Особенности распространения электромагнитных волн в околоземном пространстве
В однородных и изотропных средах радиоволны распространяются по прямолинейным траекториям с постоянной скоростью. Космическому пространству можно в первом приближении приписать свойства однородной изотропной среды и считать, что распространение волн в нем происходит, как в свободном пространстве. Такие волны принято называть свободно распространяющимися или прямыми. Траектория свободно распространяющейся волны условно показана на рис.3. Необходимо считаться с тем, что в некоторых случаях при прохождении сквозь земную атмосферу (которая, как будет показано ниже, не является однородной средой) луч может несколько искривиться. Очевидно, что связь между двумя космическими объектами также осуществляется при помощи свободно распространяющихся волн. Наконец, все радиоастрономические наблюдения ведутся над свободно распространяющимися волнами, излучаемыми звездами, туманностями и другими радиоисточниками.
Рис.3. Траектория свободно распространяющейся волны.
Радиоволны, распространяющиеся в однородной или слабо неоднородной среде, в частности, в космическом пространстве, по прямолинейным (или близким к ним) траекториям, носят название свободно распространяющихся или прямых волн. Такие волны при прохождении сквозь атмосферу Земли могут претерпеть небольшое искривление (рефракцию), рассеяние и поворот плоскости поляризации.
|
|
|
Из курса физики известно, что явление дифракции заметно проявляется в тех случаях, когда размеры препятствия на пути распространения волн соизмеримы с длиной волны.
Таким препятствием в рассматриваемом случае можно считать шаровой сегмент высотой h, отсекаемый плоскостью, перпендикулярной плоскости рисунка и проходящей через хорду АВ, соединяющую пункты передачи А и приема В. Судить о размерах этого препятствия можно по данным, приведенным в табл.3.
Таблица 3.
| Длина линии радиосвязи, км | 1 | 5 | 10 | 50 | 100 | 500 | 1000 | 5000 |
| Высота шарового сегмента, м | 0,031 | 0,78 | 3,1 | 78 | 310 | 7800 | 3,1∙10⁴ | 3,75∙10⁵ |
Размер h настолько больше длин радиоволн СВЧ диапазона, что последние практически на земном шаре дифракции не испытывают и распространяются по прямолинейным траекториям. Наоборот, радиоволны, длина которых измеряется километрами и метрами, удовлетворяют условиям, благоприятствующим возникновению дифракции.
Дифракцией можно объяснить лишь частичное огибание радиоволнами выпуклой поверхности земного шара. Даже в наиболее благоприятных условиях (на самых длинных волнах) дальность дифракционного распространения не превышает 3000 – 4000 км.
|
|
|
Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости от поверхности Земли и частично огибающие выпуклость земного шара вследствие явления дифракции, получили название земных или поверхностных волн.
Предположим, что земной шар окружен тропосферой, простирающейся на высоту порядка 15 км. Однако по-прежнему будем считать, что вне тропосферы находится безвоздушное пространство.
Тропосфера представляет собой неоднородную среду, свойства которой под действием метеорологических условий изменяются во времени и которая характеризуется не только постепенным уменьшением коэффициента преломления с высотой, но и обладает локальными (местными) неоднородностями коэффициента преломления.
Плавное изменение однородности тропосферы приводит к искривлению траекторий распространяющихся в ней радиоволн, что способствует огибанию радиоволнами выпуклости земного шара. Таким образом, тропосфера влияет известным образом на условия распространения земных волн, как правило, способствуя повышению дальности распространения.
Локальные неоднородности претерпевают флуктуации. Они непрерывно изменяются во времени и в пространстве, т.е. постоянно меняют свою конфигурацию и перемещаются. Одни неоднородности исчезают, на их месте возникают новые. Локальные неоднородности тропосферы вызывают рассеяние радиоволн, и рассеянные волны могут попадать на расстояние до 1000 км от передатчика. Влияние рассеяния проявляется только на волнах короче 10 м, которые очень слабо дифрагируют вокруг земного шара.
|
|
|
На более длинных волнах дифракция проявляется достаточно ярко, кроме того, здесь вступает в силу механизм дальнего распространения за счет отражений от ионосферы, поэтому рассеяние излучения теряет свое значение. Следует также отметить, что при некоторых благоприятных метеорологических условиях в приземном слое тропосферы возникают области резкого уменьшения коэффициента преломления с высотой. Это позволяет волнам короче 3 м (в этом диапазоне дифракция выражена еще слабее) распространяться на расстояние до 800 – 2100 км от передатчика за счет направляющего (волноводного) действия тропосферы.
