Распространение радиоволн. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Распространение радиоволн - процесс передачи в пространстве электромагн. колебаний радиодиапазона (см. Радиоволны ).В естеств. условиях распространения радиоволн происходит в различных средах, например в атмосфере, космической плазме, в поверхностном слое Земли.

Общие закономерности распространения радиоволн

Скорость распространения радиоволн в свободном пространстве в вакууме равна скорости света с. Полная энергия, переносимая радиоволной, остаётся постоянной, а плотность потока энергии убывает с увеличением расстояния r от источника обратно пропорционально r². Распространение радиоволн. в других средах происходит с фазовой скоростью, отличающейся от с, и в равновесной среде сопровождается поглощением электромагн. энергии. Оба эффекта объясняются возбуждением колебаний электронов и ионов среды под действием электрич. поля волны. Если напряжённость поля E гармонич. волны мала по сравнению с напряжённостью поля, действующего на заряды в самой среде (например, на электрон в атоме), то колебания происходят также по гармонич. закону с частотой w пришедшей волны. Колеблющиеся электроны излучают вторичные радиоволны той же частоты, но с др. амплитудами и фазами. В результате сложения вторичных волн с приходящей формируется результирующая волна с новой амплитудой и фазой. Сдвиг фаз между первичной и переизлучёнными волнами приводит к изменению фазовой скорости. Потери энергии при взаимодействии волны с атомами являются причиной поглощения радиоволн.

Амплитуда волны убывает с расстоянием по закону

а фаза волны изменяется по закону y = wt - (w/с)nr, где x - показатель поглощения, n - преломления показатель; n и x зависят от диэлектрической проницаемости e среды, её проводимости s и частоты волн w:

где

наз. тангенсом угла потерь. Фазовая скорость u = с/n, коэф. поглощения

Среда ведёт себя как диэлектрик, если

и как проводник, если

В первом случае

во втором -

и волна затухает на расстояниях

- толщина скин-слоя (см. Скин-эффект). В среде e ц s являются функциями частоты (см. Дисперсия волн). Вид частотной зависимости е и s определяется структурой среды. Дисперсия радиоволн особенно существенна в тех случаях, когда частота волны близка к характерным собств. частотам среды (например, при распространении радиоволн в ионосферной и космич. плазме, см. ниже).

При распространении радиоволн в средах, не содержащих свободных электронов (тропосфера, толща Земли), происходит смещение связанных электронов в атомах и молекулах среды в сторону, противоположную полю волны Е, при этом n > 1, u_Ф < с. В плазме поле волны вызывает смещение свободных электронов в направлении E, при этом n < 1 и u_Ф > с, т. е. фазовая скорость монохро-матич. волны может быть как меньше, так и больше с. Однако для того чтобы передать при помощи радиоволн к--л. информацию (энергию), необходимо иметь ограниченный во времени радиосигнал, представляющий собой нек-рый набор гармонич. волн. Спектральный состав сигнала зависит от его длительности и формы. Радиосигнал распространяется с групповой скоростью u_гр. В любой среде u_гр < с.

В однородных средах радиоволны распространяются прямолинейно, подобно световым лучам. Процесс распространения радиоволн в этом случае подчиняется законам геометрической оптики. Однако реальные среды неоднородны. В них п, а следовательно, и u_Ф различны в разных участках среды, что приводит к рефракции радиоволн. В случае плавных (в масштабе l) неоднородности справедливо приближение геом. оптики. Если показатель преломления зависит только от высоты h, отсчитываемой от сферической поверхности Земли, то вдоль траектории луча выполняется условие

Соотношение (2) представляет собой Снелля закон преломления для сферическислоистой среды. Здесь R₀ - радиус Земли, f - угол наклона луча к вертикали в произвольной точке траектории. Если вместо действит. показателя преломления га ввести приведённый показатель преломления

Соотношение (4) наз. законом преломления Снелля для плоскослоистой среды.

Если n убывает при увеличении h, то в результате рефракции луч, по мере распространения, отклоняется от вертикали и на нек-рой высоте h_m становится параллельным горизонтальной плоскости, а затем распространяется вниз (рис. 1, а). Макс. высота h_m, на к-рую луч может углубиться в неоднородную плоскослоистую среду, зависит от угла падения f₀ и определяется из условия

Рис. 1. а - рефракция радиоволн в плоскослоистой среде с grad n < 0;
б - зависимость квадрата амплитуды напряжённости электрического поля радиоволны от высоты h.

В область h > h_m лучи не проникают, и, согласно приближению геом. оптики, волновое поле в этой области должно быть равно 0. В действительности вблизи плоскости h = h_m волновое поле возрастает, а при h > h_mубывает экспоненциально (рис. 1, б). Нарушение законов геом. оптики при распространении радиоволн связано также с дифракцией волн, вследствие к-рой радиоволны могут проникать в область геом. тени. На границе области геом. тени образуется сложное распределение волновых полей. Дифракция радиоволн возникает при наличии на их пути препятствий (непрозрачных или полупрозрачных тел) и особенно существенна в тех случаях, когда размеры препятствий сравнимы с l.

