Влияние магнитного поля на распространение радиоволн в ионосфере

Напряжённость магнитного поля Земли имеет в средних широтах величину H0 = 0,5 э = 40 А / м (у экватора 28 А / м, у магнитных полюсов 56 А / м), что обычно >> напряженности магнитного поля распространяющихся радиоволн. Уравнение движения электронов ионосферной плазмы с учётом магнитного поля имеет вид

, (13.13)

где последнее слагаемое определяет силу Лоренца, под действием которой электрон закручивается вокруг силовой линии магнитного поля с гиромагнитной частотой . Если поле волны меняется по гармоническому закону, первые два уравнения Максвелла можно представить в виде

, . (13.14)

Применяя к первому уравнению (13.14) операцию rot и используя второе уравнение, получаем

rot rot E = m0e0w2 E - iwm0e v N. (13.15)

Решая (13.15) совместно с (13.13) относительно показателя преломления n при следующих допущениях: n = 0, волна распространяется вдоль оси Ox, т. е. , , можно получить

, (13.16)

где

- плазменная частота,

- продольная гирочастота,

- поперечная гирочастота,

(H0L, H0T - проекции H 0 соответственно на направление распространения радиоволн и перпендикулярное к нему)

.

Таким образом, ионосфера под влиянием магнитного поля становится двоякопреломляющей средой, и электромагнитная волна в ней расщепляется на обыкновенную (с коэффициентом преломления n1) и необыкновенную (с коэффициентом n2). Так как n1 ¹ n2, ионосфера для радиоволн является и анизотропной средой. Рассмотрим два предельных случая распространения.

1. Пусть H 0 ^ v. Тогда wL = 0 и

, . (13.17)

Если выражение для n1 совпадает с видом n (13.11) для ионосферы без учета магнитного поля, то вид n2 существенно отличается.

2. Случай продольного распространения. В этом случае wT = 0, и из (13.16) следует, что

, . (13.18)

Иногда и в этом приближении волну с n1 называют обыкновенной, а волну с n2 – необыкновенной волной.

В области отражения (поворота) волны выполняется условие = 1, и из выражения (13.16) в этом случае даже при малых углах a получаются формулы (13.17), т. е. в области отражения имеет место квазипоперечное распространение. На высотах ниже области отражения << 1 и, рассматривая в этом приближении выражение (13.16), приходим к формулам (13.18), справедливым даже при больших значениях угла a. Таким образом, распространение радиоволн в ионосфере носит квазипродольный характер.

Результаты расчетов, показывающие, при каких значениях угла a между направлением радиоволны и геомагнитным полем можно рассматривать это распространение или как квазипродольное, или как квазипоперечное, представлены на рис. 13.3. Из него следует, что квазипродольное распространение справедливо в весьма широком диапазоне углов a.

При отражении от ионосферы условие n = 0, согласно (13.17), выполняется: для обыкновенной волны при w = w0, для необыкновенной волны при частотах, соответствующих решению уравнения , т. е. отражение будет происходить выше и ниже обыкновеной волны. Таким образом, отражение радиоволны в ионосфере происходит на трех различных высотах. Правда, отражение необыкновенной волны наблюдается обычно только на меньшей высоте, поскольку выше уровня отражения обыкновенной волны необыкновенная составляющая сильно поглощается.

13.4. Эффект Фарадея

Воздействие ионосферы на линейно поляризованную электромагнитную волну можно представить как возбуждение двух волн с круговой поляризацией, с взаимно противоположным направлением вращения векторов E и различными коэффициентами преломления n1 и n2. Различными будут и их фазовые скорости и . В сумме эти волны дают линейно поляризованную волну, вектор E которой по мере распространения в ионосфере поворачивается. Явление поворота плоскости поляризации в распространяющейся волне называется эффектом Фарадея. При прохождении расстояния r плоскость поляризации повернётся на угол

.

На высоких частотах величину y можно рассчитать по формуле /7/

.

Если угол между H 0 и направлением распространения острый, суммарный вектор E поворачивается против часовой стрелки. При тупом угле наблюдается поворот плоскости поляризации по часовой стрелке. Вообще, плоскость поляризации поворачивается в направлении вращения вектора обыкновенной волны.

Поиск по сайту: