Баскаков С.И. Электродинамика и распространение радиоволн (1992) (977984), страница 52
Текст из файла (страница 52)
д.). Все эти материальные среды являются практически немагнитными, и их относительная магнитная прони- ЦаЕМОСтЬ Р С ДОСтатОЧНОй ДЛЯ ПРаКтИКЬ то тНОСтЬ О МОжЕт СЧИтатЬ- Глава 14. Распространение радиоволн в земных условиях 2зб ся равной единице. Основными параметрами влатериала подстилающей поверхности оказываются относительная диэлектрическая проницаемость е и удельная электрическая проводимость о. Как показывают эксперименты, оба эти параметра подвержены частотной дисперсии, которая, однако, выражена достаточно слабо. В табл.
14.1 приводятся числовые данные для наиболее распространенных сред применительно к частотам ниже 300 МГц. Нужно заметить, что подобные параметры, часто встречающиеся в литературе по распространению радиоволн и по радиолокации, описывают усредненные характеристики, получаемые на основе многочисленных измерений, проводимых в различных географических и метеорологических условиях.
Достоверность таких цифр применительно к отдельно взятому конкретному эксперименту не слишком высока и дает возможность проводить лишь ориентировочные расчеты, которые тем не менее во многих случаях удовлетворяют практическим запросам. Как указывалось в $2.3, обобщающей числовой характерисгикой немагнитной материальной среды с омическими потерями служит комплексная диэлектрическая проницаемость е = с ео — у /ы. (14.1) Вещественная часть этого комплексного числа пропорциональна суммарной плотности тока смещения и тока поляризации, в то время как мнимая часть характеризует объемную плотность токов проводимости. Можно заметить, что с понижением рабочей частоты со относительная доля токов проводимости непрерывно возрастает, и при со — «.
0 материальная среда с потерями становится металлоподобной. Пример 14.1. Определить значение частоты, при которой в сухой почве с параметрами е=5, о= 1О-' См/м действительная и мнимая части комплексной диэлектрической проницаемости становятся одинаковыми. В соответствии с формулой (14.1) Бее.=вне=5 10-е/(Збп) = =4.42 1О " Ф/м. Отсюда искомая частота в=о/(све) = =!0 з/(4.42. 10 — и) =2.26.
1О' с ' или 1=3.6 МГц. Таким образом, на волнах длинноволнового и средневолнового диапазонов сухая почва может рассматриваться как металлоподобная среда с потерями. Еще в большей степени это относится к такой распространенной подстилающей поверхности, как морская вода, занимаюнхая большую часть поверхности Земного шара. 14.2. Свойства земной поверхности и атмосферы Земли 287 В грубом приближении при расчете радиолиний низкочастотных диапазонов (с частотами менее 1 МГц) земную поверхность можно приближенно считать идеально проводящей, что существенно упрощает решение любых задач о распространении радиоволн.
С ростом рабочей частоты омические потери начинают сказываться все в большей степени. Это обстоятельство приводит к дополнительному ослаблению радиоволн. В диапазоне УКВ большинство материальных сред, из которых сложена земная поверхность, могут рассматриваться как несовершенные диэлектрики, у которых действительная часть комплексной диэлектрической проницаемости существенно превосходит мнимую часть. Атмосфера Земли и ее строение. Химический состав земной атмосферы в настоящее время изучен весьма тщательно. Атмосфера Земли представляет собой смесь молекулярного азота (78 %) и молекулярного кислорода (21 '/о). На долю прочих компонентов, главным образом водяного пара и некоторых инертных газов, приходится лишь 1 '/в.
Физические параметры атмосферы Земли весьма сильно зависят от высоты. По этой причине общепринято рассматривать атмосферу как объединение двух областей: нижней атмосферы— области с высотами от нуля до 60 км, и верхней атмосферы, которая располагается в интервале высот от 60 до 20 000 км. В свою очередь, нижняя атмосфера делится на тропосферу (высоты до 15 км) и стратосферу (высоты от 15 до 60 км). Физические процессы в тропосфере и стратосфере определяют собой погодные и климатические явления на Земле. Они связаны с интенсивным массо- и теплообменом, а также переносом больших воздушных масс.
