2. Электрические параметры ионосферы

Закономерности распространения радиоволн в ионосфере определяются ее электрическими параметрами — диэлектрической проницаемостью и удельной проводимостью. Отличительной особенностью ионосферы является плазменное (электронно-ионное) состояние ее вещества.

При прохождении радиоволны через ионосферу все заряженные частицы начинают двигаться в такт с изменением поля волны. Это упорядоченное полем волны движение заряженных частиц можно рассматривать в качестве тока. Преобладающими среди всех заряженных частиц являются электроны. Поэтому возникающий ток можно считать электронным током с плотностью

где — заряд электрона;— скорость электрона.

Помимо электронного тока полем волны возбуждается и ток смещения в вакууме с плотностью . Тогда плотность полного тока в ионизированном газе составит

Движение электрона в поле волны описывается уравнением

,

где − средняя скорость движения электрона,− его масса,− эффективная частота соударений электронов с ионами и молекулами, измеряемая в 1/с. Значениезависит от расстояния между частицами и скорости их движения. С увеличением высоты над земной поверхностьюуменьшается.

Решая уравнение движения электрона относительно скорости

,

получим плотность электронного тока в виде

.

Сравнение выражений плотности полного тока в ионизированном газе и в любой полупроводящей среде показывает, что ионизированный газ можно рассматривать в качестве полупроводящей среды с параметрами:

,,

где − относительная диэлектрическая проницаемость ионизированного газа,− проводимость. После подстановки постоянных значений

,.

Из приведенных следует, что диэлектрическая проницаемость и проводимость ионосферы зависят от частоты, и по мере ее повышения приближаются к соответствующим значениям в свободном пространстве: при ,. Это объясняется инерцией электронов, которые не успевают следовать за изменением поля волны. Необходимо также иметь в виду изменение диэлектрической проницаемости и проводимости ионосферы в результате изменения концентрации электронов с высотой.

На достаточно высоких частотах, когда , выражения упрощаются:

,,

где ,,,.

Учитывая, то максимальное значение наблюдается в слоеи имеет порядок, то упрощенные формулы могут быть использованы на частотах примерно выше 3 МГц.

При некоторой максимальной частоте диэлектрическая проницаемость ионосферы становится равной нулю. Частотаявляется той предельной частотой, которая отражается от ионосферы при данной электронной концентрации. На частотах вышеотносительная диэлектрическая проницаемость ионосферыи радиоволна распространяется в ней как в неионизированной ионосфере. На частотах меньшеотносительная диэлектрическая проницаемость ионосферы становится отрицательной величиной (). В этом случае волновой процесс невозможен — происходит сильное затухание радиоволн.

3. Преломление и отражение радиоволн в ионосфере

Для определения условий распространения радиоволн в сферически и электрически неоднородной ионосфере рассмотрим упрощенную, справедливую для сравнительно небольших расстояний (примерно до 1000 км) модель плоскослоистой ионосферы. Будем полагать, что ионосфера состоит из большого числа тонких слоев (рисунок Рисунок 18 ).

В каждом слое значение , постоянно, величины которых меняются от слоя к слою. Аналогично изменяется и показатель преломления.

Оценим форму траектории радиоволны, распространяющейся в ионосфере. Для выбранной модели ионосферы траектория распространения радиоволны будет определяться законом преломления:

Поскольку распространение волны происходит из оптически более плотной в оптически менее плотную среду, ,и т. д. Для отклонения радиоволны обратно к Земле в верхней точке траектории движения уголдолжен составлять 90°. Тогда условие отражения запишется в виде:

,,

так как (граница с тропосферой) и.

Подставляя сюда найденное значение относительной диэлектрической проницаемости ионосферы, получим

.

При уменьшении толщины слоев относительная диэлектрическая проницаемость ионосферы будет изменяться плавно, и траектория радиоволны примет форму кривой линии.

Из найденного условия полного отражения следует:

1. С увеличением частоты падающей на ионосферу радиоволны под заданным углом отражение будет происходить от областей с большей электронной концентрацией, то есть, на больших высотах (рисунок Рисунок 19 ).

18. −Слоистая модель ионосферы

19. −Отражение от ионосферы радиоволн с различной частотой

Поскольку электронная концентрация изменяется скачками от слоя к слою, то при фиксированном угле падения будут существовать и соответствующие значения максимальных частот, при которых волна еще отражается от соответствующего слоя. Эти частоты называются максимально применимыми частотами (МПЧ). Величины МПЧ зависят от концентрации электронов в слое и угла падения . Для соответствующих слоев их обозначают с указанием-МПЧ,-МПЧ,-МПЧ,-МПЧ. Наибольшая из всех МПЧ является максимально применимой частотой трассы заданной протяженности. Для волн с частотойусловие отражения не выполняется и они проходят сквозь ионосферный слой.

2. При определенной электронной концентрации радиоволна данной частоты отразится только в том случае, если угол падения равен или превышает величину, определяемую по формуле полного отражения. Чем больше электронная плотность , тем при меньших значениях угла, возможно отражение. Минимальный угол, при котором в данных условиях еще возможно отражение, называют критическим углом (рисунок Рисунок 20 ).

20. −Отражение от ионосферы радиоволн при разных углах падения

Частота, для которой критический угол равен нулю, называют критической частотой.

Очевидно, что критическая частота — это максимальная частота радиоволны, которая вертикально падает на ионосферу и отражается от нее. Критическая частота зависит от электронной концентрации и увеличивается с ростом ее электронной плотности. Полагая , получим выражение для критической частоты

которое совпадает с найденным выше значением частоты, при котором . Это значит, что на критической частоте относительная диэлектрическая проницаемость ионосферы равна нулю.

Критическая частота и угол падения радиоволны на ионосферу однозначно определяют частоту радиоволны, которая падает на ионосферу под углом и отражается от нее. Действительно, преобразуем последние два выражения к виду

,

откуда

Отсюда следует, что при наклонном падении на ионосферу радиоволна может отразиться от нее на частоте, которая в раз превышает критическую частоту. Это соотношение называется законом секанса. Если рабочая частота больше частоты, определяемой по этому уравнению, то отражения не происходит и радиоволна, преломляясь в ионосфере, уходит в космическое пространство (рисунок Рисунок 20 ).