Свойства земной поверхности и атмосферы Земли

Земная поверхность оказывает существенное влияние на распространение радиоволн. Она отражает радиоволны (см. раздел 5.2), при этом часть энергии поглощается. Кривизна земной поверхности (средний радиус земного шара около 6370 км) препятствует распространению радиоволн за горизонт. Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости (в масштабе длины волны) от поверхности Земли, называют земными (или поверхностными) радиоволнами.

Поскольку радиоволны распространяются прямолинейно, то кривизна Земли приводит к появлению области тени. Расстояние прямой видимости зависит от высоты подъема антенн.

На рис. 6.1 показана геометрия задачи, решение которой дает следующий ответ^[1][2]

Рис. 6.1. Геометрия задачи для определения расстояния прямой видимости

Если высоты антенн подставлять в метрах, то расстояние прямой видимости в километрах равно

На самом деле, волна частично проникает в область тени за счет дифракции (см. раздел 5.4). Более подробно вы об этом узнаете позже при изучении в специальных дисциплин.

В окружающей земной шар атмосфере различают две области: нижнюю атмосферу (до ~ 60 км) и верхнюю атмосферу (60−20 000 км). Нижнюю атмосферу делят на тропосферу (до высоты около 15 км) и стратосферу (15−60 км). Верхнюю атмосферу часто называют ионосферой (см. рис. 6.2). Тропосфера и ионосфера оказывают наибольшее влияние на распространение радиоволн.

В ионосфере плотность газа весьма мала и он ионизирован, т. е. имеется большое число свободных электронов и ионов (10⁹ -10¹² частиц в кубическом метре). В среднем эта среда электрически нейтральна и называется плазмой. Концентрация частиц меняется с высотой. Это дает основания разделения ионосферы на несколько слоев (см. рис. 6.2). Слои принято обозначать латинскими буквами Д Е и Е.

Рис 6.2. Строение атмосферы Земли;

условные границы ионосферы указаны для дневного времени суток; плотность окраски грубо отражает концентрацию электронов в ионосфере и молекул в тропосфере

Область О (60−90 км) характеризуется плотностями электронов 10^х -10⁹ м" ³. Основным ионизирующим фактором этого слоя является рентгеновское излучение Солнца. Некоторую роль играют дополнительные слабые источники ионизации: метеориты, сгорающие на высотах 60−100 км, космические лучи, а во время магнитных бурь — частицы магнитосферного происхождения. Ночью ионизация в слое й резко уменьшается, и он практически полностью исчезает.

Область Е (90−120 км) характеризуется плотностями около 210″ м~³. Рост концентрации электронов с высотой в дневное время, связан с поглощением солнечного коротковолнового излучения. Скорость рекомбинации ионов здесь велика. Поэтому с наступлением ночи концентрация электронов в области Е быстро уменьшается до величины порядка 10⁹ м" ³ .Иногда случай;

ным образом на высотах 100−110 км возникает слой ⁵ (спора- 122.

дический), очень тонкий (всего 0,5−1 км), но очень плотный. Особенностью этого слоя является высокая концентрация электронов (п_е «10^й м»³), которые оказывают сильное влияние на распространение радиоволн.

Областью Р называют часть ионосферы выше приблизительно 130 км. Максимум образования ионов под действием солнечного коротковолнового излучения лежит на высотах 150- 200 км. Однако ионы на больших высотах живут сравнительно долго, а процессы диффузии приводят к тому, что максимальная концентрация электронов и ионов в области Е наблюдается на высотах 250−400 км. В дневное время мощная ионизация солнечным ультрафиолетовым излучением на этих высотах часто вызывает появление дополнительной «ступеньки» в распределении электронной концентрации с высотой, её называют областью П (150−200 км). Верхнюю часть слоя ? часто называют слоем Здесь плотность частиц днем достигает своего максимума около 2 * 10¹² м'³, а ночыо падает до 10¹¹ м" ³.