Радиоволны, распространяющиеся на значительные (примерно до 1000 км) расстояния за счет рассеяния в тропосфере и направляющего (волноводного) действия тропосферы, получили название тропосферных волн. Как тропосферные могут распространяться только волны короче 10 м.
|
|
|
Таким образом, присутствие тропосферы существенно влияет только на особенности распространения радиоволн короче 10 м .
Однако, земной шар окружен реальной атмосферой, т.е. и той оболочкой воздуха, которая расположена над тропосферой. Область высот от 60 до 600 км занимает так называемая ионосфера. По отношению к радиоволнам ионосфера ведет себя как полупроводящая среда, от которой волны могут отражаться. Теоретические расчеты показывают, что от ионосферы обычно отражаются только волны длиннее 10 м. Таким образом, для волн этого диапазона ионосфера непрозрачна и они, как правило, не могут покинуть пределы земной атмосферы.
Для более коротких волн, в том числе и для радиоволн СВЧ диапазона, ионосфера является вполне прозрачной средой. При однократном отражении от ионосферы радиоволны могут перекрывать расстояния, не превышающие примерно 4000 км. Однако падающие на полупроводящую поверхность Земли волны также отражаются от нее и, распространяясь вверх, могут вновь отразиться от ионосферы. В результате подобного многократного отражения от ионосферы и поверхности Земли радиоволны могут попасть в сколь угодно удаленные точки земной поверхности и даже несколько раз обогнуть земной шар. На рис.4 схематически показана траектория распространения радиоволн при трехкратном отражении от ионосферы.
Помимо способности отражать радиоволны, ионосфера, благодаря наличию в ней мелких неоднородностей, обладает свойством рассеивать падающие на нее радиоволны. Кроме того, вторгающиеся в атмосферу Земли метеоры образуют ионизированные столбы воздуха, так называемые ионизированные следы метеоров, обладающие способностью отражать падающие на них радиоволны.
Рис.4. Траектория распространения радиоволн при отражении от ионосферы.
Заметим, что рассеиваться от неоднородностей ионосферы и отражаться от метеорных следов могут волны короче 10 м, т.е. волны, которые уже не обладают способностью испытывать регулярные отражения от ионосферы.
Метровые волны за счет рассеяния от ионосферы и отражения от ионизированных следов метеоров могут распространяться на расстояния до 2000 км. Эффекты рассеяния в ионосфере и отражения от ионизированных следов метеоров на волнах длиннее 10 м маскируются процессами регулярного отражения от ионосферы, которые приводят к созданию в месте приема гораздо более сильных полей.
Подобно тропосфере, ионосфера представляет собой образование, свойства которого непрерывно изменяются. На медленные изменения накладываются более быстрые беспорядочные флуктуации. Таким флуктуация подвержены, в частности, образующиеся в ионосфере локальные неоднородности.
Радиоволны, распространяющиеся на большие расстояния и огибающие земной шар в результате однократного или многократного отражения от ионосферы (в диапазоне волн длиннее 10 м), а также волны, рассеивающиеся на неоднородностях ионосферы и отражающиеся от ионизированных следов метеоров (в диапазоне метровых волн), получили название ионосферных или пространственных волн.
Существуют известные трудности в вопросе о том, волны каких диапазонов распространяются как земные, тропосферные и ионосферные. Чтобы облегчить понимание этого вопроса, ниже даются общие указания. На близких расстояниях от передатчика волны всех диапазонов распространяются как земные.
Тропосфера влияет только на условия распространения радиоволн короче 10 м. Поэтому как тропосферные распространяются только метровые, дециметровые и сантиметровые волны.
Регулярные отражения от ионосферы испытывают волны длиннее 10 м. Потому как ионосферные могут распространяться лишь сверхдлинные, длинные, средние и короткие волны. Однако метровые волны также могут распространяться как ионосферные – за счет рассеяния на неоднородностях ионосферы и отражений от метеорных следов.
Наконец, все волны короче 10 м, включая миллиметровые волны и волны оптического диапазона, распространяются как прямые (в атмосфере Земли и в космическом пространстве).
Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 988; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!