Какое влияние оказывает ионосфера земли на распространение радиоволн кратко

Обновлено: 04.07.2024

Как известно, воздух не вызывает ослабление радиоволн практически во всех диапазонах частот и, казалось бы, поэтому земная волна должна распространяться без поглощения. Однако это верно лишь в том случае, если земная волна проходит высоко над поверхностью земли. Если же радиоволны проходят вблизи от поверхности земли, то часть энергии волны отклоняется в землю. Происходит это потому, что скорость распространения радиоволн в земле меньше, чем в воздухе, и при движении их вдоль её поверхности нижний край волны отстаёт от верхнего, фронт волны наклоняется и помимо движения вдоль поверхности земли происходит её распространение сверху вниз.

Если бы земная поверхность была идеально проводящей, радиоволны отражались бы от неё без потерь, т.е. земля в этом случае была бы экраном, препятствующим прохождению волн вглубь почвы. В реальных условиях земля не является ни идеальным проводником, ни идеальным изолятором. Радиоволны, попавшие в землю, возбуждают в ней переменные электрические токи, которые часть своей энергии расходуют на нагрев почвы. Величина потерь энергии в земле очень сильно зависит от частоты радиоволн и сопротивления почвы электрическому току. В почве с увеличением частоты радиоволн величина индуцируемой ЭДС возрастает и соответственно увеличиваются токи в земле, которые создают электромагнитное поле обратного направления. Поэтому дальность распространения поверхностных радиоволн очень быстро уменьшается с увеличением частоты.

При уменьшении проводимости грунта радиоволны глубже проникают в среду и, следовательно, возрастает их поглощение. Ещё изобретатель радио А.С. Попов заметил, что над поверхностью моря дальность радиосвязи увеличивается по сравнению с дальностью связи над сушей. Кроме того, с ростом частоты ухудшаются условия огибания (дифракции) радиоволнами препятствий.

Вышеперечисленные факторы ограничивают возможности использования поверхностной волны диапазонами сравнительно длинных волн (мириаметровые, километровые, гектометровые и частично декаметровые).

Атмосферой называется газообразная оболочка Земли, простирающаяся на высоту более 1000 км. Атмосфера подразделяется на три основные сферы (слоя): тропосферу – приземный слой атмосферы, верхний слой которой лежит на высоте 10-14 км; стратосферу – слой атмосферы до высот 60-80 км; ионосферу – ионизированный слой малой плотности над стратосферой, переходящий затем в радиационный пояс Земли. На высотах в сотни километров различные газы, составляющие воздух, располагаются слоями, более тяжёлые – ниже, более лёгкие – выше. Таким образом, атмосфера на этих высотах неоднородна по составу.

Под влиянием лучей Солнца, космических лучей и других факторов воздух ионизируется, т.е. часть атомов газов, входящих в состав воздуха, распадаются на свободные электроны и положительные ионы. Ионизированный воздух оказывает сильное влияние на распространение радиоволн.

Для различных газов максимум ионизации получается на разной высоте. Ионизированный слой атмосферы – ионосфера – состоит из нескольких слоёв.

Рис. 1. Строение атмосферы.

На высоте 60-80 км находится слой D, существующий только днём. Следующий слой Е располагается на высоте 90-130 км. Ещё выше находится слой F, имеющий ночью высоту 250-350 км, а днём разделяющийся на два слоя: F1- на высоте 180-220 км и F2 – на высоте 220-500 км.

Высота, толщина и проводимость ионизированных слоёв различны в разное время суток и года вследствие изменения ионизирующего действия солнечных лучей. Чем больше ионизирующее действие солнечных лучей, тем больше проводимость и толщина ионизированных слоёв и тем ниже они располагаются. Днём проводимость и толщина их больше, а высота над землёй меньше, чем ночью. Летом проводимость и толщина ионосферных слоёв больше, а высота меньше, чем зимой. Через каждые 11 лет на Солнце повторяется максимум солнечных пятен, являющихся мощными источниками ионизирующих излучений. В это время проводимость и толщина ионизированных слоёв достигают максимума, и они располагаются ниже. Таким образом, свойства земной атмосферы, влияющие на распространение радиоволн, изменяющиеся по довольно сложным законам. Происходят также изменения случайного характера, которые предусмотреть вообще невозможно.

Ионосфера оказывает существенно влияние на распространение радиоволн. Оно заключается прежде всего в том, что радиоволны, попадая в ионосферу, изменяют своё направление. Происходит это вследствие неоднородного характера ионосферы. Если бы относительные диэлектрические проницаемости воздуха и ионосферы были одинаковы, то волна не меняла бы своего направления. Так как в ионосфере имеются свободные электроны, её относительная диэлектрическая проницаемость меньше диэлектрической проницаемости неионизированного воздуха. Вследствие этого при переходе из воздуха в ионосферу происходит преломление волны, а поскольку концентрация электронов в верхних слоях ионосферы возрастает, то волна, многократно преломляясь, возвращается на землю.

Кроме изменения направления распространения радиоволн в ионосфере происходит поглощение их энергии. Объясняется это тем, что радиоволны, попадая в ионосферу, вызывают колебания находящихся там свободных электронов. Совершая колебательное движение, электроны сталкиваются с тяжёлыми частицами – ионами и молекулами. При этом они теряют энергию, приобретённую от радиоволны, и передают её указанным частицам; ионосфера нагревается. Таким образом, часть энергии радиоволны в ионосфере теряется. Чем выше частота радиоволн, тем меньше скорость колебательного движения электронов. Кинетическая энергия, получаемая ими от радиоволны и отдаваемая затем тяжёлым частицам, оказывается меньше. Поэтому с повышением частоты потери энергии радиоволны в ионосфере уменьшается.

