Lektsia_14 (Все лекции в электронном виде по ЭДиРРВ)

Лекция 14 Электродинамические свойства земной поверхности иатмосферы ЗемлиЗемной шар представляет собой тело почти сферической формырадиусом около 6370 км. В большинстве радиолиний, исключая космические,приемные и передающие антенны приподняты над земной поверхностью навысоты, существенно меньшие радиусаВ то же время длина трассы, т. е. расстояние между передатчиком иприемником, измеренное вдоль земной поверхности, может изменяться вочень широких пределах, колеблясь от нескольких километров (телевидение,ближняя радиосвязь) до нескольких тысяч километров (радиовещание,радионавигация).

По этой причине при расчете технических характеристикприземных радиоканалов используются различные модели формы земнойповерхности. В простейшем случае короткой трассы кривизной поверхностиЗемли обычно пренебрегают и считают, что граница раздела этойповерхности с атмосферой является плоской. Если же длина трассы сравнимас радиусом Земли, то приходится учитывать реальную форму границыраздела, поскольку прямая видимость между начальной и конечной точкамитрассы отсутствует.

Затеняющее действие земной поверхности приводит кизвестному из физики явлению дифракции радиоволн. Как следствие,принятая волна оказывается существенно ослабленной.14.1 Электродинамические параметры земной поверхностиВ земных условиях волны распространяются над той или инойподстилающей поверхностью (почва, скальный грунт, лес, пресная илиморская вода, лед и т. д.). Все эти материальные среды являются практическинемагнитными,иихотносительнаямагнитнаяпроницаемость\iсдостаточной для практики точностью может считаться равной единице.Основнымипараметрамиматериалаподстилающейповерхностиоказываются относительная диэлектрическая проницаемость  и удельнаяэлектрическая проводимость .

Как показывают эксперименты, оба этипараметра подвержены дисперсии, которая, однако, выражена достаточнослабо.Втаблице14.1приводятсячисловыеданныедлянаиболеераспространенных сред применительно к частотам ниже 300 МГц.Таблица 14.1 – Электродинамические параметры подстилающих сред Земли.Нужно заметить, что подобные параметры, часто встречающиеся влитературе по распространению радиоволн и по радиолокации, описываютусредненные характеристики, получаемые на основе многочисленныхизмерений, проводимых в различных географических и метеорологическихусловиях. Достоверность таких цифр применительно к отдельно взятомуконкретному эксперименту не слишком высока и дает возможностьпроводить лишь ориентировочные расчеты, которые, тем не менее, во многихслучаях удовлетворяют практическим запросам.Обобщающей числовой характеристикой немагнитной материальнойсреды с омическими потерями служит комплексная диэлектрическаяпроницаемость(14.1)Вещественная часть этого комплексного числа пропорциональнасуммарной плотности тока смещения и тока поляризации, в то время какмнимая часть характеризует объемную плотность токов проводимости.Можно заметить, что с понижением рабочей частоты относительная долятоков проводимости непрерывно возрастает, и при 0 материальная средас потерями становится проводником.В грубом приближении при расчете радиолиний низкочастотныхдиапазонов (с частотами менее 1 МГц) земную поверхность можноприближенно считать идеально проводящей, что существенно упрощаетрешение любых задач о распространении радиоволн.

С ростом рабочейчастоты омические потери начинают сказываться все в большей степени. Этообстоятельство приводит к дополнительному ослаблению радиоволн. Вдиапазоне УКВ большинство материальных сред, из которых сложена земнаяповерхность, могут рассматриваться как несовершенные диэлектрики, укоторых действительная часть комплексной диэлектрической проницаемостисущественно превосходит мнимую часть.14.2 Атмосфера Земли и ее строениеХимический состав земной атмосферы в настоящее время изученвесьматщательно.АтмосфераЗемлипредставляетсобойсмесьмолекулярного азота 78 %) и молекулярного кислорода 21 %).

На долюпрочих компонентов, главным образом водяного пара и некоторых инертныхгазов, приходится лишь 1 %.Физические параметры атмосферы Земли весьма сильно зависят отвысоты. По этой причине общепринято рассматривать атмосферу какобъединение двух областей: нижней атмосферы – области с высотами отнуля до 60 км, и верхней атмосферы - ионосферы, которая располагается винтервале высот от 60 до 20 000 км. В свою очередь, нижняя атмосфераделится на тропосферу (высоты до 15 км) и стратосферу (высоты от 15 до 60км).Физические процессы в тропосфере и стратосфере определяют собойпогодные и климатические явления на Земле.

Они связаны с интенсивныммассо- и теплообменом, а также переносом больших воздушных масс.Стратосфера оказывает слабое влияние на распространение радиоволн.Тропосфера - изотропная среда с коэффициентом преломления,несколько большим единицы. Электрические параметры тропосферыопределяются давлением, температурой и влажностью.Верхняя атмосфера Земли, чаще называемая ионосферой, подвергаетсяинтенсивному облучению Солнца и других космических источников. За счетэтого происходит ионизация атомов газов, что существенным образом влияетна характер распространения радиоволн в ионосфере.Следует заметить, что деление атмосферы на различные области носитусловный характер и проводится лишь с тем, чтобы упростить раздельноеизучение тех или иных физических явлений.

Какие-либо четко очерченныеграницы между областями атмосферы, безусловно, отсутствуют.Атмосфера удерживается за счет действия гравитационного поляЗемли. Внутри атмосферы существует гидростатическое давление р, котороев средних широтах на уровне Мирового океана составляет около 0.1 МПа. Сувеличением высоты в тропосфере давление воздуха падает приблизительнопо линейному закону со скоростью 12 кПа/км. В ионосфере давление воздухас ростом высоты падает по экспоненциальному закону, т.

е. еще более резко.Вторым физическим параметром атмосферного воздуха служит егоабсолютная температура Т. Измерения показывают, что температура воздухана поверхности Земли составляет в среднем 300 К. При увеличении высотытемпература меняется по сложному немонотонному закону, падая до 200 Кна верхней границе стратосферы.Исключительноважнуюрольвформированииусловийраспространения радиоволн играет ионосфера Земли.

Плотность газа вионосфере очень мала, и поэтому жесткое электромагнитное излучениеСолнца (в основном ультрафиолетовое и рентгеновское) оказывается здесьвесьма интенсивным. Энергия квантов этого излучения достаточна не толькодля диссоциации молекул, приводящей к образованию атомарных газов, но идля отрыва электронов от атомов. В результате ионизации части атомов газпревращаетсявхаотическуюсмесьионов,свободныхэлектронов,нейтральных атомов, а также нейтральных молекул, не претерпевшихдиссоциации.Следует заметить, что фотохимический процесс ионизации в плазмеявляется обратимым — наряду с ним постоянно идет процесс рекомбинацииионов и свободных электронов, приводящий к возникновению нейтральныхатомов газа.

В стационарных условиях между процессами ионизации ирекомбинации устанавливается динамическое равновесие, уровень которогоопределяется главным образом интенсивностью ионизирующего излучения.Важнейшим физическим параметром ионизированной газовой средыслужит электронная концентрация Ne, определяющая число свободныхэлектронов в единице объема. Характерные графики распределенияэлектронной концентрации в зависимости от высоты h точки наблюденияпредставлены на рисунке 14.1. Одна из кривых относится к дневным, адругая — к ночным часам.

Принципиально. важно, что обе кривые имеютнемонотонный характер; на некоторой высоте значение Ne оказываетсямаксимальным. Причина этого состоит в следующем.Рисунок 14.1 – Распределение электронной концентрации в ионосфере повысоте: 1 — днем; 2 — ночьюНа больших высотах плотность потока солнечного излучения велик,однако атмосфера здесь весьма разрежена и поэтому значения Neсравнительно малы. Вблизи земной поверхности, наоборот, плотность газавелика, однако поток ионизирующего излучения сильно ослаблен толщейатмосферы,чтотакжеприводиткмалымзначениямэлектроннойконцентрации.В высотном профиле распределения электронной концентрациипринято выделять ряд более или менее выраженных слоев, получившихспециальные буквенные символы (рисунок 14.1):- Слой D.

Так называют самый нижний слой ионосферы, лежащий навысотах от 60 до 90 км. Слой D существует только днем. Электроннаяконцентрация в нем изменяется во времени пропорционально угловой высотеСолнца над горизонтом и не превышает (103-104) см-3. Ночью этот слойисчезает под действием рекомбинации.- Слой Е.

Располагается на высотах порядка 110 км. Днем значение Ne вданном слое достигает 1,5·105 см-3, а ночью падает до 5·103 см-3.- Слой F. Существует на высотах порядка 250 км днем и 320 км ночью.Данный слой характеризуется наивысшей электронной концентрацией,которая достигает 2·106 см-3 в полуденные часы. Ночью значения Ne в слое Fне превышают 2·105 см-3. Днем слой F разделяется на два подслоя F1 и F2,которые ночью сливаются в единый слой.Заметим,чтокривые,приведенныенарисунке14.1,имеютусредненный характер и могут существенно варьироваться в зависимости отвыбора географических координат точки наблюдения.

Кроме того, числовыезначенияэлектроннойконцентрациивовсехионосферныхслояхсущественным образом зависят от уровня солнечной активности, которая, всвою очередь, испытывает как регулярные изменения с периодом в 11 лет,так и случайные колебания. Имеется специальная международная служба,занимающаяся прогнозом состояния ионосферы. Использование такихпрогнозов дает возможность существенно повысить надежность работырадиоканалов в земных условиях.14.3 Влияние тропосферы и ионосферы на распространениерадиоволнЗная давление и температуру, можно рассчитать концентрациюмолекул газа Nм, воспользовавшись формулой из курса физики(14.2)где k=1,38·10-23 Дж/К— постоянная Больцмана.В соответствии с этим концентрация молекул в тропосфере NМ падаетпри увеличении высоты.

Это, в свою очередь, приводит к снижениюдиэлектрической проницаемости воздуха , а значит, и его показателяпреломления n=√. Фактически показатель преломления воздуха в пределахтропосферы весьма мало отличается от единицы при любых условиях.Поэтому в инженерных расчетах для удобства применяют так называемыйиндекс преломления(14.3)Это безразмерное число зависит от метеорологических условий и отвыбора пункта наблюдения на поверхности Земли. В среднем значениеколеблется в пределах от 250 до 450.