Распростарнение радиоволн
Методическое пособие - Радиоэлектроника
Другие методички по предмету Радиоэлектроника
?е “окно прозрачности “ атмосферы?
4. ИОНОСФЕРА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН
4.1. Ионизация и рекомбинация газа в ионосфере
Ионосферой называют область атмосферы, находящуюся на высоте 6010 000 км, где газ частично или полностью ионизирован, т. е. содержит большое число свободных электронов. Наличие в верхних слоях атмосферы свободных электронов определяет электрические параметры ионизированного газа его диэлектрическую проницаемость и проводимость .
Число электронов, содержащихся в единице объема воздуха, называется электронной плотностью ().
Электронная и ионная плотности ионосферы непостоянны по высоте, что приводит к преломлению и отражению радиоволн в ионосфере.
Объемные неоднородности ионизированного газа вызывают рассеяние радиоволн. Указанные явления определяют условия распространения радиоволн в ионосфере и в одних случаях могут быть использованы, а в других должны быть учтены при работе радиолиний. В связи с этим возникла необходимость изучения строения ионосферы и свойственных ей регулярных и случайных изменений.
Ионосфера в целом является квазинейтральной, т. е. количества имеющихся в ней положительных и отрицательных зарядов равны. Состав газа в этой области атмосферы отличается от состава газа вблизи поверхности Земли: помимо молекулярных кислорода и азота имеются атомы этих веществ, причем газы не перемешиваются и располагаются слоями в соответствии с их молекулярной массой.
Температура газа, начиная с высоты h = 80 км, плавно возрастает, достигая 20003000 К при h = 500600 км. Возрастание температуры с высотой в области ионосферы объясняется тем, что воздух здесь нагревается непосредственно излучением Солнца.
Основным источником ионизации земной атмосферы являются электромагнитные волны солнечного излучения длиной короче 0,1 мкм нижний участок ультрафиолетового диапазона и мягкие рентгеновские лучи, а также испускаемые Солнцем потоки заряженных частиц. Ультрафиолетовые и рентгеновские лучи производят ионизацию только на освещенной части земного шара и более интенсивно в приэкваториальных областях. Заряженные частицы движутся по спиральным линиям в направлении магнитных силовых линий к магнитным полюсам земного шара и производят ионизацию главным образом в полярных областях. Считают, что ионизирующее действие потока частиц составляет не более 50% ионизирующего действия ультрафиолетового излучения Солнца.
Помимо Солнца источником ионизирующего излучения являются звезды, особенно те, которые обладают высокой температурой (около 20 000С) и создают интенсивное ультрафиолетовое излучение. Но из-за большой удаленности звезд ионизирующее действие их излучения составляет примерно 0,001 часть ионизирующего действия Солнца. Ионизацию создают также метеоры, вторгающиеся в земную атмосферу со скоростями 1173 км/с. Кроме повышения среднего уровня ионизации метеоры создают местную ионизацию: за метеором образуется столб ионизированного газа, который быстро расширяется и рассеивается, существуя в атмосфере от одной до нескольких секунд. Такие ионизированные следы метеоров образуются на высоте 80120 км над земной поверхностью.
Одновременно с появлением новых электронов в ионосфере часть имеющихся электронов исчезает, присоединяясь к положительным и нейтральным молекулам. При этом образуются нейтральные молекулы и отрицательные ионы.
Процесс воссоединения заряженных частиц и образования нейтральных молекул называется рекомбинацией.
После прекращения действия источника ионизации электронная плотность спадает по гиперболическому закону. Поэтому с заходом Солнца ионизация в нижних слоях ионосферы исчезает не мгновенно, а в верхних слоях сохраняется в течение всей ночи.
4.2. Строение ионосферы
Общая картина распределения электронной плотности по высоте h над земной поверхностью изображена на (рис. 4.1). На высоте 250400 км, имеется основной максимум ионизации. Область ионосферы ниже основного максимума ионизации принято называть внутренней ионосферой, а область ионосферы выше основного максимума внешней ионосферой. Наиболее изучена внутренняя ионосфера.
Во внутренней ионосфере существуют несколько неярко выраженных максимумов концентрации электронов, условно называемых слоями (областями), которые принято обозначать символами D, E, F1 и F2. Области ионосферы D, Е и F1 обладают достаточно высоким постоянством, проявляющимся в том, что суточный ход изменения электронной концентрации и высота их расположения сохраняются почти неизменными. С наступлением темноты из-за быстрой рекомбинации исчезают области D и F1. В то же время электронная концентрация области Е сохраняет постоянное значение в течение всей ночи.
В области F2 электронная концентрация и высота расположения максимума значительно изменяются день ото дня. При этом ионизация различна в летнее и зимнее время. Зимой (в северном полушарии) электронная концентрация в этой области увеличивается. Суточный ход электронной концентрации области F2 зависит также от геомагнитной широты (расстояния в градусах дуги от магнитного экватора Земли до точки наблюдения).
Ионосфера неоднородна и в горизонтальном направлении. Максимальные горизонтальные градиенты электронной плотност?/p>