Если распространение радиоволн происходит вблизи резкой границы (в масштабе l) между двумя средами с разл. электрич. свойствами (например, атмосфера - поверхность Земли или тропосфера - ниж. граница ионосферы для достаточно длинных волн), то при падении радиоволн на резкую границу образуются отражённая и преломлённая (прошедшая) радиоволны. Если отражение происходит от границы проводящей среды (например, от поверхностного слоя Земли), то глубина проникновения в него определяется толщиной скин-слоя.

В неоднородных средах возможно волноводное распространение радиоволн, при к-ром происходит локализация потока энергии между определ. поверхностями, за счёт чего волновые поля между ними убывают с расстоянием медленнее, чем в однородной среде (атм. волновод). В средах с плавными неоднородностями локализация связана с рефракцией, а в случае резких границ - с отражением.

В среде, содержащей случайные локальные неоднородности, вторичные волны излучаются беспорядочно в разл. направлениях. Рассеянные волны частично уносят энергию исходной волны, что приводит к её ослаблению. При рассеянии на неоднородностях размером l

l (т. н. рассеяние Рэлея; см. Рассеяние света)рассеянные волны распространяются почти изотропно. В случае рассеяния на крупномасштабных прозрачных неоднородностях рассеянные волны распространяются в направлениях, близких к исходной волне. При l ! l возникает сильное резонансное рассеяние.

Влияние поверхности Земли на распространение радиоволн определяется как электрич. параметрами e и s грунтов и водных пространств, образующих земную кору, так и структурой поверхности Земли, т. е. её кривизной и неоднородностью. Распространение радиоволн - процесс, захватывающий большую область пространства, но наиб. существ. роль в распространении радиоволн играет область, ограниченная поверхностью, имеющей форму эллипсоида вращения, в фокусах к-рого A и B на расстоянии r расположены передатчик и приёмник (радиотрасса, рис. 2). Большая ось эллипсоида равна

малая ось определяется размерами первой Френеля зоны и

Ширина трассы уменьшается с убыванием l. Если высоты z₁ и z₂, на к-рых расположены антенны передатчика и приёмника над поверхностью Земли, велики по сравнению с l, то эллипсоид не касается поверхности Земли и она не влияет на распространение радиоволн (рис. 2, а). При понижении обеих или одной из конечных точек радиотрассы (или увеличении длины волны) поверхность Земли пересекает эллипсоид. В этом случае на распространение радиоволн оказывают влияние электрич. параметры области поверхности Земли, ограниченной эллипсом сечения, вытянутым вдоль трассы. При сохранении условий

в точке приёма возникает интерференция между прямой и отражённой волнами (см. Интерференция волн ).Амплитуда и фаза отражённой волны определяются с учётом Френеля формул для коэф. отражения. Интерференционные максимумы и минимумы обусловливают лепестковую структуру поля, к-рая характерна для декаметровых и более коротких радиоволн. Если z₁/l < 1 и z₂/l < 1, то радиотрасса выделяет участок поверхности Земли, ограниченный эллипсом с осями r + l(p/4) и

Рис. 2. Эллипсоидальная область пространства, существенная
при распространении радиоволн (радиотрасса); А - излучатель; В - приёмник.

Уменьшение напряжённости поля, а следовательно, и потока энергии, переносимого радиоволной вдоль поверхности Земли (земной волной), обусловлено проводимостью поверхности в этой области. При P.p. вдоль проводящей поверхности возникает поток энергии, направленный в проводящую среду и быстро затухающий по мере распространения в ней. Глубина проникновения радиоволны в земную кору определяется толщиной скин-слоя

и, следовательно, увеличивается с увеличением длины волны. Поэтому для подземной и подводной радиосвязи используются длинные и сверхдлинные радиоволны.

Рис. 3. Дальность "прямой видимости" r ограничена выпуклостью земной поверхности;
R₀ - радиус Земли, z₁, и
z₂, - высоты передающей А и приёмной В антенн соответственно.

Выпуклость земной поверхности ограничивает расстояние, на к-ром из точки приёма В "виден" передатчик А (область "прямой видимости", рис. 3). Однако радиоволны, огибая Землю в результате дифракции, могут проникать в область тени на большее расстояние

(R₀ - радиус Земли). Практически в эту область за счёт дифракции могут проникать только километровые и более длинные волны (рис. 4).

Рис. 4. График, иллюстрирующий связь дальности r распространения
от величины W = 20lg|E/E_*|, где E - напряжённость поля радиоволны в реальных условиях распространения
с учётом огибания выпуклости земной поверхности (излучатель расположен на поверхности Земли);
Е_* - напряжённость поля для разных частот без учёта дифракции.

Фазовая скорость земных волн вблизи излучателя зависит от электрич. свойств. Однако на расстоянии в неск. l от излучателя u_ф! с. Если радиоволны распространяются над электрич. неоднородной поверхностью, например сначала над сушей, а затем над морем, то при нересечении береговой линии резко изменяются амплитуда и направление распространения радиоволн. (береговая рефракция, рис. 5).

Рис. 5. Изменение напряжённости электрического поля волны при пересечении береговой линии.

Влияние рельефа земной поверхности на распространение радиоволн зависит от высоты неровностей h, их горизонтальной протяжённости l, l и угла q падения волны на поверхность. Если неровности достаточно малы и пологи, так что khcosq < < 1 (k - волновое число), и выполняется т. н. критерий Рэлея k²l²cosq < 1, то они слабо влияют на распространение радиоволн Влияние неровностей зависит также от поляризации волн. Например, для горизонтально поляризованных волн оно меньше, чем для волн, поляризованных вертикально. Когда неровности не малы и не пологи, энергия радиоволны может рассеиваться (радиоволна отражается от них). Высокие горы и холмы с h > l "возмущают" волновое поле, образуя затенённые области. Дифракция радиоволн на горных хребтах иногда приводит к усилению волны из-за интерференции прямых и отражённых волн. Вершина горы служит естеств. ретранслятором. Это существенно при распространении метровых радиоволн в гористой местности (рис. 6).

Распространение радиоволн в тропосфере

Тропосфера - область атмосферы, расположенная между поверхностью Земли и тропопаузой, в к-рой темп-pa воздуха обычно убывает с высотой (в тропопаузе температура с высотой увеличивается). Высота тропопаузы на земном шаре неодинакова, над экватором она больше, чем над полюсами, а в средних широтах, где существует система сильных западных ветров, изменяется скачкообразно. Тропосфера состоит из смеси нейтральных молекул и атомов газов, входящих в состав сухого воздуха, и паров воды. Диэлектрическая проницаемость, а следовательно, и показатель преломления газа, не содержащего свободных электронов и ионов, обусловлены дополнительными полями, создаваемыми смещением электронов в молекулах (поляризация сухого воздуха) я ориентацией полярных молекул (пары воды) под действием электрич. поля волны.

где p - давление сухого воздуха, е - давление водяного пара в миллибарах, Т - темп-pa. Показатель преломления не зависит от частоты и очень мало отличается от единицы. Так, у поверхности Земли с увеличением высоты происходит изменение параметров р, Т, е, определяющих значение показателей преломления. При нормальных метеорологич. условиях показатель преломления уменьшается с высотой:

Это приводит к искривлению траектории лучей. Для правильной оценки положения луча относительно поверхности Земли необходимо учитывать сферичность её поверхности, что можно сделать, вводя приведённый показатель преломления (3):

отличающийся от grad n не только по абс. величине, но и по знаку. В условиях нормальной тропосферной рефракции grad n_пр > 0. В этом случае луч, вышедший из приподнятого над землёй излучателя под углом

к вертикали, при распространении приближается к ней. При

распространение лучей происходит в сторону уменьшающихся значений n_пр. При этом, в зависимости от значений f₀, луч может достигнуть поверхности Земли и отразиться от неё, достигнуть точки поворота, определяемой из условия (5), и при нек-ром значении угла f₀ точка поворота может лежать на поверхности Земли. В этом случае траектория луча является границей между областью, в к-рую могут попасть лучи, и областью тени. Нормальная тропосферная рефракция способствует увеличению области прямой видимости.

Метеорологич. условия существ. образом влияют на изменение показателя преломления, т. е. и на рефракцию радиоволн. Обычно в тропосфере давление воздуха н темп-pa С высотой уменьшаются, а давление водяного пара увеличивается. При нек-рых метеорологич. условиях, например при движении нагретого над сушей воздуха над более холодной поверхностью моря, температура воздуха с высотой увеличивается, а давление водяного пара уменьшается (инверсия температуры и влажности). В этом случае показатель преломления изменяется с высотой не монотонно, т. е. dn_пр/dh на нек-рой высоте может изменить знак. Если в интервале высот, определяемом толщиной слоя инверсии,

то gradn_np<0. В плоскослоистой среде с grad n_пр < О лучи отражаются от высоты, определяемой из условия (5). В пространстве, ограниченном снизу поверхностью Земли, а сверху высотой, на к-рой dn_пр/dh изменяет знак, возникают условия для волноводного распространения (рис. 7). В тропосферных волноводах, как правило, могут распространяться волны с l < 1 м.

Рис. 7. Траектории УКВ в тропосферном волноводе.

