Преломление радиоволн в ионосфере

Так как масса электрона в 1836 раз меньше массы протона, основное влияние на распространение радиоволн в ионосфере оказывают электроны. На электрон в поле радиоволны действует пере­менное электрическое поле напряженностью

. (13.2)

[ю1] Если в единице объема содержится N электронов, то под воздействием силы возникает направленное перемещение электронов - конвекционный ток плотностью

j эл = e v N, (13.3)

где v - скорость движения электронов, e = 1,602×10-19К - заряд электрона.

Рассмотрим уравнение движения электрона

(13.4)

(me = 9,106×10-31 кг - масса электрона, n - частота столкновения электрона с ионами, атомами, молекулами воздуха в единицу време­ни, после каждого из которых он теряет количество движения me v), согласно которому действующая на заряд электрическая сила уравновешивается силой инерции частицы и силой трения. Считая поле волны гармоническим, будем искать решение (13.4) в виде

. (13.5)

Подставляя (13.5) в (13.4), получаем

,

следовательно, согласно (13.3),

.

Поскольку ток смещения имеет плотность , плотность результирующего тока

. (13.6)

Приравняв в (13.6) действительную и мнимую части, нетрудно получить

, . (13.7)

Частота столкновений электрона n = nen + nei (nen, nei – частоты столкновений с нейтральными частицами и с ионами соответственно). Для ионосферы характерны параметры, приведенные в табл. 13.1. Отметим, что концентрации нейтральных и заряженных частиц сравниваются на высотах 800 – 1000 км. Ниже 500 км n >> N, и можно полагать n»nen. В ионосферу проникают радиоволны короче СВ, т. е. с частотами f > 3 Мгц = 3×106 Гц. Из табл. 13.1 следует, что для таких радиоволн w2 = (2pf)2 >> n2, поэтому (13.7) можно упростить:

, . (13.8)

Тогда e¢ можно представить в виде

. (13.9)

Введённые в (13.9) параметры и называются плазменными частотами. Подставив значения e, me, e0, получаем . Таким образом, можно записать

. (13.10)

Если в тропосфере e¢ > 1 и отличается от единицы где-то в 4-м знаке после запятой, то в ионосфере e¢ < 1 и может меняться в широких пределах. Поскольку

, (13.11)

то и скорость распространения волны является функцией частоты, следовательно, ионосфера является диспергирующей средой. В такой среде по мере распространения возникают фазовые искажения немонохроматического сигнала. Для монохроматической волны набег фазы после прохождения пути r

,

где vф = - фазовая скорость. Таким образом, каждая монохроматическая составляющая радиосигнала распространяется со своей vф. Так как в ионосфере n(f) < 1, то vф > c.

Реальный физический сигнал представляет собой совокупность бесконечного числа перемещающихся монохроматических волн, следовательно, из-за частотной дисперсии радиоимпульс по мере перемещения будет деформироваться, расплываться (рис. 13.2).

Ско­рость распространения сигнала в диспергирующей среде характеризуется групповой скоростью vгр, равной скорости распространения импульса конечной длительности, содержащего несколько различных периодов колебаний,

.(13.12)

По сути, vгр характеризует скорость перемещения огибаю­щей ВЧ колебаний.

Так как нормаль к поверхности равных фаз совпадает с направлением распространения волны, то vф определяет траекторию движения радиоволн, а vгр - время распространения импульса по этой траектории.

Поиск по сайту: