Диэлектрическую проницаемость тропосферы можно определить, измеряя температуру, давление и влажность воздуха при помощи приборов, устанавливаемых на самолетах или шарах-зондах.
3.3. Рефракция радиоволн в тропосфере
Рефракцией называется искривление траектории радиоволны при распространении ее в неоднородной среде. Явление рефракции в тропосфере объясняется изменением диэлектрической проницаемости и соответственно показателя преломления n с высотой.
Радиус кривизны траектории радиоволны в тропосфере (при пренебрежении кривизной земной поверхности) может быть определен по формуле:
где — угол падения волны на преломляющую границу раздела;
dn/dh - градиент показателя преломления.
Знак минус у градиента показателя преломления означает, что радиус кривизны положителен, а траектория волны обращена выпуклостью вверх при уменьшении показателя преломления с высотой.
Учитывая, что n l, а для наиболее интересного случая пологих лучей sin 1, имеем:
(3.3)
Из (3.3) следует, что радиус кривизны траектории радиоволны в тропосфере определяется не абсолютным значением коэффициента преломления, а скоростью его изменения с высотой
.
При распространении в нормальной тропосфере, характеризующейся постоянством градиента индекса преломления, траектории радиоволн, идущих под небольшими углами к земной поверхности, имеют форму дуг окружности с радиусом R = 25 000 км.
Рефракция, происходящая в нормальной тропосфере, называется нормальной тропосферной рефракцией.
Учет влияния тропосферной рефракции при линейной зависимости показателя N от высоты производится упрощенно, с помощью эквивалентного радиуса Земли Rэ. Предположим, что радиоволны, испытывающие рефракцию, распространяются не по криволинейным траекториям в неоднородной среде, как в действительных условиях, а по прямолинейным траекториям в однородной среде над некоторой воображаемой поверхностью, радиус кривизны которой Rэ не равен радиусу Земли: Rо= 6370 км (рис. 3.1).
Кроме того, предполагается, что в реальном и эквивалентном случаях траектории радиоволн проходят на одной и той же высоте над поверхностью при равных расстояниях от излучателя. Тогда эквивалентный радиус земного шара определяется выражением
. (3.4)
Для нормальной рефракции dN/dh -40 1/км и Rэ = 8500 км.
Основные случаи применения понятия эквивалентного радиуса Земли следующие.
Расстояние прямой видимости с учетом рефракции определяется по формуле
(3.5)
В условиях нормальной рефракции
где — расстояние в метрах; — высота антенны в метрах.
При нормальной рефракции расстояние прямой видимости возрастает на 15%.
Под влиянием различных метеорологических условий в тропосфере может возникнуть изменение показателя преломления с высотой, значительно отличающееся от условий, определяющих возникновение нормальной рефракции. В соответствии с этим рефракция может быть отрицательной, отсутствовать или быть положительной (рис. 3.2).
При отрицательной рефракции N не уменьшается, как обычно, с высотой, а, наоборот, возрастает, т. е. dN/dh>0. При этом R<0 и траектория радиоволны обращена выпуклостью вниз — радиоволна удаляется от поверхности Земли.
Если N при изменении высоты остается постоянным, то рефракция отсутствует.
На практике наиболее часто встречаются случаи, когда N с высотой уменьшается, т. е. dN/dh<0. Траектория радиоволны в этом случае обращена выпуклостью вверх, наблюдается положительная рефракция. Положительная рефракция подразделяется на пониженную (радиус кривизны траектории радиоволны больше, чем при нормальной рефракции), нормальную, повышенную (радиус кривизны траектории радиоволны меньше, чем при нормальной рефракции), критическую (радиус кривизны траектории радиоволны равен радиусу земного шара) и сверхрефракцию (радиус кривизны траектории радиоволны меньше радиуса земного шара).
Рис. 3.1. К определению эквивалентного радиуса
Земли
а – траектория волны в реальных условиях; б – распространение радиоволны по прямолинейной траектории вблизи Земли с эквивалентным радиусом Rэ
Рис. 3.2. Виды рефракции радиоволн в тропосфере:
1 – отрицательная рефракция; 2 – положительная рефракция; 3 – критическая рефракция; 4 - сверхрефракция
При сверхрефракции радиоволны, излученные под небольшими углами возвышения, испытывают в нижних слоях тропосферы полное внутреннее отражение и возвращаются к поверхности Земли. При последовательных отражениях от земной поверхности радиоволны могут распространяться на значительные расстояния за пределы «прямой видимости».
3.4. Поглощение радиоволн в тропосфере
Длинные, средние и короткие радиоволны не испытывают поглощения в тропосфере.
Для волн короче 10 см ослабление радиочастотной энергии в тропосфере начинает заметно увеличиваться. Это вызывается поглощением и рассеянием на капельных образованиях или гидрометеорах (главным образом в дожде, тумане; меньше влияют град, снег), а также на твердых частицах (пыль, дым и т. д.). Поглощение вызывается тепловыми потерями в частицах воды или пыли, а потери на рассеяние обусловлены перераспределением энергии в пространстве.
Если волна проходит в тропосфере путь r причем на зону осадков приходится расстояние , то напряженность поля за зоной осадков Em oc определяется по формуле:
(3.6)
где Em св— напряженность поля в свободном пространстве на расстоянии r от излучателя (1.1);
Гoc - коэффициент ослабления, дБ/м.
Зависимость коэффициента ослабления Гoc от длины волны при распространении сантиметровых и миллиметровых волн в дожде и тумане представлена на (рис. 3.3).
Сантиметровые радиоволны рассеиваются капельками дождя и тумана, что приводит к появлению отраженных радиолокационных сигналов. Отраженные сигналы от дождя и туч занимают большую площадь на экранах радиолокационных станций, чем мешают нормальной работе этих станций. Для ослабления отражений от дождя на радиолокационных станциях применяют радиоволны с круговой поляризацией.
Рис. 3.3. Зависимость коэффициента поглощения от длины волны для дождя и тумана разной интенсивности:
а – моросящий дождь ( 0,25 мм/ч); б – слабый дождь (1 мм/ч); в – умеренный дождь ( 4 мм/ч); г – сильный дождь (15 мм/ч); д – слабый туман с водностью 0,03 г/м3 (видимость около 600 м); е –средний туман с водностью 0,3 г/ м3 (видимость около 120 м); ж – сильный туман с водностью 2,32 г/м3 (видимость около 30 м)
Рис. 3.4. Зависимость коэффициента поглощения в кислороде и водяных парах от длины волны
Радиоволны короче 3 см испытывают также молекулярное поглощение в кислороде и парах воды, наблюдаемое даже в условиях «чистой» атмосферы и вызываемое затратами энергии на возбуждение атомов. Коэффициент ослабления можно определить с помощью графиков на (рис. 3.4), а напряженность поля Em на расстоянии рассчитать по формуле:
Наиболее интенсивное поглощение наблюдается на волнах 0,25; 0,5; 1,35 см—эти волны непригодны для работы. «Окна прозрачности» атмосферы имеются вблизи волн длиною 0,4 и 0,8 см — эти волны рекомендуются для работы в сантиметровом диапазоне.
3.5. Вопросы для самопроверки
1. Поясните особенности состава и строения тропосферы.
2. Что такое нормальная тропосфера?
3. Как связана диэлектрическая проницаемость тропосферы с метеорологическими условиями?
4. Какова природа мелких неоднородностей тропосферы.
5. Как объяснить наличие явления рефракции в тропосфере.
6. Как зависит радиус кривизны траектории волны от диэлектрической проницаемости?
7. Для чего вводится понятие эквивалентного радиуса земли?
8. Какие условия необходимы для возникновения сверхрефракции радиоволн?
9. Какие виды рефракции существуют? Поясните особенности каждого из видов.
10. За счет каких факторов происходит поглощение радиоволн в тропосфере?
11. Что такое “окно прозрачности “ атмосферы?
4. ИОНОСФЕРА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН
4.1. Ионизация и рекомбинация газа в ионосфере
Ионосферой называют область атмосферы, находящуюся на высоте 60—10 000 км, где газ частично или полностью ионизирован, т. е. содержит большое число свободных электронов. Наличие в верхних слоях атмосферы свободных электронов определяет электрические параметры ионизированного газа — его диэлектрическую проницаемость и проводимость .
Число электронов, содержащихся в единице объема воздуха, называется электронной плотностью ().
Электронная и ионная плотности ионосферы непостоянны по высоте, что приводит к преломлению и отражению радиоволн в ионосфере.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14
