Краткие теоретические сведения
Ионосфера отличается наличием большого числа свободных электронов и ионов. Свободные электроны и положительные ионы в атмосфере появляются в результате ионизации. Основным источником ионизации газов атмосферы является солнечная радиация. На высотах более 80 км основной вклад в ионизацию вносит ультрафиолетовое излучение Солнца. Ниже 80 км основное влияние оказывает рентгеновское излучение. Имеет место и ударная ионизация за счет потока заряженных частиц, выбрасываемых Солнцем, называемого солнечным ветром. Влияние последнего на ионизацию атмосферы значительно в приполярных районах. Одновременно с ионизацией происходит и рекомбинация. При встрече положи- тельного иона с электроном образуется электрически нейтральная молекула. Ре- комбинация происходит тем интенсивнее, чем больше плотность газа.
Если полагать, что атмосфера однородна по химическому составу, плотность газа монотонно уменьшается с ростом высоты, то распределение электронной плотности Ne по высоте h должно иметь один максимум. Объясняется это тем, что при приближении к поверхности Земли интенсивность ионизирующего излучения уменьшается, а плотность нейтральных молекул газа растет. Однако экспериментальные исследования ионосферы показали ее более сложное строение (рис. 71).
Рис. 71. Распределение электронной плотности в ионосфере
Свободные электроны обнаруживаются в количестве, достаточном, чтобы по- влиять на распространение радиоволн, начиная с высот порядка 50 км выше электронная плотность возрастает до высот порядка 200–400 км, где расположен ее главный максимум. Выше него электронная плотность падает. Ионосферу ниже главного максимума называют внутренней, а выше него – внешней. Распределение электронной плотности во внутренней ионосфере имеет несколько относи- тельных максимумов, называемых слоями D, E, F. Состояние этих слоев подвержено суточным и сезонным изменениям. Распределение электронной плотности Ne(h) является случайной функцией, и можно говорить лишь о ее среднем регулярном состоянии. Слой D существует только днем под непосредственным влиянием солнечной радиации, а ночью он исчезает. Слой F летним днем разделяется на два слоя F1 и F2.
|
|
|
Для аналитического описания ионосферы часто применяют параболическую модель слоя (рис. 72).
В этой модели распределение электронной плотности Ne(h) в слое задается выражением
, (43)
Рис. 72. Параболическая модель ионосферного слоя.
где z = h – h0, zm = hm – h0, Nem – максимальная электронная плотность в слое (1/м3), h – высота (м), h0 – высота нижней границы слоя (м), hm – высота максимума слоя (м).
|
|
|
Выражение (43) задает Ne(h) в пределах h0 < h < h0 + 2zm, zm называют полутолщиной слоя. Вне этого интервала Ne(h) = 0.
В табл. 6 приведены средние значения параметров моделей слоев D, E, F для различного времени суток и сезона.
Таблица 6. Средние параметры параболической модели ионосферных слоев
Электромагнитные свойства среды определяются относительной диэлектрической проницаемостью ε, относительной магнитной проницаемостью µ и удельной проводимостью σ. Величина µ ионосферы практически не отличается от единицы.
Под действием электрического поля частотой ω с напряженностью E в ионосфере возникает полный ток с плотностью, равной сумме плотностей токов смещения и конвекционного
(44)
В то же время согласно первому уравнению Максвелла в среде с потерями плотность полного тока
(45)
Конвекционный ток обусловлен движением свободных электронов. Его плотность
(46)
где 
– средняя скорость упорядоченного движения электронов, e – заряд электрона.
Полагаем, что ионосфера состоит из электронов с отрицательным зарядом e и положительных ионов с таким же, но положительным зарядом. Сила поля, действующая на заряженные частицы:
|
|
|
(47)
Упорядоченная скорость частицы будет обратно пропорциональна ее массе. Это значит, что влиянием положительных ионов можно пренебречь, так как их масса в сотни тысяч раз больше массы электрона me.
Электрическая сила (47) уравновешивается силой инерции частицы
и силой трения 
, создаваемой за счет столкновений с другими частицами, где эффективное число соударений в секунду обозначается νэфф.
