Электродинамика_Коллоквиум_23

составить уравнение луча, из которого находится значение радиуса его

Вычислим радиус кривизны луча в нормальной тропосфере, для которой Т = 288 – 0,0065h град, eˆ = 10 – 0,0035h (h измеряется в метрах,

критического градиента, то искривленный луч попадает на землю.

Рефракция приводит к увеличению эффективности радиуса

пасмурной погоды, когда слои воздуха достаточно хорошо перемешаны,

наблюдаются следующие виды рефракции (рис. 5.6):

91

убывает быстрее, а влажность убывает медленнее, чем при нормальной рефракции (пасмурная дождливая погода). Предельным случаем пониженной рефракции считается отрицательная рефракция ( aˆ 0 );

убывает медленнее, а влажность быстрее, чем при нормальной рефракции. Повышенная рефракция при обычных градиентах влажности наблюдается в случае возрастания температуры с высотой

(температурная инверсия). Такие явления наблюдаются в ясную погоду после захода солнца, когда нижний слой воздуха успевает охладиться вследствие радиации тепла, а более высокие слои остаются теплыми.

Рис. 5.6. Типы рефракции в зависимости от погоды.

В тех случаях, когда с высотой температура убывает намного медленнее, а влажность – значительно быстрее, чем при нормальной

92

радиотехнических устройств при сверхрефракции может значительно возрасти благодаря тому, что распространение происходит вдоль земли по атмосферному волноводу. В отличие от металлического волновода

Волноводное распространение радиоволн наиболее вероятно в сантиметровом диапазоне.

Наряду с атмосферными (приземными) волноводами возможны так называемые “приподнятые волноводы”, которые могут находиться на высотах от 5 до 3000 м. Наиболее часто условия для сверхрефракции возникают над морской поверхностью.

§5.4.Рассеяние радиоволн неоднородностями турбулентной тропосферы.

Дальнее распространение радиоволн УКВ диапазона за пределами горизонта имеет место при отсутствии метеоусловий,

благоприятствующих сверхрефракции. Это обеспечивается рассеянием радиоволн неоднородностями атмосферы, которые возникают ввиду постоянно существующего турбулентного движения воздуха. Согласно экспериментальным данным, для воздуха масштаб турбулентного

93

движения может изменяться от нескольких миллиметров до нескольких десятков метров.

Благодаря турбулентному движению элементы объема воздуха различного масштаба l переносятся на одной области пространства в

фиксированной точке пространства происходит флюктуация T, p, eˆ , что

Очевидно, что характер рассеяния радиоволн неоднородностями

линзы, в этом случае диаграмма направленности рассеяния имеет узкий

образом, в заметном рассеянии радиоволн за пределы горизонта принимают участие неоднородности с l .

Рис. 5.7. Определение рассеянного поля приема.

Пусть волна падает на объем V , диэлектрическая проницаемость которого отличается на . Под действием поля V поляризуется, т.е.

приобретает момент, согласно формуле

94

Элемент dV можно рассматривать как элементарный диполь, для которого можно вывести вектор Герца Z . По формулам для поля элементарного диполя рассчитывается рассеянное поле в точке приема А

(рис. 5.7).

Из решения задачи рассеяния в приближении Борна можно сделать следующий вывод: в создании поля, рассеянного в направлении угла θ,

Коэффициент рассеяния определяется соотношением

где Pрасс – мощность рассеяния, созданная элементом объема V в

элементе телесного угла ;

Sпер – плотность потока энергии первичной волны падающей на V ;

A – постоянный коэффициент, определяемый на основе экспериментальных данных.

Эффект тропосферного рассеяния используется при построении радиотехнических станций дальней связи (дальность действия

600 – 1000 км).

§5.5. Ослабление радиоволн в тропосфере.

95

В диапазоне сантиметровых и более коротких волн наблюдается ослабление радиоволн, распространяющихся в тропосфере. Ослабление в основном обусловлено двумя причинами – поглощением и рассеянием

радиоволн.

Поглощение радиоволн газами тропосферы (кислородом и водяными парами) является избирательным (или резонансным). Интенсивность рассеяния существенно зависит от длины волны, размеров молекул и рассеивающих частиц. Практически рассеянием радиоволн молекулами

газов можно пренебречь.

Поглощение и рассеяние радиоволн гидрометеорами не является

избирательным.

Графики коэффициентов поглощения радиоволн кислородом и парами воды приведена на рис. 5.8, где плотность пара воды составляет

При теоретическом анализе поглощения и рассеяния радиоволн частицами их форму приближенно считают сферической. Для характеристики сферической неоднородности вводится эффективные

площади поглощения и рассеяния

где PП и Pрасс – мощности поглощения и рассеяния шаром;

Sрасс – плотность потока энергии волны, падающей на шар.

Суммарная эффективная площадь, определяющая ослабление волны, равна П расс .

96

Как видно из формул, эффективная площадь рассеяния обратно

пренебречь. Для относительно крупных частиц (например, капли дождя)

в коротковолновой части сантиметрового диапазона волн следует учитывать и поглощение и рассеяние.

атмосферном образовании определяется его протяженностью и концентрацией частиц в единице объема N. Суммарный коэффициент ослабления в случае поглощения и рассеяния находится из формулы

97

Рис. 5.8. Коэффициент поглощения радиоволн кислородом и парами воды.

Рис. 5.9. Ослабление радиоволн в дожде различной интенсивности.

При расчете ослабления в конкретном атмосферном образовании необходимо учитывать распределение гидрометеоров по размерам.

Тогда

Рассмотрим ослабление радиоволн в дожде и других образованиях.

При вычислении ослабления в дожде параметром, определяющим его интенсивность, обычно считают количество осадков в миллиметрах,

выпадающих в течение часа. Характеристики ослабления радиоволн в дожде различной интенсивности в зависимости от длины волны приведены на рис. 5.9. Ослабление в граде составляет лишь несколько

98

процентов от ослабления в дожде той же интенсивности. В снеге оно весьма мало, если снег сухой. В мокром снеге приблизительно такое же ослабление, как и в дожде той же интенсивности.

В тумане и облаках ослабление пропорционально величине концентрации воды в единице объема; оно зависит от температуры и быстро уменьшается с ростом длины волны.

§5.6. Распространение радиоволн в ионосфере.

В определенных частотных диапазонах ионосфера создает благоприятные условия для распространения радиоволн вокруг Земли на весьма большие расстояния. Теория распространения радиоволн в

ионосфере была развита впервые в 1923 г. М.В.Шулейкиным.

Ионосфера представляет собой квазинейтральный ионизированный газ, содержащий нейтральные атомы и молекулы, положительные и

отрицательные (электроны) ионы, суммарный заряд которых равен нулю.

При этом приятно считать, что плотность газа такова, что среднее

расстояние между частицами l . В этом случае ионизированный газ

можно рассматривать как сплошную среду с абсолютной

образованными положительными ионами, можно пренебречь по сравнению с токами электронов, поскольку положительные ионы обладают значительной массой. Полная плотность тока в ионосфере равна:

99

Если ионосферу представить в виде сплошной среды, то под

воздействием падающего поля в ней будет возникать ток с плотностью

В силу эквивалентности электромагнитных процессов в реальном ионосферном газе и воображаемой сплошной среде можно положить

J Jср ,

где – число соударений электронов с частицами за единицу времени; m 9,106 10 31 кг – масса электрона; m V – изменение количества

движения электрона за единицу времени.

С учетом (5.26), (5.28), (5.30) представим второе уравнение Максвелла в виде

100