и вектором поляризации приходим к следующему выражению для плотности тока , откуда следуют выражения для диэлектрической проницаемости и проводимости плазмы:

.

Выражение для диэлектрической проницаемости холодной плазмы, в которой не учитывается тепловое движение заряженных частиц, имеет следующий вид

, где – электронная плазменная частота, в верхней ионосфере её значение обычно составляет МГц. В случае имеем следующие выражения для проводимости и комплексной диэлектрической проницаемости плазмы

; .

Поглощение электромагнитной волны определяется мнимой частью диэлектрической проницаемости. При соблюдении неравенства комплексный коэффициент преломления равен

.

При коэффициент затухания поля электромагнитной волны равен выражением (дБ/км).

Из приведенного выражения следует, что показатель поглощения зависит от трех параметров: электронной концентрации n_e, частоты соударений и частоты волны . В ионосфере Земли величина в дневное время суток имеет максимум на высотах (80÷100) км.

Рассмотрим задачу об отражении электромагнитной волны от неоднородного слоя изотропной плазмы, в которой диэлектрическая проницаемость зависит от вертикальной координаты (z). В приближении плавно неоднородной среды, когда свойства плазмы меняются мало на масштабе длины волны (), отражение электромагнитной волны имеет место при выполнении условия , т.е. от уровня . Для частот диэлектрическая проницаемость отрицательна , и волновое число k становится мнимым, его величина определяет глубину скин-слоя , масштаба, на который внешнее электромагнитное поле проникают в плазму.

При наклонном падении электромагнитной волны на слой плазмы согласно закону Декарта-Снеллиуса имеем

,

здесь =1 – и – показатель преломления и угол падения, отсчитываемый от вертикали, волны на ионосферный слой, . показатель преломления на уровне отражения электромагнитной волны, где угол падения равен или . Тогда из закона Декарта-Снеллиуса следует условие отражения волны

, или ,

которое часто называют законом секанса. Из закона секанса следует, что радиоволна при наклонном падении на ионосферный слой отражается от меньшей высоты, чем при вертикальном. Максимальный угол падения , при котором имеет место отражение радиоволны от ионосферного слоя определяет значение максимально применимой для радиосвязи частоты сигнала (МПЧ).