§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 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 другую почти без изменений T
и
.
В результате в каждой фиксированной
точке пространства происходит флюктуация
T,
p,
,
что приводит к флюктуации n,
при этом
.
Очевидно, что
характер рассеяния радиоволн
неоднородностями зависит от
.
При
неоднородность может проявлять свойства
линзы, в этом случае диаграмма
направленности рассеяния имеет узкий
лепесток. При
рассеяние
(
)
пренебрежимо мало. Таким образом, в
заметном рассеянии радиоволн за пределы
горизонта принимают участие неоднородности
с
.
Рис. 5.7. Определение рассеянного поля приема.
Пусть волна падает
на объем
,
диэлектрическая проницаемость которого
отличается на
.
Под действием поля
поляризуется, т.е. приобретает момент,
согласно формуле
,
,
где
.
Элемент dV
можно рассматривать как элементарный
диполь, для которого можно вывести
вектор Герца
.
По формулам для поля элементарного
диполя рассчитывается рассеянное поле
в точке приема А
(рис. 5.7).
. (5.19)
Из решения задачи
рассеяния в приближении Борна можно
сделать следующий вывод: в создании
поля, рассеянного в направлении угла
θ, из всего спектра неоднородностей
участвуют лишь те, масштабы которых
удовлетворяют условию
,
где θ – угол рассеяния.
Коэффициент рассеяния определяется соотношением
, (5.20)
где
– мощность рассеяния, созданная элементом
объема
в элементе телесного угла
;
– плотность потока
энергии первичной волны падающей на
;
– 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.
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
.
Полное поглощение радиоволн определяется
суммой парциальных поглощений в каждом
из газов:
.
При теоретическом анализе поглощения и рассеяния радиоволн частицами их форму приближенно считают сферической. Для характеристики сферической неоднородности вводится эффективные площади поглощения и рассеяния
,
, (5.21)
где 
и
– мощности поглощения и рассеяния
шаром;
– плотность потока
энергии волны, падающей на шар.
Суммарная эффективная
площадь, определяющая ослабление волны,
равна
.
В практически
важном случае, когда радиус неоднородности
значительно меньше λ (
)
; (5.22)
. (5.23)
Как видно из формул,
эффективная площадь рассеяния обратно
пропорциональна
(закон Релея). При малых электрических
размерах частиц
,
в этом случае потерей энергии на рассеяние
можно пренебречь. Для относительно
крупных частиц (например, капли дождя)
в коротковолновой части сантиметрового
диапазона волн следует учитывать и
поглощение и рассеяние.
При расчете
принимают во внимание зависимость
показателя преломления
от температуры воды. Ослабление волны
в атмосферном образовании определяется
его протяженностью и концентрацией
частиц в единице объема N.
Суммарный коэффициент ослабления в
случае поглощения и рассеяния находится
из формулы
. (5.24)
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
, (5.25)
где i
означает номер группы частиц определенного
размера (
).
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 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.