Строение и электродинамические параметры



                            атмосферы Земли.

 

Атмосфера – газообразная оболочка, окружающая Землю и удерживаемая силами земного тяготения. В ней различают две основные области – нижняя и верхняя атмосфера, размеры которых по высоте различны в разных земных широтах.

Нижняя атмосфера, в свою очередь, делится на тропосферу и стратосферу. В среднем можно считать, что тропосфера простирается до высот

                                                      - 35 -

 

км. Над ней до высот км. простирается стратосфера. Далее, до высоты км. простирается верхняя атмосфера - ионосфера.

                              Нижняя атмосфера

Нижняя атмосфера состоит из нейтральных молекул азота (78%), кислорода (21%) и других примесей (пары воды, водород, углекислый газ, озон). В ней существуют воздушные течения и постоянно происходит интенсивное перемешивание газов.

На поверхности Земли температура воздуха в среднем составляет . В тропосфере вплоть до ее верхней границы температура с высотой падает, так как здесь нагревание воздуха идет, в основном, за счет инфракрасного излучения нагретой Солнцем Земли. В нижних слоях стратосферы наблюдается минимум температуры . Далее она начинает плавно возрастать, достигая максимума  на высотах км., где располагается озоновый слой, интенсивно поглощающий энергию ультрафиолетового излучения Солнца. Затем температура снова понижается до минимума в нижних слоях ионосферы на высоте км. Дальнейшее увеличение температуры в ионосфере связано с ионизирующим излучением Солнца. На высотах км она достигает .

Качественно график зависимости в атмосфере представлен на рис.8.1.                           

          Рис. 8.1. Изменение температуры атмосферы

                                    в зависимости от высоты

                                                      - 36 -

 

        Диэлектрическая проницаемость нижней атмосферы  

Диэлектрическая проницаемость нижней атмосферы несколько больше электрической постоянной  и зависит от давления, температуры и влажности воздуха. Относительную диэлектрическую проницаемость нижней атмосферы можно определить, используя эмпирическую формулу [5] :

                ,                                      (8.1)                

где  - парциальное давление газа,

   - парциальное давление пара.

Напомним, что парциальное давление какой-либо составляющей смеси газов в объеме равно давлению этой составляющей в этом объеме при отсутствии всех других составляющих.

Формулу (8.1) можно представить в виде , заметив, что .

Эксперименты и расчеты показывают, что относительная магнитная проницаемость атмосферы Земли еще менее отличается от единицы, и ее пространственно-временные изменения никак не сказываются на процессе распространения радиоволн. Поэтому полагаем, что для атмосферы . С учетом этого коэффициент преломления нижней атмосферы можно представить следующим выражением

            .              (8.2) 

Так как коэффициент преломления мало отличается от единицы (на поверхности Земли ), то для удобства вместо него часто вводят так называемый индекс преломления (или приведенный коэффициент преломления) :

                                                 ,                                     (8.2а)

который у поверхности Земли равен .

Являясь в нормальных условиях изотропной плавно неоднородной средой, нижняя атмосфера вызывает искривление траектории распространения волны. Это явление называется тропосферной рефракцией и более подробно будет рассмотрено ниже. Отметим также, что волны см

 

                                                      - 37 -

 

распространяются в нижней атмосфере без дисперсии ( не зависит от частоты).

                            Верхняя атмосфера (ионосфера)

В ионосфере под воздействием ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца большая часть нейтральных молекул газа диссоциирует (расщепляется).

В результате образуется так называемая газовая плазма, которая представляет хаотическую смесь небольшого количества нейтральных молекул и атомов и большого количества заряженных частиц – легких отрицательных электронов и тяжелых положительных и отрицательных ионов. Основное влияние на распространение радиоволн в ионосфере оказывают легкие и подвижные электроны.

Расчеты и экспериментальные исследования ионосферы с помощью ракет-зондов показали, что распределение плотности электронов , в зависимости от высоты соответствует картине, представленной на рис. 8.2.

 h км
 
ночь
день

             Рис. 8.2. Распределение плотности электронов

                                                  в ионосфере

 

Отметим некоторые особенности этого распределения.

 Днем в период активного воздействия Солнца в распределении четко проявляются три слоя :

на высотах км - нижний слой ионосферы , концентрация электронов в котором ;

                                                      - 38 -

 

на высотах км - средний слой ионосферы , концентрация электронов в котором ;

на высотах км - верхний слой ионосферы , который в летний период разделяется на два подслоя, причем концентрация возрастает при переходе от  к , составляя среднюю величину .

В ночное время в процессе рекомбинации (объединения заряженных частиц в нейтральные) слой  исчезает, концентрация электронов в слое уменьшается до величины , а подслои и сливаются в единый слой с концентрацией электронов .

