Электромагнитные свойства поверхности и атмосферы Земли

Земной шар — это тело почти сферической формы. Радиус сферы — 6370 км. В большинстве радиолиний приемная и передающая антенны приподняты над поверхностью Земли на высоту существенно меньше радиуса Земли, а длина трассы радиосвязи колеблется от нескольких километров (телевещание и телесвязь) до нескольких тысяч километров (радиовещание и радиосвязь). В зависимости от длины трассы используются различные модели земной поверхности.

Электромагнитные свойства земной поверхности.

Свойства земной поверхности в значительной степени определяют условия распространения электромагнитных волн. Все материальные среды, составляющие подстилающую поверхность, как правило, немагнитны, и их магнитную проницаемость с большой степенью точности можно считать равной единице. Диэлектрические свойства основных видов подстилающих поверхностей приведены в таблице 5.2.

И диэлектрическая проницаемость, и проводимость изменяются в широких пределах. Воспользовавшись этими двумя величинами, можно получить комплексную диэлектрическую проницаемость.

.

Вещественная часть этой величины пропорциональна суммарной плотности тока смещения и поляризационного тока, а мнимая часть характеризует токи проводимости.

На низких частотах основной вклад в диэлектрическую проницаемость дает мнимая часть и при > 0 все виды подстилающих поверхностей металлоподобны. При проведении оценочных расчетов на частотах ниже одного мегагерца земную поверхность можно считать идеально проводящей. С ростом частоты начинают сказываться потери, возникающие при отражении от земной поверхности.

Таблица 5.2.

Электромагнитные свойства земной атмосферы.

Атмосфера Земли состоит на 78% из азота, на 21% из кислорода. На долю других компонентов (углекислый газ, водяной пар, инертные газы) приходится всего один процент. Физические параметры атмосферы сильно зависят от высоты, поэтому атмосферу принято делить на нижнюю (тропосфера, до 15 км, и стратосфера, до 60 км) и верхнюю или ионосферу (свыше 60 км). Физические процессов в нижней части атмосферы определяются интенсивным теплообменом и переносом больших воздушных масс. Ионосфера подвергается интенсивному облучению Солнца и других космических источников. Атмосфера удерживается за счет гравитационного поля Земли.

Давление на уровне мирового океана составляет примерно 0,1 МПа. В нижней части атмосферы давление падает с высотой практически линейно со скоростью 12 кПа/км. В ионосфере давление падает быстрее и закон его изменения приближается к экспоненциальному.

Температура атмосферы также изменяется с высотой (рис. 5.11). У поверхности Земли температура в среднем приближается к 300К. В нижней части атмосферы она падает и в нижней части ионосферы составляет 200К. В ионосфере температура снова растет и на высоте 1200 км достигает 1200К.

Концентрация молекул газа Nm (см. рис. 5.11) может быть рассчитана, если известно давление и температура.

.

где k = 1,3810−23Дж/К — постоянная Больцмана. Число частиц у поверхности Земли составляет 2, 411 025 м-3.

В ионосфере под действием интенсивного облучения происходит диссоциация молекул и ионизация атомов. Параллельно с этим идет обратный процесс объединения ионов в молекулы и рекомбинация. В результате устанавливается равновесие и концентрация электронов и ионов стабилизируется. Степень ионизации зависит от интенсивности ионизирующего излучения, поэтому она изменяется с высотой.

Важный параметр ионизированного газа — концентрация свободных электронов. Она различна днем и ночью, поскольку в разное время суток количество подводимой к ионосфере энергии различно. Зависимость числа электронов с высотой неоднородна. Те области, в которых плотность электронов примерно постоянна, называются слоями.

Известны четыре наблюдаемых более или менее регулярно слоя: D, E, F1, F2 (рис. 5.12). Слои E и F2 непрерывны и наблюдаются над всем земным шаром, а слои D и F1 регулярно появляются лишь в определенное время суток и года. Кроме того, в слоях E и F2 время от времени появляются облака с повышенной концентрацией электронов.

Слой D расположен на высоте 60 — 90 км. Средняя концентрация электронов в нем — 109 м-3. Слой D ночью пропадает.

Слой Е расположен на высоте 120 — 130 км. Концентрация электронов в нем составляет днем 21 011 м-3, а ночью 5109 м-3. Нижняя граница северных сияний находится в слое Е.

Слой F расположен на высоте 200 — 500 км. В этом слое наблюдается наибольшая концентрация электронов. Слой F1 формируется только летом в дневные часы на высоте 200 — 220. Концентрация электронов в нем составляет 21 011 — 51 011 м-3. Максимального значения 21 012м-3 концентрация достигает в слое F2. Затем она плавно уменьшается с высотой. На высоте 2000 — 3000 км атмосфера заканчивается.

Ионизация верхней атмосферы в сильной степени определяется состоянием Солнца. Степень ионизации изменяется со временем суток, с сезоном и фазой цикла солнечной активности. Сильное влияние на состояние ионосферы оказывает бомбардировка ее частицами солнечного происхождения, вызывающая магнитные бури и полярное сияние.

Существует международная служба, занимающаяся прогнозом состояния ионосферы. Использование таких прогнозов позволяет значительно повысить надежность работы радиосвязи в земных условиях.

Земное электричество и магнетизм.

Магнитное поле Земли описывают с помощью вектора напряженности магнитного поля. Числовые значения модуля этого вектора обычно приводятся в эрстедах. (1Э = 103/4 А/м) или гаммах (1 = 10−5Э). Проекции вектора образуют горизонтальную и вертикальную Hв = Hz составляющую. Географическое распределение постоянного магнитного поля соответствует полю однородно намагниченной сферы с координатами полюсов: северного (в южном полушарии) = 710,2; = 1500,8 и южного (с северном полушарии) = 700,5; = 2640. Линия, соединяющая магнитные полюса смещена относительно центра Земли в сторону Тихого океана. Полный вектор напряженности поля меняется от 0.62 до -0.73 Э. Вертикальная и горизонтальная составляющие различны. Вертикальная изменяется от 0.62 до -0.73Э, а горизонтальная в пределах 0.47Э. Напряженность магнитного поля на магнитном экваторе 0,35Э, а на магнитном полюсе 0,65Э.

Магнитный момент земного шара составляет 8,31 028 Ам. Среднее значение элементов геомагнитного поля изменяется со временем. В настоящее время магнитный момент Земли уменьшается примерно на 710−2%/год.

Корпускулярное излучение Солнца вызывает колебание магнитного поля Земли — магнитные бури, которые начинаются одновременно на всем земном шаре. Поле изменяется на несколько процентов за время от нескольких часов до нескольких суток.

Кроме того земной шар имеет отрицательный электрический заряд Q = - 5,7105К, что вызывает средний вертикальный градиент электрического поля 130 В/м.