Поглощение радиоволн в тропосфере пренебрежимо мало для всех радиоволн вплоть до сантиметрового диапазона. Поглощение сантиметровых и более коротких волн резко увеличивается, когда частота волны w совпадает с одной из собств. частот колебаний молекул воздуха (резонансное поглощение). Молекулы получают от приходящей волны энергию, к-рая превращается в теплоту p только частично передаётся вторичным волнам. Известен ряд линий резонансного поглощения в тропосфере: l = 1,35 см, 1,5 см, 0,75 см (поглощение в парах воды) и l = 0,5 см, 0,25 см (поглощение в кислороде). Между резонансными линиями лежат области более слабого поглощения (окна прозрачности).

Ослабление радиоволн может быть также вызвано рассеянием на неоднородностях, возникающих при турбулентном движении воздушных масс (см. Турбулентность ).Рассеяние резко увеличивается, когда в воздухе присутствуют капельные неоднородности в виде дождя, снега, тумана. Почти изотропное рассеяние Рэлея на мелкомасштабных неоднородностях делает возможной радиосвязь на расстояниях, значительно превышающих прямую видимость (рис. 8). Т. о., тропосфера существенно влияет на распространение УКВ. Для декаметровых и более длинных волн тропосфера практически прозрачна, и на их распространение влияют земная поверхность и более высокие слои атмосферы.

Рис. 8. Рассеяние радиоволн на мелкомасштабных неоднородностях.

Распространение радиоволн в ионосфере

Ионосферу образуют верх. слои земной атмосферы, в к-рой газы частично (до 1%) ионизированы под влиянием УФ-, рентг. и корпускулярного солнечного излучения. Ионосфера электрически нейтральна, она содержит равное кол-во положит. и отрицат. частиц, т. е. является плазмой. Достаточно большая ионизация, оказывающая влияние на распространение радиоволн начинается на высоте 60 км (слой D), увеличивается до высоты 300-400 км, образуя слои Е. F₁, F₂, и затем медленно убывает. В гл. максимуме концентрация электронов N достигает 10⁶ см^-3. Зависимость N от высоты меняется со временем суток, года, с солнечной активностью, а также с широтой и долготой. Ионизиров. слой между 200 и 400 км состоит в осн. из равного кол-ва ионов О⁺ и электронов. Эти частицы погружены в нейтральный газ с концентрацией 10⁸ см^-3, состоящий в осн. из частиц О₂, О, N₂ и Не.

В многокомпонентной плазме, содержащей электроны, ионы и нейтральные молекулы и пронизанной магн. полем Земли (см. Земной магнетизм), могут возникать разл. виды собств. колебаний, имеющих разные частоты. Например, плазменные (ленгмюровские) частоты электронов

и ионов

ги-ромагн. частоты электронов

и ионов

где т, М - массы электрона и иона, е - их заряд, N - концентрация, Н₀ - напряжённость магн. поля Земли. Т. к.

то

. Например, для электронов

=1,4 МГц, а для ионов атомарного кислорода

= 54 Гц.

В зависимости от частоты w радиоволны основную роль в распространении радиоволн играют те или др. виды собств. колебаний, поэтому электрич. свойства ионосферы различны для разных участков радиодиапазона. При высоких w ионы не успевают следовать за изменениями поля и в распространении радиоволн принимают участие только электроны. Вынужденные колебания свободных электронов ионосферы происходят в про-тивофазе с действующей силой и вызывают поляризацию плазмы в сторону, противоположную электрич. полю волны Е. Поэтому диэлектрич. проницаемость ионосферы e < 1. Она уменьшается с уменьшением частоты:

Учёт соударений электронов с атомамии ионами даёт более точные ф-лы для e и s ионосферы:

Здесь v - эфф. частота соударений. Для декаметровых и более коротких волн в большей части ионосферы

и показатели преломления h и поглощения

приближённо равны:

Поскольку h < 1, фазовая скорость распространения радиоволн УФ = = с/п > с, групповая скорость u_гр = с/n < с.

Поглощение в ионосфере пропорц. v, т. к. чем больше число столкновений, тем большая часть энергии, получаемой электроном из волн, переходит в тепло. Поэтому поглощение больше в ниж. областях ионосферы (слой D), где v больше, т. к. выше плотность газа. С увеличением частоты поглощение уменьшается. Короткие волны испытывают слабое поглощение и распространяются на большие расстояния.

Рефракция радиоволн в ионосфере. В ионосфере распространяются только радиоволны с частотой w > w₀. При w < w₀ показатель преломления становится чисто мнимым и электромагн. поле экспоненциально убывает в глубь плазмы. Радиоволна с частотой w, падающая на ионосферу вертикально, отражается от уровня, на к-ром w = w₀ и n = 0. В ниж. части ионосферы электронная концентрация и w₀ увеличиваются с высотой, поэтому с увеличением w посланная с Земли волна всё глубже проникает в ионосферу. Макс. частота радиоволны, к-рая отражается от слоя ионосферы при вертикальном падении, наз. критич. частотой слоя:

Критич. частота слоя F₂ (гл. максимума) изменяется в течение суток и года в широких пределах (от 3-5 до 10 МГц). Для волн с

показатель преломления не обращается в нуль и падающая вертикально волна проходит через ионосферу, не отражаясь.

При наклонном падении волны на ионосферу происходит рефракция, как в тропосфере. В ниж. части ионосферы grad

M^-1, т. е.

поэтому grad

и траектория луча отклоняется по направлению к Земле (рис. 9). Радиоволна, падающая на ионосферу под углом f₀, поворачивает к Земле на высоте h, для к-рой выполнено условие (5). Макс. частота волны, отражающейся от ионосферы при падении под углом (т. е. для данной дальности трассы), равна

и наз. максимально применимой частотой (МПЧ). Волны с

отражаясь от ионосферы, возвращаются на Землю, что используется для дальней радиосвязи.

Рис. 9. Схематическое изображение радиолучей определённой частоты при различных углах падения на ионосферу.

Рис. 10. Распространение коротких волн между Землёй и ионосферой:
а - много-скачковая траектория; б - скользящая траектория.

Вследствие сферичности Земли величина угла f₀ ограничена и дальность связи при однократном отражении от ионосферы

3500-4000 км. Связь на большие расстояния осуществляется за счёт неск. последоват. отражений от ионосферы и Земли ("скачков", рис. 10,а). Возможны и более сложные волноводные траектории, возникающие за счёт горизонтального градиента N или рассеяния на неоднородностях ионосферы при распространении радиоволн с частотой w> w_МПЧ. В результате рассеяния угол падения луча на слой F₂ оказывается больше, чем при обычном распространении. Луч испытывает ряд последоват. отражений от слоя F₂, пока не попадёт в область с таким градиентом N, к-рый вызовет отражение части энергии назад к Земле (рис. 10, б).

Влияние магнитного поля Земли Н₀

В магнитном поле Н₀ на электрон, движущийся со скоростью u, действует Лоренца сила

под влиянием к-рой он вращается по окружности в плоскости, перпендикулярной Н₀, с гиромагн. частотой w_H. Траектория каждой заряж. частицы - винтовая линия с осью вдоль Н₀. Действие силы Лоренца приводит к изменению характера вынужденных колебаний электронов под действием электрич. поля волны, а следовательно, к изменению электрич. свойств среды. В результате ионосфера становится анизотропной гиротропной средой, электрич. свойства к-рой зависят от направления распространения радиоволн и описываются не скалярной величиной e, а тензором диэлект-рич. проницаемости

. Падающая на такую среду волна испытывает двойное лучепреломление ,т. е. расщепляется на две волны, отличающиеся скоростью и направлением распространения, поглощением и поляризацией. Если направление распространения радиоволн

то падающую волну можно представить себе в виде суммы двух линейно поляризованных волн с

. Для первой, "необыкновенной", волны (е)характер вынужденного движения электронов под действием поля волны Е изменяется (появляется компонента ускорения, перпендикулярная Е)и поэтому изменяется п. Для второй, "обыкновенной", волны (о) вынужденное движение остаётся таким же, как и без поля Н₀ (при

сила Лоренца равна 0). Для этих двух волн (без учёта соударений) квадраты показателей преломления равны

В последнем случае обе волны имеют круговую поляризацию, причём у "необыкновенной" волны вектор E вращается в сторону вращения электрона, а у "обыкновенной" - в противоположную сторону. При произвольном направлении распространении радиоволн (относительно Н„) поляризация нормальных волн эллиптическая.

По мере распространения радиоволн в ионосфере увеличивается сдвиг фаз между волнами и изменяется поляризация суммарной волны. Например, при P.p. вдоль Н₀ это приводит к повороту плоскости поляризации (Фарадея эффект ),а при распространении радиоволн перпендикулярно Н₀ - к периодич. чередованию линейной и круговой поляризаций (см. Коттона - Мутона эффект), Т. к. показатели преломления волн различны, отражение их происходит на разной высоте (рис. 11). Направление волнового вектора k при распространении радиоволн в ионосфере может отличаться от u_гр.

Низкочастотные волны в ионосфере

Основная часть энергии НЧ-радиоволн практически не проникает в ионосферу. Волны отражаются от её нижней границы (днём - вследствие сильной рефракции в D-слое, ночью - от E-слоя, как от границы двух сред с разными электрич. свойствами). Распространение этих волн хорошо описывается моделью, согласно к-рой однородные и изотропные Земля и ионосфера образуют приземный волновод с резкими сферич. стенками, в к-ром и происходит распространение радиоволн. Такая модель объясняет наблюдаемое убывание поля с расстоянием и возрастание амплитуды поля с высотой. Последнее связано со скольжением волн вдоль вогнутой поверхности волновода, приводящим к своеобразной "фокусировке" поля. Это явление аналогично открытому Рэлеем в акустике эффекту "шепчущей галереи". Амплитуда радиоволн значительно возрастает в антиподной по отношению к источнику точке Земли. Это объясняется сложением радиоволн, огибающих Землю по всем направлениям и сходящихся на противоположной стороне.

Влияние магн. поля Земли обусловливает ряд особенностей распространения НЧ-волн в ионосфере: сверхдлинные волны могут выходить из приземного волновода за пределы ионосферы, распространяясь вдоль силовых линий геомагн. поля между сопряжёнными точками А и В Земли (рис. 12). Из ф-лы (8) видно, что при

в случае продольного распространения

нигде не обращается в 0, т. е. волна проходит через ионосферу без отражения.В ночной атмосфере приближение геом. оптики нарушается и частичное прохождение есть при любом угле падения. Разряды молний · в атмосфере - естеств. источник НЧ-волн. В диапазоне 1-10 кГц они приводят к образованию т. н. свистящих атмосфериков, которые распространяются указанным образом и создают на выходе приёмника сигнал с характерным свистом.

Рис. 12. Образование свистящих атмосфериков.

При Распространении радиоволн инфразвуковых частот с w " W_H важную роль играют колебания ионов, ионосфера ведёт себя как проводящая нейтральная жидкость, движение которой описывается уравнениями магнитной гидродинамики. В ионосфере возможно распространение неск. типов маг-нитогидродинамич. волн, в частности альвеновских волн, распространяющихся вдоль геомагн. поля с характерной скоростью

(где r - плотность газа), и магнитозвуковых волн, к-рые распространяются изотропно (подобно звуку).

Нелинейные эффекты при распространении радиоволн

Нелинейные эффекты при распространении радиоволн в ионосфере проявляются уже для радиволн сравнительно небольшой интенсивности и связаны с нарушением линейной зависимости поляризации среды от электрич. поля волны (см. Нелинейная оптика )."На-гревная" нелинейность играет осн. роль, когда характерные размеры возмущённой электрич. полем области плазмы во много раз больше длины свободного пробега электронов. Т. к. длина свободного пробега электронов в плазме значительна, электрон успевает получить от поля заметную энергию за время одного пробега. Передача энергии при столкновениях от электронов к ионам, атомам и молекулам затруднена из-за большого различия в их массах. В результате электроны плазмы сильно "разогреваются" уже в сравнительно слабом электрич. поле, что изменяет эфф. частоту соударений. Поэтому b и s плазмы становятся зависящими от поля Е волны и распространение радиоволн приобретает нелинейный характер. "Возмущение" диэлектрич. проницаемости

где

- характерное "плазменное" поле, Т - темп-pa плазмы, d - ср. доля энергии, теряемая электроном при одном соударении с тяжёлой частицей,

- частота соударений.

Т. о., нелинейные эффекты становятся заметными, когда поле волны E сравнимо с E_p, к-рое в зависимости от частоты волны и области ионосферы составляет ~10^-4-10^-1 В/см.

Нелинейные эффекты могут проявляться как самовоздействие волны и как взаимодействие волн между собой. Самовоздействие мощной волны приводит к изменению её поглощения и глубины модуляции. Поглощение мощной радиоволны нелинейно зависит от её амплитуды. Частота соударений v с увеличением температуры электронов может как расти (в ниж. слоях, где осн. роль играют соударения с нейтральными частицами), так и убывать (при соударении с ионами). В первом случае поглощение резко возрастает с увеличением мощности волны ("насыщение" поля в плазме). Во втором случае поглощение падает (т. и. просветление плазмы для мощной радиоволны). Из-за нелинейного изменения поглощения амплитуда волны нелинейно зависит от амплитуды падающего поля, поэтому её модуляция искажается (автомодуляция и демодуляция волны). Изменение h в поле мощной волны приводит к искажению траектории луча. При распространении узконаправленных пучков радиоволн это может привести к самофокусировке пучка аналогично самофокусировке света и к образованию волноводного канала в плазме.

Взаимодействие волн в условиях нелинейности приводит к нарушению суперпозиции принципа .В частности, если мощная волна с частотой w₁ модулирована по амплитуде, то благодаря изменению поглощения эта модуляция может передаться др. волне с частотой w₂, проходящей в той же области ионосферы (рис. 13) Это явление, называемое кросс модуляцией или Люксембург-Горьковским эффектом, имеет практич. значение при радиовещании в диапазоне ср. волн.

Рис. 13. Ионосферная кроссмодуляция происходит в области пересечения лучей.

Нагрев ионосферы в поле мощной волны в КВ-диапа-зоне может вызвать тепловую параметрич. неустойчивость в ионосфере, к-рая приводит к аномально большому поглощению радиоизлучения и расслоению плазмы (см. Параметрический резонанс). В области резонанса

образуются сильно вытянутые вдоль Н₀ неоднородности ионосферы (с продольным масштабом 1 км, поперечным - 0,5

100 м), к-рые перспективны для дальней связи в диапазоне УКВ. В поле очень мощных радиоволн электроны столь сильно разогреваются, что возникает электрич. пробой газа.

Если размеры возмущённой полем волны области плазмы много меньше длины свободного пробега электронов, нагревная нелинейность становится слабой. Это имеет место при коротких импульсах и узких пучках радиоволн. В этом случае осн. роль играет т. н. стрикционная нелинейность, связанная с тем, что неоднородное перем. электрич. поле волны оказывает давление на электроны, вызывающее сжатие плазмы. Концентрация электронов N, а следовательно, e и s становятся зависящими от амплитуды поля. Стрикционная нелинейность приводит к изменению диэлектрич. проницаемости

меньшей нагревного изменения

на неск. порядков (при той же мощности волны). Стрикционная нелинейность играет важную роль в параметрич. неустойчивости ионосферы.

Распространение радиоволн в космических условиях. За исключением планет и их ближайших окрестностей, б. ч. вещества во Вселенной ионизована. Параметры космич. плазмы меняются в широких пределах. Например, концентрация электронов и ионов вблизи орбиты Земли ~1-10 см ^-3, в ионосфере Юпитера ~10⁵ см^-3, в солнечной короне ~10⁸ см^-3, в недрах звёзд~10²⁷ см^-3. Из космич. пространства к Земле приходит широкий спектр электромагн. волн, к-рые на пути из космоса должны пройти через ионосферу и тропосферу. Через атмосферу Земли без заметного затухания распространяются волны двух осн. частотных диапазонов: "радиоокно" соответствует диапазону от ионосферных критич. частот w_кr до частот сильного поглощения аэрозолями и газами атмосферы (10 МГц - 20 ГГц), "оптич. окно" охватывает диапазон видимого и ИК-излучения (1-10³ ТГц). Атмосфера также частично прозрачна в диапазоне НЧ (<300 кГц), где распространяются свистящие атмосферики и магнитогидродинамич. волны.

В космич. условиях источник радиоволн и их приёмник часто быстро движутся один относительно другого. В результате Доплера эффекта это приводит к изменению w на

, где u - относит. скорость. Понижение частоты при удалении корреспондентов (красное смещение)свойственно излучению удаляющихся от нас далёких галактик. Радиоволны в космич. плазме подвержены рефракции, связанной с неоднородностью среды (рис. 14). Например, вследствие рефракции в атмосфере Земли источник радиоволн виден выше над горизонтом, чем в действительности. Для определения расстояния до пульсаров и при интерпретации результатов радиолокации Солнца и планет необходимо учитывать, что в космич. плазме

Рис. 14. Траектории радиолучей с l = 5 м в солнечной короне.

Возможности радиосвязи с объектами, находящимися в космич. пространстве или на др. планетах, разнообразны и связаны с наличием и строением их атмосфер. Если космич. плазма находится в магн. поле (магнитосфера Юпитера, области солнечных пятен, магнитосферы пульсаров), то она является гиротропной средой, подобно земной ионосфере. Для всех планет с атмосферами общая трудность радиосвязи состоит в том, что при входе космич. аппарата в плотные слои атмосферы вокруг него создаётся плотная плазменная оболочка, затрудняющая прохождение радиоволн. На планетах типа Меркурия и Луны, практически не имеющих атмосферы и ионосферы, на распространение радиоволн оказывает влияние только поверхность планеты. Из-за отсутствия отражения от ионосферы дальность связи вдоль поверхности такой планеты невелика (рис. 15) и может быть увеличена только при помощи ретрансляции через спутник.

Рис. 15. Зависимость дальности r радиосвязи на поверхности Луны от частоты w/2p.

Распространение радиоволн разных диапазонов

Радиоволны очень низких (3-30 кГц) и низких (30- 300 кГц) частот огибают земную поверхность вследствие волноводного распространения и дифракции, сравнительно слабо проникают в ионосферу и мало поглощаются ею. Отличаются высокой фазовой стабильностью и способностью равномерно покрывать большие площади, включая полярные районы. Это обусловливает возможность их использования для устойчивой дальней и сверхдальней радиосвязи и радионавигации, несмотря на высокий уровень атм. помех. Полоса частот от 150 до 300 кГц используется для радиовещания. Большое число геофиз. исследований выполняется путём наблюдений за сигналами естеств. происхождения, к-рые генерируются, например, молниевыми разрядами и частицами радиац. поясов Земли. Трудности применения этого частотного диапазона обусловлены громоздкостью антенных систем с высоким уровнем атм. помех, с относит. ограниченностью скорости передачи информации. На частотах ниже 100 КГц радиоволны распространяются медленнее скорости света, см. [8].

