- •Лекции по курсу «элекродинамика и распространение радиоволн»
- •Лекция 19
- •Раздел «Распространение радиоволн»
- •Строение и параметры атмосферы
- •Лекция 20
- •Механизмы распространения радиоволн.
- •Параметры антенн
- •Уравнение радиопередачи
- •Области, существенные для распространения радиоволн
- •Распространение земных радиоволн
- •Общая характеристика трасс земных радиоволн
- •Лекция 21
- •Радиолинии с низкоподнятыми антеннами при плоской земле
- •Радиолинии с низкоподнятыми антеннами при сферической земле
- •Радиолинии над неоднородной земной поверхностью
- •Радиолинии с высокоподнятыми антеннами при гладкой плоской земле
- •Радиолинии с высокоподнятыми антеннами при гладкой сферической земле в зоне освещенности
- •Радиолинии с высокоподнятыми антеннами при гладкой сферической земле в области дифракции
- •Основные выводы по распространению земных волн
- •Лекция 22
- •Ионосфера. Образование и строение
- •Электрические параметры ионосферы
- •Преломление и отражение радиоволн в ионосфере
- •Поглощение радиоволн в ионосфере
- •Влияние магнитного поля Земли на распространение радиоволн в ионосфере
- •Нерегулярные явления в ионосфере
- •Особенности распространения радиоволн различных диапазонов
- •Распространение длинных волн
- •Распространение средних волн
- •Распространение коротких волн
- •Распространение укв земной волной
- •Дальнее тропосферное распространение укв
- •Распространение укв на космических радиолиниях
- •Особенности распространения волн оптического диапазона
Лекция 22
Ионосфера. Образование и строение
Ионосферой принято называть область атмосферы, расположенную на высотах, превышающих 60 км. Характерной особенностью данной области является наличие, наряду с нейтральными частицами (молекулами, атомами) газа, также свободных электронов, положительных и отрицательных ионов, образующихся в результате ионизации газов.
Процесс ионизации заключается в отрывании одного или нескольких электронов из наружной оболочки атома или молекулы. Энергия, необходимая для совершения работы выхода электрона с орбиты (или ионизации), поступает главным образом от Солнца (до 99%) в виде электромагнитного излучения и потока заряженных частиц, именуемого иногда солнечным ветром. Помимо Солнца, ионизацию иногда вызывают также излучение звезд, космические лучи и метеоры. Под действием излучения Солнца в атмосфере Земли имеет место два вида ионизации: фотоионизация и ударная ионизация.
Фотоионизация атмосферы происходит под воздействием электромагнитного излучения с длиной волны мкм, т.е., за счет ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца. Ударная ионизация возникает при столкновении корпускулярных частиц с молекулами или атомами газа. Частицы с массой электрона способны ионизировать газ атмосферы Земли при скоростикм/с. Ударная ионизация, из-за влияния постоянного магнитного поля Земли, дает заметный вклад преимущественно в полярных районах земного шара. Одновременно с ионизацией происходит рекомбинация электрона с положительными нонами в нейтральную молекулу или атом и «прилипание» электронов к нейтральным частицам.
Таким образом, в ионосфере одновременно существуют свободные электроны, положительные и отрицательные ноны, причем количество положительных и отрицательных зарядов одинаково, и в целом ионосфера является квазинейтральной. Подобное состояние газов называется плазмой.
Определяющее влияние на распространение радиоволн оказывают наиболее легкие и подвижные из заряженных частиц — электроны, концентрация (плотность) которых определяется числом электронов в единице объема и характеризует состояние и строение ионосферы.
Уравнение состояния ионизированного газа имеет вид
где — электронная концентрация (электронная плотность) ионизированного газа;— коэффициент рекомбинации, равный вероятности исчезновения электронно-ионных пар в единице объема за единицу времени.
В состоянии динамического равновесия процессов рекомбинации и ионизации () электронная концентрация ионосферы равна
.
где — интенсивность ионизации, равная числу образующихся электронно-ионных пар в единице объема за единицу времени.
После прекращения действия источника ионизации электронная концентрация ионосферы уменьшается по гиперболическому закону
где — электронная концентрация в момент прекращения действия источника ионизации. Данное выражение объясняет, почему с заходом Солнца электронная концентрация уменьшается не сразу, а более или менее постепенно.