Приведенные значения концентрации электронов в ионосфере носят усредненный характер. Многое зависит от географических координат точки наблюдения и времени года. Существенные изменения связаны с активностью Солнца. Мощные вспышки на Солнце так сильно изменяют состояние атмосферы, что радиосвязь может на некоторое время вообще исчезнуть.

Присутствие легко подвижных свободных электронов существенно влияет на электрические свойства плазмы и обусловливает возможность отражения радиоволн от ионосферы. Чем выше концентрация электронов в плазме, тем более высокие частоты она может отражать.

Каждый день мы с вами убеждаемся, что ионосфера полностью прозрачна для солнечного света. Это не удивительно — при концентрации частиц 10¹² м" ³ одна частица в среднем находится в объеме КГ¹² м³, а среднее расстояние между частицами порядка 10 ⁴ м (100 мкм). Это приблизительно в 200 раз больше длины волны видимого света. Поэтому свет распространяется, практически «не замечая» электронов.

Если же среднее расстояние между частицами значительно меньше длины волны, то плазма будет вести себя по отношению к электромагнитным волнам как сплошная среда. Вам хорошо известно, что в металле присутствуют свободные электроны и неподвижные ионы. Плазма также содержит свободные электроны и малоподвижные ионы, поэтому она в некотором смысле подобна металлу.

Концентрация электронов в металлах около 10²⁹ м" ³. Как это вам нс покажется странным, но экспериментально установлено, что металлы становятся прозрачными на длинах волн короче приблизительно X * 0,1 мкм (/ «3 * 10¹⁵ Гц — ультрафиолетовое излучение).

Причина такого поведения металла связана с существованием, так называемых, плазменных колебаний, которые впервые в 1929 г. исследовал И. Ленгмюр^[3]. Эти колебания связаны со смещением легких электронов относительно практические неподвижных тяжелых ионов. При смещении возникает возвращающая сила Кулона, которая действует также как сила тяжести или сила пружины в механическом маятнике. Эту силу можно найти на базе школьного курса физики, а затем найти и частоту плазменных колебаний со₀. Наиболее дотошные могут проделать все выкладки, которые дают следующий результат.

Если частота действующего гармонического электрического поля много меньше со₀, то электроны успевают следовать за полем, и свойства металл мало отличаются от его свойств на постоянном токе. В частности металл на частотах со < со₀ хорошо отражает электромагнитные волны. Если со > со₀, то раскачать электроны не удается, так как длина волны электромагнитного поля меньше длины свободного пробега электронов. В результате поле перестает взаимодействовать с ними и свойства металла приближаются к свойствам вакуума.

Подставляя значения заряда е = 1,6 10 ¹⁹ Кл и массы электрона т_е =9,1*10^-31 кг, а также диэлектрической проницаемости вакуума , для концентрации электронов в кб. м.

п_е получим.

где /, и А,₀ — граничные значения частоты и длины волны для нормального падения волны, соответственно. При наклонном падении волн граница отражения смещается в область более коротких волн (более высоких частот).

Путем последовательного отражения от ионосферы и поверхности Земли радиоволны могут распространяться на очень большие расстояния. Радиоволны, распространяющиеся путем отражения от ионосферы, называют ионосферными волнами.

За пределами ионосферы концентрация частиц уменьшаются и на расстоянии около 5 радиусов земного шара атмосфера Земли переходит в космическое пространство, где газ полностью ионизирован, а плотность частиц составляет всего 10⁶ — 10⁷ м~³ (среднее расстояние между частицами около 1 см). Условия распространения радиоволн в космосе близки к условиям распространения в свободном пространстве (вакууме).

• [1] Решение этой задачи доступно выпускнику школы. Попробуйте получить при
• [2] веденный здесь ответ.
• [3] Ирвинг Ленгмюр (англ. 1п>ищ Ьагщпипг, 1881−1957) — американский химик, лауреат Нобелевской премии по химии в 1932 голу.