Средние волны (300-3000 кГц) днём распространяются вдоль поверхности Земли (земная, или прямая, волна). Отражённая от ионосферы волна практически отсутствует, т. к. волны сильно поглощаются в D-слое ионосферы. Ночью из-за отсутствия солнечного излучения D-слой исчезает, появляется ионосферная волна, отражённая от E-слоя, и дальность приёма возрастает. Сложение прямой и отражённой волн влечёт за собой сильную изменчивость поля, поэтому ионосферная волна - источник помех для мн. служб, использующих распространение земной волны. Ср. волны применяются для радиовещания, радиотелеграфной и радиотелефонной связи, радионавигации.

Короткие волны (3-30 МГц) слабо поглощаются D- и Е-слоями и отражаются от F-слоя, когда их частоты

мпч. В результате их отражения от ионосферы возможна связь как на малых, так и на больших расстояниях при значительно меньшем уровне мощности передатчика и гораздо более простых антеннах, чем в более низкочастотных диапазонах. Этот диапазон применяется для радиотелефонной и радиотелеграфной связи, радиовещания, а также для радиолюбительской связи. Особенность радиосвязи в этом диапазоне - наличие замираний (фединга) сигнала из-за изменений условий отражения от ионосферы и интер-ференц. эффектов. КВ-линии связи подвержены влиянию атм. помех. Ионосферные бури вызывают прерывание связи.

Для очень высоких частот и УКВ (30 - 1000 МГц) преобладает распространение радиоволн внутри тропосферы и проникновение сквозь ионосферу. Роль земной волны падает. Поля помех в НЧ-части этого диапазона всё ещё могут определяться отражениями от ионосферы, и до частоты 60 МГц ионосферное рассеяние продолжает играть значит. роль. Все виды распространения радиоволн за исключением тропосферного рассеяния, позволяют передавать сигналы с шириной полосы частот в неск. МГц. В этой части спектра возможно очень высокое качество звукового радиовещания при дальности 50-100 км. Радиовещание с частотной модуляцией работает на частотах вблизи 100 МГц.

В этом же диапазоне частот ведётся телевиз. вещание. Для радиоастрономии выделено неск. узких спектральных полос, к-рые используют также для космич. связи, радиолокации, метеорологии, кроме того, для любительской связи.

Волны УВЧ и СВЧ (1000-10 000 МГц) распространяются в осн. в пределах прямой видимости и характеризуются низким уровнем шумов. В этом диапазоне при распространении радиоволн играют роль известные области макс. поглощения и частоты излучения хим. элементов (например, линии водорода вблизи 1420 МГц). В этом диапазоне размещены многоканальные системы широкополосной связи для передачи телефонных и телевиз. сигналов. Высокая направленность антенн позволяет использовать низкий уровень мощности в радиорелейных системах, а тропосферное рассеяние обеспечивает дальность радиосвязи ~ 800 км. Этот диапазон применяют в радионавигац. и радиолокац. службах. Для радиоастрономич. наблюдений выделены полосы частот за атомарным водородом, радикалом ОН и континуальным излучением. В космич. радиосвязи полоса частот ~ 1000- 10 000 МГц - наиб. важная часть радиодиапазона.

Волны СВЧ (>10 ГГц) распространяются только в пределах прямой видимости. Потери в этом диапазоне неск. выше, чем на более низких частотах, причём на их величину сильно влияет кол-во осадков. Роет потерь на этих частотах частично компенсируется возрастанием эффективности антенных систем. СВЧ служат в радиолокации, радионавигации и метеорологии. На линиях связи между поверхностью Земли и космосом могут использоваться частоты < 20 ГГц. Для связи в космосе могут применяться значительно более высокие частоты. При этом отсутствуют взаимные помехи между космич. и некосмич. службами. Диапазон СВЧ важен также для радиоастрономии.

Литература по распространению радиоволн

Знаете ли Вы, что любой разумный человек скажет, что не может быть улыбки без кота и дыма без огня, что-то там, в космосе, должно быть, теплое, излучающее ЭМ-волны, соответствующее температуре 2.7ºК. Действительно, наблюдаемое космическое микроволновое излучение (CMB) есть тепловое излучение частиц эфира, имеющих температуру 2.7ºK. Еще в начале ХХ века великие химики и физики Д. И. Менделеев и Вальтер Нернст предсказали, что такое излучение (температура) должно обнаруживаться в космосе. В 1933 году проф. Эрих Регенер из Штуттгарта с помощью стратосферных зондов измерил эту температуру. Его измерения дали 2.8ºK - практически точное современное значение. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике

Распространение радиоволн