Ионосферное распространение радиоволн

Рассмотрим подробнее процесс преломления радиоволн в ионосфере. Сначала допустим, что относительная диэлектрическая проницаемость понижается с высотой за счет усиления ионизации скачками от е₀ = 1 к е₁, е₂,..., е _n. Соответственно увеличивается фазовая скорость электромагнитных волн и уменьшается показатель преломления n, который, начиная от n ₀ = 1, принимает значения, все меньшие и меньшие единицы.

Рис. 2. Преломление радиоволн в ионосфере.

Уменьшение показателя преломления с высотой вызывает увеличение угла преломления по сравнению с углом падения волны на данный ионизированный слой. Это может привести к тому, что в каком-то слое с показателем преломления n_n произойдет полное внутреннее отражение, т. е. угол преломления 90°. В этом положении луч неустойчив и, если плотность ионизации вышестоящего слоя даже незначительно больше, чем данного, произойдет аналогичное преломление волны в обратном направлении.

Остается внести поправку: так как диэлектрическая проницаемость ионосферы изменяется по высоте плавно, форма лучей получается криволинейной (см. рис. 1).

Волны, отражаемые от ионосферы к Земле, полезны для радиосвязи, а поэтому необходимо уточнить условия их возникновения. Возможность отражения радиоволн от ионосферы определяется тремя обстоятельствами:

1) углом падения радиоволн на нижний слой ионосферы, т. е. наклоном волны в момент ее излучения;

2) плотностью ионизации данного ионизированного слоя;

3) частотой электромагнитных волн.

Очевидно, что, чем меньше начальный угол возвышения луча δ, тем больше угол падения θ₀ на первый ионизированный слой (θ₀ = 90° - δ на рис. 2) и тем скорее будет достигнут угол θ _n = 90°, т. е. произойдет полное внутреннее отражение волны. Так, волна 1 с углом возвышения δ₁ (рис. 3) проходит через ионизированный слой, не отразившись от него к Земле, волна 2 с меньшим углом возвышения δ₂ возвращается к Земле, а волна 3 с углом δ₃ < δ₂ отражается от ионосферы даже на меньшей высоте. Наименее вероятно отражение радиоволн от ионосферы, когда волны излучаются отвесно (δ = 90°).

Рис. 3. Влияние наклона излучаемой волны на ее траекторию в атмосфере.

Если слой D не отразил волну, то это способен сделать слой E как более ионизированный. Если же и слой E не отразил радиоволн, то не исключена возможность, что это сделает слой F₁ а тем более F₂. Но в том случае, когда наиболее ионизированный слой F₂ при любом угле возвышения луча к поверхности Земли не создает требуемого отражения, возвращение волны на Землю полностью исключено.

Связь между частотой волны и необходимой для его отражения плотностью ионизации N_макс позволила ввести еще одно понятие «критическая частота f _кр или критическая длина волны λ_кр = c/ f _кр данного ионизированного слоя». Это максимальная частота (минимальная длина волны), при которой возможно отражение волн к Земле, если они излучаются вертикально. Критическая длина волны слоя F₂ равна λ_кр = 23 - 45 м. Стало быть, радиоволны, имеющие длину волны λ > 23-45 м, при любом начальном угле возвышения отражаются ионосферой к Земле. Если же λ < 23-45 м, то возвращение волн на Землю возможно лишь тогда, когда радиоволны при излучении в достаточной мере отклоняются от перпендикуляра к поверхности Земли (δ < δ_кр).

Поиск по сайту: