Электродинамика и распространение радиоволн. Лекция 5. Распространение ионосферных радиоволн

1. ЭЛЕКТРОДИНАМИКА И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН

ЛЕКЦИЯ № 5:
РАСПРОСТРАНЕНИЕ ИОНОСФЕРНЫХ
РАДИОВОЛН

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ (ГОСТ 24375-80)

Ионосферной
называется
радиоволна,
распространяющаяся в результате отражения от
ионосферы или рассеяния в ней.

3. ПРОЦЕССЫ В ВЕРХНИХ СЛОЯХ АТМОСФЕРЫ

состав
- расслоение газов в зависимости от их молекулярной массы под
действием силы тяжести
< 70-80
90-95
85-200
200-600
>600
ионы-гидраты типа
(Н2О)nН+; отрицательные
ионы О2-, NO3-и HCO3-
ионы металлов Mg+,
Fe+ c примесью Si+,
Na+, Са+, Аl+, Ni+
положительные,
молекулярные ионы
NO+ и О2+
атомные
ионы O+
протоны Н+.
- ионизация газов под действием солнечных и космических лучей
источник
< 60-70 (день) <80-90 (ночь)
космические лучи
- рекомбинация
состав
< 70-80
ион-ионная
~80
~1215,7
видимый свет
корпускулярные потоки (е- с
энергией ≤ 30 кэВ)
90-1000
диссоциативная
85-100
< 85
рентген
95-115
911÷1038
УФ
120-200
85÷911
УФ, рентген
>1000
радиоативная

4.

СТРОЕНИЕ ИОНОСФЕРЫ
Зависит от времени суток, года, цикла солнечной активности, географического
положения (полярная и авроральная зоны, среднеширотные и экваториальные
области). Ионизация возрастает на освещенной Солнцем стороне Земли и
убывает на теневой. Наиболее стабильной является ионосфера средних широт,
которая в спокойном состоянии регулярно изменяется в течение дня, сезона и 11летнего солнечного цикла.

5.

СТРОЕНИЕ ИОНОСФЕРЫ
Действующий стандарт
ГОСТ Р 25645.158-94
устанавливает модель
распределения средних
за месяц концентраций
электронов ионосферы
Земли
над
геомагнитным
экватором в интервале
высот 1000-20000 км на
любых долготах для
любого времени суток
различных дней года и
уровней
солнечной
активности, однако он
не распространяется на
периоды ионосферных
бурь.

6.

СЛОЙ ЧЕПМЕНА В
ОДНОРОДНОЙ ИОНОСФЕРЕ
Для образования наибольшего количества ионов необходимо
обеспечить максимум двух факторов: частиц для ионизации
(выполняется у поверхности Земли) и ионизирующего излучения
(выполняется на верхней границе атмосферы).
Максимум ионизированных частиц, наблюдающийся в толще
атмосферы, называется простым слоем (слоем Чепмена).

7.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОЙ
КОНЦЕНТРАЦИИ В РЕАЛЬНОЙ АТМОСФЕРЕ

8.

ПАРАМЕТРЫ СЛОЕВ ИОНОСФЕРЫ
Высота
Область
ионосферы максимума,
День
км
D
E
F1
F2 (зима)
F2 (лето)
70
110
180
250
300
220
100
200
270
1.5•103 3•103
800-1500 3•103 5•103
1000-2000 6•103 25•103
1000-2000 2•103 8•103
10
10-6
3000
10-7
3•10-6
~103 2•10-10
~3•103 10-10
На расстоянии 5-10 км от основного слоя Е возникает слой ES (спорадический слой), очень
тонкий (0,5-1 км), но плотный, образованный в результате «ветрового сдвига». Данный
слой может возникнуть в любое время суток и года, однако в средних широтах он
образуется преимущественно днем и летом, в полярных районах ночью в любое время
года, а на экваторе в основном днем. Вероятность образования слоя ES увеличивается с
ростом географической широты; время существования составляет порядка нескольких
часов. Не смотря на то, что слой ES возникает в ограниченной области ионосферы, его
протяженность может достигать десятков или сотен километров, причем часто эта область
перемещается в ионосфере со значительной скоростью до ~300 км/ч.

9.

КРИВАЯ ЭЛЕКТРОННОЙ
КОНЦЕНТРАЦИИ ДЛЯ F-СЛОЯ

10. ОТРАЖЕНИЕ ОТ ИОНОСФЕРЫ

область отражения 10-20 км по высоте, область отражений 100-400 км по высоте,
величина «скачка» для сверхрефракции до дальность «скачка» до нескольких тысяч
1000 км
километров (кругосветное распространение)
по
своим
свойствам
в
среднем
приближена к нормальной, отклонения от
этого состояния являются редким и плохо
прогнозируемым явлением
изменение коэффициента преломления
обусловлено изменением температуры,
давления и влажности, зависимости от
частоты не наблюдается
электронная концентрация слоев ионосферы
подвержена регулярным изменениям, что
позволяет
прогнозировать
возможности
радиосвязи

11. ОТРАЖЕНИЕ ОТ ИОНОСФЕРЫ

радиус кривизны траектории волны, распространяющейся в слоистой
атмосфере

12.

условие полного
внутреннего отражения
в точке отражения волны
электронная концентрация
должна
возрастать
с
высотой, отражение не
может происходить в слое с
максимумом электронной
концентрации

13.

для полного внутреннего отражения
чем больше частота волны, тем большая электронная концентрация
требуется для ее поворота

14.

максимальное значение частоты
Наибольшая частота, при которой радиоволны отражаются от
данного слоя при вертикально направленном луче, получила
название критической частоты.