 

               Диэлектрическая проницаемость ионосферы

Диэлектрическая проницаемость ионосферы как ионизированного газа (плазмы) определяется наличием в ней заряженных частиц. Выведем выражение для диэлектрической проницаемости без учета потерь, вызываемых столкновениями между частицами, и без учета магнитного поля Земли.

Для простоты будем считать, что ионизированный газ состоит только из электронов, а тяжелые заряженные частицы (ионы) и нейтральные частицы учитывать не будем, так как их взаимодействие с электромагнитным полем значительно слабее, чем у электронов.

Воспользуемся определением вектора поляризованности среды  как разности векторов электрической индукции  в рассматриваемой среде и в вакууме  при одном и том же электрическом поле :

              ,                           (8.3)

где - электрическая восприимчивость среды.

С другой стороны, в рамках макроскопической теории поляризованность ионизированного газа представляется в виде эквивалентного дипольного момента единичного объема газа, вызванного смещением электронов при взаимодействии с электрическим полем [9]:

                                                                                                   (8.4)

 

                                                      - 39 -

 

Решая уравнение движения электрона 

                                         ,                                                     (8.5)

где - масса электрона, - заряд электрона,

и учитывая временную зависимость процесса в виде функции ,         находим его смещение:

                                  .                                            (8.6)

       Подставляя (8.6) в (8.4), с учетом (8.3), получаем :

                 ,                                (8.7)

где  - квадрат собственной частоты ионизированного газа (частоты Ленгмюра), причем , с учетом численных значений ,  и ,         

     .    (8.7а)

Из (8.7) видно, что диэлектрическая проницаемость ионизированного газа без потерь является вещественной величиной, зависящей от частоты. При этом фазовая скорость плоской электромагнитной волны определяется выражением :                                                         (8.8)

Отсюда видно, что, если , то диэлектрическая проницаемость , а фазовая скорость плоской волны   (быстрая волна). Если  , то , а.  (критический режим). Если , то , волна не может распространяться, и поле экспоненциально затухает.

Из (8.7) также следует, что с ростом концентрации электронов  диэлектрическая проницаемость уменьшается, и наоборот.

Поэтому, в соответствии с распределением (рис. 8.2.), в ионосфере можно выделить область, где диэлектрическая проницаемость  и коэф -

                                                      - 40 -

 

фициент преломления  убывают с ростом высоты . Эту область называют внутренней ионосферой. Она простирается от нижней границы ионосферы до высоты, где отмечается максимальное значение  в слое . Выше располагается внешняя ионосфера, где параметры  и с высотой растут.

Как уже было отмечено выше, электроны в ионосфере под воздействием электрического поля  разгоняются. При этом они претерпевают соударения с тяжелыми частицами (ионами и нейтральными молекулами). В предположении, что при каждом соударении электрон передает весь накопленный при разгоне импульс ( количество движения )  тяжелой частице (ион, молекула) и тормозится, уравнение движения электрона (8.5) принимает вид :

                                                                        (8.9) 

где - частота соударений.

 

Решение (8.9) с учетом (8.4), (8.3) дает :

                                             ,                                           (8.10)

где , .

Таким образом, с учетом соударений диэлектрическая проницаемость ионосферы является комплексной величиной, а сама ионосфера поглощающей средой (средой с потерями).

Еще одним фактором, оказывающим существенное влияние на параметры ионосферы и процесс распространения в ней электромагнитных волн, является магнитное поле Земли .

Как известно из курса физики, на движущийся в магнитном поле заряд действует сила Лоренца

                                       ,                                        (8.11)

которая искривляет траекторию его движения.

                                                                 - 41 -

 

Если , то электрон вращается вокруг силовой линии магнитного поля по окружности, радиус которой  определяется из уравнения движения (равенства центростремительной силы и силы Лоренца ):

                                .                                       (8.12)

Отсюда :

                                   .                                                    (8.13)

Период вращения электрона:

                                 ,                                     (8.14)

частота вращения :

                                 ,                                       (8.15)

круговая частота вращения – гирочастота :

                               .                                     (8.16)

С учетом силы Лоренца (8.11) уравнение движения электрона еще более усложняется :

                   .              (8.17)

Решение (8.17) при произвольной ориентации вектора с учетом (8.4), (8.3) дает выражение для диэлектрической проницаемости ионосферы в виде тензора [9]:

                                                                     (8.18)

Конкретные представления для компонентов   в некоторых  частных случаях направления  будут рассмотрены ниже.

 

                                                      - 42 -

 

Таким образом, ионосфера с учетом магнитного поля Земли представляет собой анизотропную среду , а так как анизотропия вызывается вращательным движением электронов вокруг силовых линий магнитного поля , то часто используется термин “гиротропная” среда.

 


Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 1344; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:






Мы поможем в написании ваших работ!