Верхняя атмосфера Земли, чаще называемая ионосферой, подвергается интенсивному облучению Солнца и других космических источников. За счет этого происходит ионизация атомов газов, что существенным образом влияет на характер распространения радиоволн в ионосфере. Следует заметить, что деление атмосферы на различные области носит условный характер и проводится лишь с тем, чтобы упростить раздельное изучение тех или иных физических явлений.
Какие-либо четко очерченные границы между областями атмосферы, безусловно, отсутствуют. Атмосфера удерживается за счет действия гравитационного поля Земли. Внутри атмосферы существует гидростатическое давление р, которое в средних широтах на уровне Мирового океана составляет около 0.1 МПа. С увеличением высоты в тропосфере давление воздуха падает приблизительно по линейному закону со скоростью !2 кПа/км. В ионосфере давление воздуха с ростом высоты падает по экспоненциальному закону, т. е. еще более резко. Глава 14. Распространение раоиоволн в земных условия» 288 Вторым физическим параметром атмосферного воздуха служит его абсолютная температура Т. Измерения показывают, что температура воздуха на поверхности Земли составляет в среднем ЗОО К.
При увеличении высоты температура меняется по сложному немонотонному закону, падая до 200 К на верхней границе стратосферы. В ионосфере температура газа непрерывно растет, достигая 1200 К на высотах порядка Ь,нн 1000 км. Зная параметры р и Т, можно расзрпп считать концентрацию молекул газа попо М„, воспользовавшись формулой из курса физики ~поп ппп Ттг„=рдйТ), (14.2) гоо где и= 1.38 10-" Дж/К вЂ” постоянная гоп Больцмана.
Задавшись, например, Ы уе цифрами р=10' Па, Т=ЗОО К, нахоще гпз тпв гов хвв сн.з дим оценочное значение концентра- ции молекул на поверхности Земли: Рис. 14.1. РзснРелеление зле- Ми=2.41 10" м '=2.4! -10" см нтронноь концентрации в ио- Как уже указывалось, исключиносфере по высоте: тельно важную роль в формировании условий распространения радиоволн играет ионосфера Земли.
Плотность газа в ионосфере очень мала, и поэтому жесткое электромагнитное излучение Солнца (в основном ультрафиолетовое и рентгеновское) оказывается здесь весьма интенсивным. Энергия квантов этого излучения достаточна не только для диссоциации молекул, приводящей к образованию атомарных газов, но и для отрыва электронов от атомов. В результате ионизации части атомов газ превращается в хаотическую смесь ионов, свободных электронов, нейтральных атомов, а также нейтральных молекул, не претерпевших диссоциации.
Электродинамические свойства такой ионизированной среды, называемой газовой плазмой, рассматривались в гл. 5. Следует заметить, что фотохимический процесс ионизации в плазме является обратимым — наряду с ним постоянно идет процесс рекомбинации ионов и свободных электронов, приводящий к возникновению нейтральных атомов газа.
В стационарных условиях между процессами ионизации и рекомбинации устанавливается динамическое равновесие, уровень которого определяется главным образом интенсивностью ионизирующего излучения. Как подчеркивалось в гл. 5, важнейшим физическим парамет- ром ионизированной газовой среды служит электронная концент- 1т2. Свойства земной поверхности и атмосферы Земли 289 рация Ф„ определяющая число свободных электронов в единице объема. Характерные графики распределения электронной концентрации в зависимости от высоты Ь точки наблюдения представлены на рис.
14.1. Одна из кривых относится к дневным, а другая — к ночным часам. Принципиально важно, что обе кривые имеют немонотонный характер; на некоторой высоте значение Ф, оказывается максимальным. Причина этого состоит в следующем. На больших высотах плотность потока солнечного излучения велика, однако атмосфера здесь весьма разрежена и поэтому значения тт', сравнительно малы. Вблизи земной поверхности, наоборот, плотность газа велика, однако поток ионизирующего излучения сильно ослаблен толщей атмосферы, что также приводит к малым значениям электронной концентрации.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