Подводя итоги можно отметить следующее:

- из-за неоднородностей ионосферы радиоволны преломляются в ней и отражаются на землю;

- с ростом частоты отражаемая способность уменьшается;

- с ростом частоты уменьшается поглощение волн в ионосфере;

- состояние ионосферы и связанные с ним условия распространения имеют периодические и непериодические изменения.

2.Распространение радиоволн короче 10м.

Волны короче 10 м разбиты на пять диапазонов, которые часто называют диапазонами ультракоротких волн (УКВ). В течение многих лет использование УКВ ограничивалось требованиям прямой видимости между антеннами передатчика и приёмника, которое вытекает из прямолинейности распространения этих волн. Действительно, дифракция практически не свойственна УКВ, и они не могут огибать выпуклости земной поверхности. Степень же ионизации ионосферы недостаточна для отражения этих радиоволн.

Дальность распространения на расстояние прямой видимости составляет:

, где h 1 и h 2 – высоты расположения передающей и приёмной антенн (м).

Таким образом, если поднять антенны на высоту 25 м, то расстояние прямой видимости составит 36 км. Для осуществления связи на большие расстояния необходимо между пунктами связи устанавливать промежуточные станции (ретрансляторы), либо поднимать антенны на большие высоты. Первый принцип используется в радиорелейных системах передачи, где промежуточные станции располагаются на расстоянии 50-70 км. Для увеличения зоны обслуживания телевизионного вещания используются антенны, расположенные на башнях большой высоты. Так, высота Останкинской телевизионной башни составляет 525м.

Связь в пределах прямой видимости характеризуется возможностью одновременного прихода в точку приёма не только прямой волны, но и волны, отражённой от земной поверхности. Эффект интерференции может привести к резкому снижению напряжённости поля в точке приёма. Однако в отличие от диапазонов гектометровых и декаметровых волн, интерференционные явления здесь могут быть сведены до минимума оптимальным подбором высот антенн, расстояния между ними и длины волны.

Диапазон УКВ является, пожалуй, наиболее широко используемым участком радиодиапазона. Большая частотная ёмкость этого диапазона и ограниченный предел прямой видимости радиус действия позволяют разместить большое число одновременно работающих станций и осуществлять передачу информации в широкой полосе частот. Диапазон УКВ позволяет одновременно передавать большое число телевизионных программ, организовать тысячи телефонных каналов и цифровых систем связи. Диапазон широко используется для радиолокации, радионавигации, связи с искусственными спутниками, звукового и телевизионного вещания и в радиоастрономии. Диапазон метровых и декаметровых волн используется в основном для телевидения, радиовещания и радиосвязи с подвижными объектами. Диапазон сантиметровых волн отведён для различных видов многоканальной связи.

Диапазон метровых волн используется иногда для связи вне пределов прямой видимости, так как они способны огибать небольшие преграды на земной поверхности. Дальность такой связи обычно исчисляется километрами, реже – десятками километров. Наиболее сложными оказывается условия связи на метровых волнах в больших городах, где часто прибегают к ретрансляции через центральную станцию, антенна которой установлена на высотном доме.

На практике наблюдаются случаи дальнего распространения метровых и более коротких волн. Это объясняется тем, что возможно такое состояние атмосферы, при котором изменение коэффициента преломления по мере подъёма вверх происходит в гораздо большей степени, чем в нормальных условиях. Искривление траектории радиолуча вследствие рефракции увеличивается, становится возможным распространение радиоволн параллельно земной поверхности или даже попадание их после преломления на поверхность земли (явление сверхфракции). Падающие на землю волны отражаются, распространяются вверх, опять преломляются и т.д. В пространстве между поверхностью земли и преломляющими верхними слоями, вдоль которого волны распространяются на расстояния в десятки раз больше расстояний прямой видимости. Это создаёт возможность приёма телевизионных программ из других городов и даже стран.

Следует отметить, что появление волноводных каналов в атмосфере происходит редко. Для этого требуется стечение благоприятных условий: увеличение температуры воздуха по мере подъёма вверх (а не её уменьшение, как это происходит обычно) и сильное уменьшение влажности с высотой.

В тропосфере постоянно присутствуют малые случайные колебания температуры и влажности. Коэффициент преломления воздуха зависит от этих величин, поэтому радиоволны рассеиваются неоднородностями ионосферы. Это рассеянное поле наблюдается далеко за горизонтом. Существенно, что, несмотря на малое значение напряжённости поля и его флуктуации, в среднем напряжённость поля за горизонтом отличается большим постоянством. Явление рассеяния волн тропосферными неоднородностями называют дальним тропосферным распространением радиоволн.

Однако создание линии тропосферной связи значительно более сложная задача, нежели линии декаметрового диапазона , поскольку напряженность поля отражённых от тропосферы волн уменьшается с расстоянием очень быстро. Поэтому требуется значительные мощности передатчиков (от 1 до 50 кВт), антенны высокой направленности и высокочувствительные приёмники.

Для линий тропосферного рассеяния могут быть использованы метровых, дециметровых и часть сантиметровых волн.

Несомненное достоинство тропосферных линий связи – возможность передачи по ним широкополосных сигналов, т.е. организация многоканальных систем связи. Кроме того, эта связь не требует смены длины волны в течение суток. Тропосферные линии связи успешно конкурируют в труднодоступной местности с кабельными линиями. Тропосферные станции могут образовывать радиорелейные системы передачи с интервалом между станциями до 300-500 км.

