§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 . В этом случае ионизированный газ можно рассматривать как сплошную среду с абсолютной диэлектрической проницаемостью и проводимостью σ. Токами, образованными положительными ионами, можно пренебречь по сравнению с токами электронов, поскольку положительные ионы обладают значительной массой. Полная плотность тока в ионосфере равна:

; (5.26)

; (5.27)

,

где N – число носителей заряда в единице объема ();

– скорость упорядоченного движения электронов (м/с);

е – заряд электрона, равный – Кл.

Если ионосферу представить в виде сплошной среды, то под воздействием падающего поля в ней будет возникать ток с плотностью

, (5.28)

или ,

где – вектор электрической индукции.

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

,

.

Для определения скорости воспользуемся уравнением движения электрона в поле :

, (5.29)

где  – число соударений электронов с частицами за единицу времени; – масса электрона; – изменение количества движения электрона за единицу времени.

Полагая , после подстановки в уравнение движения (5.29) находим:

. (5.30)

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

откуда

; . (5.31)

В диапазоне радиоволн , поэтому можно принять

; . (5.32)

Величина имеет размерность квадрата частоты. Эта частота, обозначаемая , называется плазменной частотой (или частотой Ленгмюра): , где N – число электронов в кубическом метре.

Относительная диэлектрическая проницаемость ионосферы меньше диэлектрической проницаемости вакуума

. (5.33)

Из выражения для ε следует два важных вывода:

1. Эффективная электрическая проницаемость существенно зависит от , т.е. ионосфера является сильно диспергирующей средой.

2. Поскольку концентрация электронов N, а следовательно ε и σ, меняются от точки к точке, ионосферу следует считать существенно неоднородной средой.

Отметим принципиальное отличие между изменениями диэлектрической проницаемости в ионосфере и тропосфере. В тропосфере она изменяется в незначительных пределах, оставаясь несколько большей единицы. В ионосфере диэлектрическая проницаемость в зависимости от изменения концентрации электронов с высотой может принимать какие угодно значения, меньше единицы, в том числе отрицательные. В частности, если ε принимает нулевые или близкие к нулю значения, то наблюдается явление полного внутреннего отражения радиоволн. Графики изменения N и ε от h для вертикального направленного луча показаны на рис. 5.10, а и б, а траектории лучей при наклонном падении - на рис. 5.10,в ( – высота, где наблюдается максимум ионизации).

Рис. 5.10. Графики изменения N и ε от h для вертикального направленного луча.

На практике используются понятия о критической и максимальной частотах луча. Критической частотой называется максимальная частота вертикально направленного луча, который еще отражается от ионизированного слоя. Максимальной частотой называется максимальная частота луча, направленного под углом к земле, который еще отражается от слоя.

, (5.34)

где a – радиус Земли.

Исследования показывают, что максимальное значение критической частоты не превосходит 16 МГц (λ = 19 м). Наибольшая максимальная частота () достигает величины 48 МГц (λ = 6 м). Таким образом, можно считать, что волны короче 6 м от ионосферы не отражаются; волны от 6 до 19 м также могут пройти через ионосферу, не отражаясь, но при больших углах возвышения (); волны длиннее 19 м всегда отражаются от ионосферы при любом угле возвышения.