Дифференциальное уравнение движения электрона имеет вид:
(48)
Его решение для гармонического поля частотой ω = 2πf запишется в виде:
. (49)
С учетом (46) и (49) получаем плотность конвекционного тока, которую подставляем в (44) и получаем выражение для плотности полного тока
. (50)
Приравнивая выражения (45) и (50), находим относительную диэлектрическую проницаемость и удельную проводимость ионосферы:
, (51)
(52)
На высоких частотах при ω2 >>v2 и после подстановки постоянных значений e, m и ε получаем
|
|
|
(53)
. (54)
Выражения (53) и (54) показывают, что:
• диэлектрическая проницаемость ионосферы меньше диэлектрической проницаемости вакуума. Это происходит за счет конвекционного тока, при ко- тором электроны движутся против поля. Плотность конвекционного тока вычитается из плотности тока смещения;
• диэлектрическая проницаемость ионосферы зависит от электронной концентрации. Ионосфера является электрически неоднородной средой;
• диэлектрическая проницаемость ионосферы зависит от частоты, то есть ионосфера обладает дисперсией;
• диэлектрическая проницаемость ионосферы может принимать нулевые значения, если частота ω поля равна собственной частоте ионосферной плазмы:
; (55)
• удельная проводимость ионосферы меняется по высоте. Электронная плотность Ne(h) максимальна в слое F и уменьшается в слое D. Число соударений в секунду νэфф существенно больше в слое D. В итоге проводимость в слое D больше. Этот слой существует только днем, значит, потери в ионосфере в дневное время значительно больше, чем в ночное;
• удельная проводимость ионосферы с ростом частоты уменьшается. Диэлектрическая проницаемость ионосферы плавно меняется по высоте, сна-
чала уменьшаясь во внутренней ионосфере, затем увеличиваясь во внешней ионосфере. Распространение радиоволны в ней сопровождается искривлением траектории. Рассмотрим наиболее простую плоскослоистую модель ионосферы (рис. 73).
Координата x направлена горизонтально, координата h направлена вертикально вверх. По высоте ионосфера разбита на плоские слои толщиной ∆h. В пределах слоя диэлектрическая проницаемость полагается постоянной. На границе между слоями волна преломляется. Диэлектрические проницаемости слоев и углы движения волны в них связаны соотношением
, (56)
Рис. 73. Плоскослоистая модель ионосферы
где ϕ0 – направление луча радиоволны от поверхности Земли до нижней границы ионосферы.
Таким образом, луч радиоволны проходит через слои под углом, меняющимся с высотой
(57)
Длина пути волны внутри слоя также зависит от высоты
(58)
Пусть траектория луча начинается в точке начала координат (0,0) (рис.73). Переходя по высоте от слоя к слою, будем иметь координаты пересечения лучом i-го слоя:
(59)
Положительная рефракция во внутренней ионосфере искривляет траекторию волны, и при определенных условиях она может вернуться к Земле. Это явление называют отражением от ионосферы.
Отражение волны от ионосферы произойдет на высоте hотр при ϕ(hотр) = 90°.
С использованием выражения (56) получаем значение электронной плотности, необходимое для отражения:
. (60)
Из выражения (6.60) следует, что от ионосферы могут отражаться волны с частотами
(61)
Частота, на которой выражение (61) превращается в равенство, называется максимальной частотой отражения fm.
Максимальная частота волны, отражающейся при вертикальном падении на ионосферный слой, называется критической частотой этого слоя
На частоте выше критической отражение от ионосферы возможно только при наклонном падении. Отраженная волна не может вернуться к поверхности Земли вблизи от точки излучения. Около точки излучения существует «мертвая зона» (рис. 74)
Рис. 74. Образование «мертвой зоны»
На свойства ионосферы существенное влияние оказывает магнитное поле Земли. Под его действием ионосферная плазма становится анизотропной средой, а ее диэлектрическая проницаемость и удельная проводимость – тензорными величинами. В рамках данной работы авторы сознательно отказались при моделировании от учета влияния магнитного поля Земли и ее сферичности. Чрезмерно сложная модель, заложенная в учебный виртуальный прибор, может затруднить выявление основных изучаемых закономерностей.
Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 485; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!