Преломление и отражение радиоволн в ионосфере

В ионизированном воздухе скорость распространения радиоволн зависит от частоты и концентрации свободных электронов, и она будет меньше скорости света по сравнению с неионизированном воздухом, где групповая скорость .

Чем выше концентрация электронов, тем меньше .

Степень ионизации атмосферы изменяется с высотой, поэтому ионосфера представляет для радиоволн оптически неоднородную среду (с изменяющийся диэлектрической постоянной), вызывающую их преломление.

Если в воздухе показатель преломления , , то в ионосфере он меньше единицы , потому что меньше единицы.

Влияние неоднородности ионосферы проявляется в том, что радиоволны распространяются не по прямолинейным траекториям, а по криволинейным. В определенных условиях радиоволны будет испытывать полное внутреннее отражение от ионосферы и возвращаются на Землю.

Рассмотрим случай распространения радиоволн в «плоской ионосфере», т.е. в таком ионизированном газе, у которого поверхности одинаковых значений электронной концентрации – параллельные друг другу плоскости.

Считаем, что толщина слоев – малая, в пределах которого электронная концентрация будет иметь постоянные значения.

(3)

На самый нижний слой из неионизированного воздуха падает луч частотой под углом . Коэффициент преломления

(4)

При переходе из одной среды в другую радиоволны, как и световые волны преломляются тем больше, чем меньше диэлектрическая проницаемость второй среды и связанный с ней показатель преломления. Если считать, что радиоволна-луч, то такой луч постепенно преломляясь будет искривляться и отражаться к Земле (рис.6). Фронт волн так же будет постепенно поворачиваться.

Рисунок 6 – Преломление и отражение радиоволн в слоях ионосферы

 

Поворот волн в вершине траектории происходит в силу явления полного внутреннего отражения, т.е. при переходе из оптических более плотных в оптически менее плотную среду.

Диэлектрическая проницаемость концентрированного слоя определяется как

(5)

 

- электронная плотность (эл/см³);

(кул) – заряд электрона;

(кг) – масса электрона;

(Ф/м).

 

Если подставить эти числовые значения в формулу, то получим

(6)

Из формулы видно, что диэлектрическая постоянная концентрированной среды тем меньше, а преломление тем больше , чем больше плотность ионизации и ниже частота колебаний радиоволны ( ). На более низких частотах преломление сильнее.

Т.е. отражение радиоволн от ионосферы характеризуются следующими закономерностями:

1) чем больше плотность концентрации данного слоя, тем сильнее преломление и отражение;

2)чем короче длина волн , тем большая нужна плотность ионизации для отражения и тем больше путь, совершаемый постепенно преломляющейся волной в ионосфере.

Поэтому более длинные волны отражаются от нижних слоев ионосферы, более короткие – от верхних слоев, а ультракороткие, для которых недостаточна плотность ионизации, пронизывают ионосферу и не отражаясь уходят в пространство.

Отражаются радиоволны по тому же закону, что и световые волны: угол падения равен углу отражения. Поэтому истинный процесс постепенного преломления волны ионосферы можно представить как отражение от некоторой зеркальной поверхности, находящийся на высоте , которую называют действующей высотой отражающего слоя. Величину (рис. 7) можно определить путем геометрического построения, если известны углы, под которыми уходит в пространство и возвращается на Землю радиоволна, и расстояние между пунктами передачи и приема.

Рисунок 7 – Преломление радиоволн различных частот в ионосфере

 

Собственная частота концентрированного газа

Очевидно, что при значительной электронной плотности диэлектрическая проницаемость газа может оказаться равной нулю. Из выражения для относительной диэлектрической проницаемости ионосферы можно найти круговую частоту при которой при вертикальном падении волн на ионосферный слой:

(7)

– называется собственной частотой ионизированного газа или частотой Лангмюра, или критической частотой .

Фазовая и групповая скорость ионизированного газа.

Для концентрированного газа, без учета потерь фазовая скорость

(8)

т.е. фазовая скорость в ионосфере больше скорости света.

; (9)

В ионизированном газе сигнал распространяется со скоростью, меньшей скорости света ( ).

Критический угол φ_кр

Отражение радиоволн зависит от угла падения радиоволны на ионизированный слой. Существует критический угол, при котором волна, посланная к данному слою ионосферы испытывает отражение. При углах больше критического радиолуч пронизывает данный слой и проходит к следующему. Он определяется:

,где

Рисунок 8 – Зависимость критического угла от частоты

 

Из выражения для критического угла можно определить максимальную рабочую частоту (МРЧ) при которой, волны отразятся от ионосферы для заданных электронной плотности и угле падения .

(10)

Если , то при нормальном падении волны на ионосферу отражение не происходит и волна уходит в космическое пространство, и коэффициент отражения равен нулю.

Если , то коэффициент отражения от ионосферы меняется в зависимости от частоты скачком.

Если ,то происходит полное отражение волны от ионосферного слоя и коэффициент отражения равен единице.

При наклонном падении волны ионосфера прозрачная для частот, превышающих

 

Рисунок 9 – К определению максимального угла падения волны на ионосферу

 

Из рисунка видно, что луч, направленный по касательной поверхности Земли, падает на ионосферу под наибольшим возможным при данной высоте слоя углом

Из треугольника АОВ имеем

, (11)

 

где -радиус Земли;

-высота нижней гранцы отражающего слоя ионосферы.

Так как волна не может быть послана под углом, большим чем это говорит об ограничении рабочего диапазона. От ионосферы могут отражаться волны длиннее 10 метров.