Дальнее распространение волн УКВ диапазона возможно также за счёт их рассеяния на неоднородностях ионосферы. Здесь рассеяние происходит в слое D или в нижней части слоя Е за счёт неоднородности электронной концентрации. Наибольшая неоднородность поля наблюдается в диапазоне 30-60МГц при длине трассы 800-2000 км. Для ионосферных линий связи характерны замирания, сезонные и суточные изменения уровня. Искажения сигнала ограничивают ширину спектра передаваемых сигналов полосой в несколько килогерц, поэтому телевизионные и групповые сигналы многоканальных систем по ним не могут передаваться.

Преимуществом связи на метровых волнах за счёт ионосферного рассеяния является возможность работы круглосуточно на одной частоте. Ионосферное рассеяние целесообразно использовать для связи с труднодоступными районами. В периоды ионосферных возмущений, особенно характерных для арктических широт, когда связь в диапазоне декаметровых волн с отражением от слоя F2 прекращается, неоднородности в нижних областях ионосферы возрастают и ионосферная связь даже улучшается.

ВОПРОСЫ.

1. Что влияет на ослабление радиоволны в воздушном пространстве.

2. Когда радиоволна вызывает нагрев почвы и из-за чего это происходит.

3. Где увеличивается дальность радиосвязи на суше или море.

4. Атмосфера и её состав.

5. Состав ионосферы.

6. Влияние ионосферы на распространение радиоволн.

7. Расчёт дальности распространения радиоволны на расстояние прямой видимости при заданной высоте расположения передающей и приёмной антенн.

8. Наличие какого элемента системы необходимо для осуществления связи на дальние расстояния.

9. Понятие интерференция.

10. Преимущества связи на метровых волнах.

11. Достоинства тропосферных линий связи.

Хотя от любителей требуется только беглое знакомство с физикой ионосферы, более детальное представление о ней может значительно увеличить удовольствие от их хобби.

Радиосвязь через ионосферу — увлекательное и важное средство установления связей на большие расстояния. Тысячи любителей и коммерческих операторов каждый день используют ионосферу для установления контактов на обширных территориях. Однако чтобы полностью использовать возможности этого способа распространения, мы должны понимать ту физику, которая скрывается за этой магией. Знание того, когда нужно прослушивать, какую частоту лучше использовать и откуда можно ожидать прихода сигнала, позволяет опытному DX’epy работать с дальними станциями. Несомненно, знание физики распространения и “чувство” условий, существующих в каждом диапазоне — очень ценное качество любого радиооператора.

Атмосфера

Прежде чем рассматривать процесс отражения сигнала от ионосферы, необходимо сказать несколько слов о том, где это отражение происходит и как формируется зона отражения.

Всю атмосферу можно разделить на несколько различных слоев с разными свойствами. Наиболее часто используемые наименования этих слоев приведены на рис.1. Из него видно, что тропосфера — это ближайшая к Земле часть атмосферы, простирающаяся в высоту на расстояние около 10 км. На высотах между 10 и 50 км. мы находим стратосферу, в которой расположен пресловутый озоновый слой (на высоте около 20 км.).

В случае KB-связей наиболее важную роль играет ионосфера, в то время как тропосфера играет ключевую роль в связях на ОВЧ и УВЧ. Ионосфера охватывает несколько метеорологических слоев и простирается по высоте примерно от 50 до 650 км.

Ионосфера

Свое имя ионосфера получила потому, что в этой области атмосферы имеются ионы. В большей части атмосферы молекулы существуют в связанном состоянии и остаются электрически нейтральными. В ионосфере же солнечное излучение (в основном, ультрафиолетовая область) настолько интенсивно, что, попадая на молекулы, оно их расщепляет (ионизирует), и электроны оказываются свободными. В результате получается положительный ион (“недосчитывающаяся” электрона молекула) и свободный электрон. И хотя название этой области атмосферы дали ионы, основное влияние на распространение радиоволн оказывают, в действительности, электроны.

Число свободных электронов (рис.2) начинает нарастать с высоты примерно 30 км., однако плотность электронов становится достаточной для того, чтобы влиять на радиоволны, только начиная с высоты около 60 км. Мы часто представляем себе ионосферу состоящей из нескольких различных слоев. И хотя это удобно для объяснения некоторых явлений, это все же не совсем точно, поскольку ионизированные молекулы (и свободные электроны) имеются во всей ионосфере. В действительности слои лучше всего представлять как максимумы уровня ионизации.

Чтобы иметь возможность быстро указывать на отдельные слои, пики или области, мы их обозначаем буквами D, Е и F (имеется еще и слой С, однако уровень ионизации в нем так низок, что он не влияет на радиоволны).

Ниже всего расположен слой D — на высоте между 50 и 80 км. Он существует в течение дня, когда на него падает излучение Солнца. Поскольку плотность воздуха на таких высотах еще достаточно велика, ионы и электроны рекомбинируют здесь относительно быстро. После захода Солнца, когда солнечное излучение блокируется Землей, уровень свободных электронов быстро падает, и слой D, по сути дела, исчезает. Следующий слой, лежащий выше слоя D, называется слоем Е. Его можно обнаружить на высотах между 100 и 125 км. Поскольку и здесь электроны и ионы рекомбинируют достаточно быстро, после захода Солнца уровень ионизации быстро падает. И хотя при этом некоторый остаточный уровень ионизации остается, фактически, ночью слой Е исчезает. Для дальних связей наиболее важную роль играет слой F. В течение дня он часто распадается на два субслоя, которые мы обозначаем как F1 и F2 (рис.3). Ночью оба слоя снова сливаются в один слой F. Высота слоя F сильно варьируется и зависит от времени суток, сезона и состояния Солнца. Летом слой F1 может располагаться на высоте 300 км., а слой F2 — на высоте 400 км. или выше. Зимой эти цифры могут быть, соответственно, 100 км. и 200 км. Ночью слой F располагается, как правило, на высотах 250 – 300 км. Однако все эти цифры очень относительны, и их нужно рассматривать только как оценочные. Как и в слоях D и F, уровень ионизации в слое F падает ночью. Однако поскольку этот слой располагается гораздо выше, и плотность воздуха в нем гораздо меньше, рекомбинация происходит здесь гораздо медленнее. Так как ионизация сохраняется всю ночь, этот слой может оказывать влияние на распространение радиосигналов.

Солнце и ионосфера

Вряд ли неожиданно, что солнечная активность влияет на ионосферу. Главным фактором является число видимых солнечных пятен. Пятна выглядят как темные (относительно) зоны, которые можно видеть, если спроектировать изображение Солнца на экран или кусок бумаги. Они влияют на ионосферу по той причине, что зоны вокруг них излучают большое количество ультрафиолетового излучения — основного фактора ионизации.
Число солнечных пятен меняется с 11-летним периодом (хотя это и достаточно приближенная закономерность). А это означает, что и ионосферные условия (а значит, и распространение радиоволн) меняются синхронно с этим циклом. В нижней точке цикла в диапазонах ВЧ выше примерно 20 МГц ионосферное распространение может и не возникнуть. Вблизи пика 11-летней активности, могут быть активными частоты от 50 МГц и выше.

Поверхностная и воздушная волны

Сигналы в диапазонах средних и коротких волн распространяются двумя основными способами — поверхностной и пространственной волнами.

Поверхностная волна возникает, когда сигнал распространяется от передатчика по всем направлениям. Вместо того чтобы распространяться по прямой линии (и не быть слышимым за пределами видимого горизонта), радиосигнал стремится следовать кривизне Земли (рис.4). Это происходит вследствие того, что в земной поверхности индуцируются токи, которые замедляют волновой фронт вблизи поверхности. В результате этого волновой сигнал наклоняется книзу, что дает ему возможность следовать кривизне Земли и распространяться за горизонт.

За некоторыми исключениями, связь с помощью поверхностной волны обычно используется для сигналов с частотами ниже 2…3 МГц. На более высоких частотах она не используется вследствие роста затухания с частотой; в результате, связь становится ненадежной. Это хорошо демонстрирует тот факт, что радиовещательные коротко-волновые станции, использующие поверхностную волну, слышны только на коротких расстояниях. В то же время средневолновые станции слышимы на гораздо больших расстояниях — типичная мощная радиовещательная станция AM охватывает зону в сотню миль, а то и больше. На полную зону охвата влияют многие факторы, включая мощность передатчика, тип антенны и характер поверхности, над которой распространяются сигналы.

Сигналы могут также отрываться от земной поверхности и распространяться по направлению к ионосфере. Как мы увидим ниже, некоторые из них возвращаются назад к земле.

Слой D

Первый слой, который встречается на пути сигнала — это слой D. Он действует как аттенюатор, особенно на низких частотах, поскольку затухание изменяется обратно пропорционально квадрату частоты. Это означает, что при удвоении частоты уровень затухания уменьшается в четыре раза. Именно поэтому стремятся препятствовать попаданию низкочастотных сигналов на более высокие слои, за исключением ночного времени, когда слой D исчезает.

Затухание сигналов при прохождении через слой D обусловлено тем, что они вызывают колебания свободных электронов. Когда это происходит, электроны сталкиваются с молекулами, расходуя при этом некоторое небольшое количество энергии и диссипируя пропорциональное ему количество энергии радиосигнала.
Легко видеть, что уровень затухания зависит от количества происходящих столкновений. А это количество, в свою очередь, зависит от многих других факторов. Одним из наиболее очевидных является число имеющихся молекул газа. Большее количество молекул газа означает больше столкновений и рост затухания.
Важны также уровень ионизации и частота радиосигнала. С ростом частоты длина волны убывает, и число столкновений между свободными электронами и молекулами газа убывает. Поэтому низкочастотные сигналы затухают гораздо сильнее высокочастотных.

Слои Е и F

Изменения частоты

В течение дня сигналы средних волн распространяются только посредством поверхностной волны, поскольку слой D поглощает сигналы, достигающие ионосферы. С ростом частоты затухание убывает, вплоть до уровня, когда сигналы проходят через слой D и достигают слоя Е. Здесь сигналы отражаются и, проходя еще раз через слой D, возвращаются к Земле на значительном расстоянии от передатчика. С дальнейшим ростом частоты отражение от слоя Е становится все менее эффективным. И, наконец, сигналы достигают слоя F1, где они могут отразиться обратно и, пройдя через слои Е и D, снова достичь Земли. Поскольку слой F1 расположен выше слоя Е, расстояния, проходимые сигналами, отраженными от слоя F, будут гораздо больше. Если частота возрастает еще больше, сигналы, в конце концов, пройдут через слой F1 до слоя F2. Поскольку это — самый высокий из отражающих слоев, расстояние, перекрываемое сигналами, отраженными от него, будет наибольшим. Максимальное “скачковое” расстояние для слоя Е примерно равно 2000 км. Для слоя F2 оно возрастает примерно до 4000 км. — выигрыш значителен (рис.6).

Несколько скачков

Хотя при отражении от слоев Е и F перекрываются значительные расстояния, это не объясняет, каким образом сигнал может доходить на вторую половину земного шара. Охватывающее весь мир распространение требует нескольких отражений. Земная повер-хность действует как отражатель для вернувшихся к Земле от ионосферы сигналов, она возвращает их обратно к ионосфере, где они снова отражаются к Земле (рис.7). Таким способом сигнал может распространяться вокруг всего земного шара (и даже в нескольких направлениях). Свойства земной поверхности имеют большое значение. Пустыни — плохие отражатели, зато океаны очень эффективны. Это означает, что сигналы, отраженные от Атлантического океана, например, будут гораздо сильнее, чем сигналы, отраженные от таких зон как пустыня Сахара. Кроме потерь, вызванных отражением от земной поверхности, сигналы испытывают затухание каждый раз, когда они проходят через слой D. И действительно, затухание в слое D очень существенно, особенно если вспомнить, что сигналы дважды проходят через слой D при каждом “путешествии” их к слою Е или F. Помимо того, что высокие частоты более удобны для использования, так как они отражаются от слоя F2 и поэтому требуют меньшего числа отражений, они же испытывают и меньшее поглощение в слое D. Это означает, что, при прочих равных условиях, сигнал на частоте 28 МГц, например, будет сильнее сигнала частоты 14 МГц (если связь установлена на обеих частотах).

Расстояние скачка и “мертвая” зона

Расстояние скачка и “мертвая’ зона — очень важные понятия ионосферного распространения. Расстояние вдоль поверхности Земли, на которое распространяется сигнал при отражении от ионосферы, называют расстоянием скачка (рис.8). Имеется также область, которую называют “мертвой” зоной. Сигналы поверхностной волны из-за затухания будут слышимы только на определенном расстоянии от передатчика. Сигналы, распространяющиеся к ионосфере, не могут отразиться раньше, чем они достигнут ионосферы. При этом они проходят расстояния, которые гораздо больше тех, на которых полностью исчезает поверхностная волна. Это приводит к возникновению области, где сигналы не могут быть услышаны. Эта зона и называется “мертвой’ зоной. Она особенно ярко выражена для высокочастотных сигналов, для которых поверхностная волна затухает очень быстро, а расстояние скачка может иметь величину в тысячу миль или больше.

Выше стратосферы располагается ионосфера – слой земной атмосферы, простирающийся до высот порядка 800 км, а за ней – экзосфера, переходящая в ближний космос, которая не оказывает влияния на радиоволны.

Ионосфера существенно влияет на распространение радиоволн. Благодаря ионосфере радиоволны распространяются вокруг поверхности Земли на весьма большие расстояния, даже при очень малых мощностях передатчиков. Предположение о влиянии верхней части атмосферы на распространение радиоволн впервые было высказано в 1902 г. после осуществления трансатлантической радиосвязи. Почти одновременно Кеннели (Америка) и Хевисайд (Англия) предположили, что в верхних областях атмосферы имеется большое количество положительных и отрицательных ионов. Эти ионы образуют проводящий слой атмосферы, так называемую ионосферу, от которой и происходит отражение радиоволн.

Рисунок 7.1 – Зависимость плотности свободных электронов от высоты Н

и времени суток. Зимнее время, средние широты

Ход кривой электронной концентрации можно пояснить следующим образом. В самых верхних слоях атмосферы ионизирующие факторы действуют сильнее всего, но плотность газов чрезвычайно мала. Поэтому, хотя в этих слоях почти все частицы ионизированы, величина Nневелика. В нижних слоях, наоборот, плотность атмосферы достаточно велика, но ионизирующее действие излучений, ослабленных при прохождении через всю толщу атмосферы мало, поэтому и число электронов в 1 см 3 тоже мало. В соответствии с уровнем электронной концентрации различают четыре области ионизации, которые обозначают буквами D, Е, F₁, F₂ и называют слоями.

Наиболее существенное влияние на распространение радиоволн оказывает слой F_2, имеющий наибольшую электронную концентрацию.

Электронная концентрация N существенно зависит от времени суток, времени года, 11-летнего периода изменения солнечной активности, географической широты, степени возмущенности Солнца и магнитного поля Земли, а также интенсивности действия внешних факторов.

Суточные изменения электронной концентрации в ионосфере примерно соответствуют изменению высоты Солнца (рис. 7.1). При этом максимум высоты Солнца соответствует максимуму электронной концентрации. Сезонные изменения в состоянии ионосферы выражаются как в изменении величины электронной концентрации, так и высоты ионизированных слоев. Так, например, слой F₂, располагающийся днем в летнее время на высотах 300 – 450 км, в зимнее время опускается до высот 250 – 350 км.

При распространении пространственных радиоволн в ионосфере ее электрические заряды под воздействием электромагнитной волны сами начинают совершать колебательное движение и становятся источниками вторичных волн. При взаимодействии вторичных волн с первичными возникает результирующая волна. Скорость ее распространения зависит от электронной концентрации. Основными параметрами ионосферы будем считать ее диэлектрическую проницаемость Ɛ и проводимость Ϭ.

Диэлектрическую проницаемость ионизированного разреженного газа с электронной плотностью N без учета магнитного поля Земли, можно определить по формуле

, (7.1)

где – частота собственных колебаний электронов (плазменная частота);

N– концентрация электронов в плазме ионосферы;

– заряд электрона;

– масса электрона;

– частота столкновений электронов с ионами и нейтральными молекулами (частота релаксации).

Подставляя числовые значения в формулу (7.1) и приравнивая частоту релаксации нулю ( =0), получим формулу для определения относительной диэлектрической проницаемости ионизированного газа

(7.2)

Из (7.2) видно, что при значительной электронной концентрации диэлектрическая проницаемость газа может равняться нулю. Условие выполняется на частоте .

(7.3)

С учетом собственной частоты ионизированного газа выражение (7.2) можно переписать.

, (7.4)

где f– частота радиоволны, кГц.

Из этих соотношений видно, что электрические свойства ионосферы неоднородны. Экспериментально установлено, что неоднородности ионосферы имеют размеры от нескольких метров до нескольких километров. На высоте 60. 80 км, т. е. в области D, преобладают более мелкие неоднородности размером до десятков метров, в слое E – неоднородности размером 200. 300 м, а в слое F – неоднородности размером в несколько километров. Неоднородности слоя F имеют продолговатую форму, вытянутую вдоль силовых линий магнитного поля Земли. Отклонения неоднородностей электронной плотности от среднего значения электронной плотности окружающей ионизированного газа могут составлять (0,1. 1)%. Скорость движения неоднородностей не превышает 1. 10 м/с.

Как видно соотношений (7.2 – 7.4) диэлектрическая проницаемость ионосферы Ɛ всегда меньше единицы и тем меньше, чем ниже рабочая частота f. Это означает, что преломление радиоволн в ионосфере тем сильнее, чем больше длина радиоволн. Наоборот, для очень коротких радиоволн (высокие частоты) диэлектрическая проницаемость ионосферы очень мало отличается от единицы, и они почти не испытывают в ионосфере преломления.

Кроме того, установлено, что ионосфера является нестационарной анизотропной средой.

Нестационарность означает изменение во времени параметров ионосферы, а свойство анизотропии обусловлено наличием магнитного поля Земли. За счет влияния магнитного поля на ионосферу при распространении линейно поляризованных радиоволн (особенно метровых и дециметровых) наблюдается вращение плоскости поляризации (эффект Фарадея), что вызывает поляризационные замирания радиосигнала.

Учитывая наличие в ионосфере слоев с различными Ɛ, можно представить себе траектории радиолучей в виде, показанном на рисунке 7.2.

Рисунок 7.2 – Траектории радиолучей в ионосфере для различных длин волн

При некоторых условиях Ɛ= 0 преломленная в ионосфере радиоволна может возвратиться на землю. Такую волну называют отраженной.

Максимальную частоту электромагнитной волны, которая еще отражается при вертикальном падении на ионизированный слой, называют критической частотой. Она определяется:

(7.5)

гдеN –электронная концентрация данного слоя.

Поэтому ионизированным слоям D, Е, F₁, F₂ расположенным на различных высотах, соответствуют свои критические частоты. Если частота радиоволн выше критической, соответствующей данному ионизированному слою, то падающая на ионосферу волна не отражается, а лишь преломляется в ней и уходит в космическое пространство. Ионосфера для таких радиосигналов становится прозрачной.

Чтобы этого не произошло, необходимо рабочую частоту радиоэлектронного средства выбирать так, чтобы обеспечивалось условие

_РЭС 3 . Электронная концентрация, или плотность ионосферы, распределена неравномерно по всей толще ионосферы (рис. 7.1).

Рисунок 7.1 – Зависимость плотности свободных электронов от высоты Н

и времени суток. Зимнее время, средние широты

, (7.1)

где – частота собственных колебаний электронов (плазменная частота);

N– концентрация электронов в плазме ионосферы;

– заряд электрона;

– масса электрона;

– частота столкновений электронов с ионами и нейтральными молекулами (частота релаксации).

(7.2)

(7.3)

С учетом собственной частоты ионизированного газа выражение (7.2) можно переписать.

, (7.4)

где f– частота радиоволны, кГц.

Кроме того, установлено, что ионосфера является нестационарной анизотропной средой.

Рисунок 7.2 – Траектории радиолучей в ионосфере для различных длин волн

(7.5)

гдеN –электронная концентрация данного слоя.

_РЭС

Всякая система передачи сигналов состоит из трех основных частей:
передающего устройства,
приемного устройства
и промежуточного звена — соединяющей линии.
Для радиосистем промежуточным звеном является среда — пространство, в котором распространяются радиоволны. При распространении радиоволн по естественным трассам, т. е. в условиях, когда средой служит земная поверхность, атмосфера, космическое пространство, среда является тем звеном радиосистемы, которое практически не поддается управлению.
При распространении радиоволн в среде происходят изменение амплитуды поля волны (обычно уменьшение), изменение скорости и направления распространения, поворот плоскости поляризации и искажение передаваемых сигналов.
Земная поверхность оказывает существенное влияние на распространение радиоволн: в полупроводящей поверхности Земли радиоволны поглощаются; при падении на земную поверхность они отражаются; сферическая форма земной поверхности препятствует прямолинейному распространению радиоволн. Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости от поверхности Земли (в масштабе длины волны) называют земными радиоволнами

Пути распространения радиоволн

Рис. 1. Пути распространения радиоволн

Влияние атмосферы учитывают отдельно, внося необходимые поправки.В окружающей Землю атмосфере различают три области, оказывающие влияние на распространение радиоволн: тропосферу, стратосферу и ионосферу. Границы между этими областями выражены не резко и зависят от времени и географического места.
Ионосферой называется область атмосферы на высоте 60—10 000 км над земной поверхностью. На этих высотах плотность воздуха весьма мала и воздух ионизирован, т. е. имеется большое число свободных электронов (примерно 103—106 электронов в 1 см3 воздуха). Присутствие свободных электронов существенно влияет на электрические свойства ионосферы и обусловливает возможность отражения от ионосферы радиоволн длиннее 10 м. При однократном отражении радиоволны могут перекрывать расстояние по поверхности Земли до 4000 км. В результате многократного отражения от ионосферы и поверхности Земли радиоволны могут распространяться на любые расстояния по земной поверхности. Радиоволны, распространяющиеся путем отражения от ионосферы или рассеяния в ней, называют ионосферными волнами 3.
На условия распространения ионосферных волн свойства земной поверхности и тропосферы влияют мало.

Наличие в верхних слоях атмосферы свободных электронов определяет электрические параметры ионизированного газа — его диэлектрическую проницаемость ε и проводимость γ
Число электронов, содержащихся в единице объема воздуха, называется электронной плотностью Na (см-3)
Электронная и ионная плотности ионосферы непостоянны по высоте, что приводит к преломлению и отражению радиоволн в ионосфере.

Распределение плотности электронов по высоте атмосферы.

Рис. 2 Распределение плотности электронов по высоте атмосферы.

Объемные неоднородности ионизированного газа вызывают рассеяние радиоволн Указанные явления определяют условия распространения радиоволн в ионосфере и в одних случаях могут быть использованы, а в других должны быть учтены при работе радиолиний.
Ионосфера в целом является квазинейтральной, т.е. количества имеющихся в ней положительных и отрицательных зарядов равны.
Температура газа, начиная с высоты h = 80 км, плавно возрастает, достигая 2000—3000 К при h=500—600 км Возрастание температуры с высотой в области ионосферы объясняется тем, что воздух здесь нагревается непосредственно излучением Солнца.
Основным источником ионизации земной атмосферы являются электромагнитные волны солнечного излучения длиной короче 0,1 мкм — нижний участок ультрафиолетового диапазона и мягкие рентгеновские лучи, а также испускаемые Солнцем потоки заряженных частиц Ультрафиолетовые и рентгеновские лучи производят ионизацию только на освещенной части земного шара и более интенсивно в приэкваториальных областях Заряженные частицы движутся по спиральным линиям в направлении магнитных силовых линии к магнитным полюсам земного шара и производят ионизацию главным образом в полярных областях Считают, что ионизирующее действие потока частиц составляет не более 50% ионизирующего действия ультрафиолетового излучения Солнца.
Ионизацию создают также метеоры, вторгающиеся в земную атмосферу со скоростями 11—73 км/с Кроме повышения среднего уровня ионизации метеоры создают местную ионизацию за метеором образуется столб ионизированного газа, который быстро расширяемся и рассеивается, существуя в атмосфере от одной до нескольких секунд Такие ионизированные следы метеоров образуются на высоте 80—120 км над земной поверхностью Характеристика метеорных частиц, попадающих в земную атмосферу, и плотность ионизированного следа, оставляемого ими, приведены в табл 1.

Масса частиц
т, г Радиус частиц,
см Число частиц падающих ежедневно на Землю Электронная плотность, Nэ см-3
1 0,4 105 2 1015
10-3 0.04 108 2 1014
10-5 0,008 1010 5 1013

После прекращения действия источника ионизации электронная плотность спадает по гиперболическому закону Поэтому с за ходом Солнца ионизация в нижних слоях ионосферы исчезает не мгновенно, а в верхних слоях — сохраняется в течение всей ночи.
Заметная электронная плотность появляется в атмосфере начиная с высоты примерно 60 км. Далее электронная плотность ионосферы меняется с высотой над земной поверхностью, а следовательно, и электрические свойства ионосферы неоднородны по высоте.
При распространении радиоволны в неоднородной среде ее траектория искривляется. При достаточно большой электронной плотности искривление траектории волны может оказаться настолько сильным, что волна возвратится на поверхность Земли на некотором расстоянии от места излучения, т. е. произойдет отражение радиоволны в ионосфере.
Отражение радиоволн, посланных с поверхности Земли на ионосферу, происходит не на границе воздух — ионизированный газ, а в толще ионизированного газа. Отражение может произойти только в той области ионосферы, где диэлектрическая проницаемость убывает с высотой а, следовательно, электронная плотность возрастает с высотой, т. е. ниже максимума электронной плотности ионосферного слоя.

Схема отражения радиоволн от ионосферы

Рис. 3. Схема отражения радиоволн от ионосферы.
Условие отражения связывает угол падения волны на нижнюю границу ионосферы φ с диэлектрической проницаемостью в толще самой ионосферы на той высоте, где происходит отражение волн (рис. 3):
sinφ0 = εn1/2 = (1 — 80,8Ne/f2)1/2
Здесь и далее Nэ — плотность электронов, см3, а частота f в кГц.

Чем больше значение Nэ, тем при меньших углах φо возможно отражение. Угол φо, при котором в данных условиях еще возможно отражение, называют критическим углом.