В идеализированном случае, если предположить, что атмосфера имеет однородный состав, ее температура с высотой не меняется, давление изменяется равномерно, то распределение электронной концентрации в зависимости от высоты имеет один максимум (рисунок Рисунок 16 ). Такое распределение называется простым слоем (слоем Крючкова-Чепмена). Образование простого слоя обусловлено тем, что интенсивность ионизирующего излученияуменьшается с приближением к поверхности Земли, а плотность нейтральных частицизменяется в обратном направлении. Максимумвозникает на той высоте, где ионизирующее излучение еще не сильно ослаблено, а плотность нейтральных частиц еще не очень мала.
−Образование простого слоя ионизации
Реальная атмосфера является крайне неоднородной как по составу газов, так и по температуре, газовый состав и температура меняются вместе с высотой. Все это совместно с различной энергией ионизации для различных высот приводит к появлению вместо одного нескольких максимумов электронной концентрации. Поэтому распределение по высоте электронной концентрации в атмосфере имеет более сложный характер. Экспериментально установлено, что распределение электронной концентрации по высоте имеет вид ступенчатой кривой с относительно плавным изменением концентрации от ступеньки к ступеньке (рис. 9.4). Максимумы электронной концентрации обычно отождествляют с положением отдельных областей или «слоев» ионосферы. Характеристики основных параметров слоев ионосферы представлены в таблице 2.
Таблица 2 − Параметры ионосферных слоев
Параметры слоев |
Ионосферные слои | |||
Высота слоя , км |
60−90 |
100−140 |
170−240 |
230−400 |
Полутолщина слоя , км |
− |
15−20 |
20−100 |
50−200 |
Электронная концентрация, эл/куб. м. |
108−109 |
109−2∙1011 |
2∙1011−4,5∙1011 |
2∙1011−2∙1012 |
− Распределение электронной концентрации в ионосфере
Слой − самый нижний слой ионосферы. Располагается на высоте 60—90 км. Электронная плотность не превышаетэл/м3. Слойпоявляется только в дневное время. В ночное время ионизация на этих высотах исчезает и в результате процесса ионизации слойпрекращает свое существование. Летом электронная плотность слоявыше, чем зимой.
Слой — первый слой, обнаруженный исследователями. Нижняя граница слоя расположена на высоте 100 км, полутолщина слоя составляет 15—20 км. Электронная концентрация достигает максимума днем эл/м3и изменяется вслед за изменением зенитного угла Солнца. В ночные часы электронная плотность остается на постоянном уровне и составляетэл/м3. Причина ночной ионизации до сих пор не установлена. Предполагают, что она вызывается частично метеорами, частично «прилипанием» электронов к нейтральным молекулам.
Слой располагается на высоте 170— 240 км. Электронная плотность слоя составляетэл/м3. Слойсуществует только днем и преимущественно летом.
Слой существует всегда, днем и ночью, летом и зимой, весной и осенью. Его высота составляет 230—400 км от поверхности Земли. Электронная концентрация колеблется отдоэл/м3, подвержена сильным изменениям и даже в спокойные дни и в один и тот же час суток электронная плотность существенно отклоняется от среднего значения.
Ионизация слоя изменяется по широте и долготе, а также наблюдается годовое изменения ионизации слоядля всего земного шара: в зимнее время обычно ионизация в северном полушарии выше, чем летом. Слойявляется основным слоем, отражающим короткие волны, и имеет очень большое практическое значение для радиосвязи.
Помимо суточных и сезонных изменений состояния ионосферы наблюдаются изменения ионосферы, связанные с 11-летним циклом солнечной активности. Критерием солнечной активности является число Вольфа . Число Вольфа — это число, равное сумме пятен, наблюдаемых на Солнце и удесятеренного числа групп пятен
,
где — число пятен на Солнце;— число групп, в которые объединены пятна.
При Солнце спокойно. ПриСолнце считается активным. В годы высокой солнечной активности ионизация атмосферы Земли резко изменяется и носит крайне нерегулярный характер. Это приводит к частым нарушениям коротковолновой связи.