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.
|
|
|
|
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! |
Мы поможем в написании ваших работ!