Отсюда можно определить рабочую частоту fφ при которой волны отразятся от ионосферы в случае заданных электронной плотности и угле падения:
fφ= (80,8Ne/cosφ0)1/2
Если волна нормально падает на ионосферу, то
fφ= (80,8 Ne)1/2 = f0
При нормальном падении волны отражение происходит на тон высоте, где рабочая частота равна собственной частоте ионизированного газа и, следовательно, ε=0. При наклонном падении на этой высоте могут отразиться радиоволны с более высокой частотой. Выполняется так называемый закон секанса, заключающийся в том, что при наклонном падении отражается волна частотой, в secφо раз превышающей частоту волны, отражающейся при вертикальном падении волны на слой заданной электронной плотности:
fφ = f0 secφ0
Чем больше электронная плотность, тем для более высоких частот выполняется условие отражения.
Максимальная частота, при которой волна отражается в случае вертикального падения на ионосферный слой, называется критической частотой fкр, отражение происходит вблизи максимума ионизации слоя:
fкр = (80,8 Neмакс)1/2
Сферичность Земли ограничивает максимальный угол φо :
sinφмакс = R0/(R0 + h0)
а следовательно, и максимальные частоты радиоволн, которые могут отразиться от ионосферы при данной электронной плотности.
К диапазону сверхдлинных волн (СДВ) относят волны длиной от 10 000 до 100 000 м (f = 30—3 кГц), а к длинным волнам (ДВ)—волны от 1000 до 10000 м (f = 300-30 кГц).
Токи проводимости для диапазонов СДВ и ДВ существенно преобладают над токами смещения для всех видов земной поверхности. Поэтому при распространении поверхностной волны происходит лишь незначительное проникновение ее энергии в глубь Земли. Сферичность Земли, служащая препятствием для прямолинейного распространения радиоволн, до расстояний 1000—2000 км остается соизмеримой с длиной волны, что способствует хорошему огибанию длинными волнами земного шара благодаря дифракции. Незначительные потери и oгибание земной поверхности обусловили возможность ДВ и СДВ распространяться земной волной на расстояние до 3000 км.
Начиная с расстояния 300—400 км помимо земной волны присутствует волна, отраженная от ионосферы. С увеличением расстояния напряженность электрического поля отраженной от ионосферы волны увеличивается, и на расстояниях 700—1000км поля земной и ионосферной волн становятся примерно равными. Суперпозиция этих двух волн дает интерференционную картину поля.
На расстоянии свыше 3000 км ДВ и СДВ распространяются только ионосферной волной. Для отражения длинных волн достаточно небольшой электронной плотности, так что днем отражение этих волн может происходить на нижней границе слоя D, а ночью—на нижней границе слоя Е. Проводимость в этой области ионосферы для ДВ довольно значительна (но в тысячи раз меньше, чем проводимость сухой земной поверхности) и токи проводимости оказываются того же порядка, что и токи смещения Следовательно, нижняя область ионосферы для ДВ обладает свойствами полупроводника.
На ДВ и особенно на СДВ электронная плотность слоев D и Е меняется резко на протяжении длины волны. Поэтому и отражение здесь происходит как на границе раздела воздух — полупроводник, без проникновения радиоволны в толщу ионизированного газа. Этим обусловлено слабое поглощение ДВ и СДВ в ионосфере.
Расстояние от земной поверхности до нижней границы ионосферы составляет 60—100 км, т. е. того же порядка, что и длина волн (ДВ и СДВ), так что волны распространяются между двумя близко расположенными полупроводящими концентрическими сферами, одной из которых является Земля, а другой — ионосфера. Условия распространения при этом примерно такие же, как и в диэлектрическом волноводе.
Как и во всяком волноводе, можно отметить оптимальные волны — волны, распространяющиеся с наименьшим затуханием, и критическую волну. Для волновода, образованного Землей и ионосферой, оптимальными являются волны длиной 25 — 35 км, а критической — волна длиной 100 км. Подобно законам распространения радиоволн в обычных волноводах, в сферическом ионосферном волноводе фазовая скорость радиоволн превышает скорость света в свободном пространстве.
К диапазону средних волн (СВ) относят радиоволны λ= 100 — 1000 м (f = 0,3 — 3 МГц). Диапазон СВ используется для радиовещания, радионавигации, радиотелеграфной и радиотелефонной связи; СВ могут распространяться как земными, так и ионосферными волнами.
Напряженность электрического поля земных волн определяется для малых расстояний, а для больших расстояний — по законам дифракции. СВ испытывают значительное поглощение в полупроводящей поверхности Земли, поэтому дальность распространения земной волны ограничена расстоянием 1000 км. Следует также учитывать, что неровности земной поверхности снижают эффективную проводимость почвы. Приближенно для равнинной местности γэфф = (0,5—0,7)γ, для, холмистой γэфф= (0,15—0,2)γ, для районов вечной мерзлоты γэфф = γ.

Ближние и дальние замирания на средних волнах

Рис. 4. Ближние и дальние замирания на средних волнах.

1 — земная волна;
2 — волна, отразившаяся от ионосферы один раз;
3 — волна, отразившаяся от ионосферы дважды.
На большие расстояния СВ, распространяются только в ночное время путем отражения от слоя Е ионосферы, электронная плотность которого оказывается достаточной для этого. В дневные часы на пути распространения СВ расположен слой D, который чрезвычайно сильно поглощает энергию этих волн. Поэтому при обычно применяемых мощностях передатчиков напряженность электрического поля на больших расстояниях оказывается недостаточной для приема и в дневные часы распространение СВ происходит практически только земной волной. Ионосферные возмущения не влияют на распространение СВ, так как слой Е мало нарушается во время ионосферно-магнитных бурь.
Замирания на средних волнах наблюдаются только в ночные часы, когда на некотором расстоянии от передатчика возможен приход одновременно пространственной и поверхностной волн в точку В, причем длина пути пространственной волны меняется с изменением электронной плотности ионосферы. Изменение разности фаз этих волн приводит к колебанию напряженности электрического поля во времени, называемому ближним замиранием. На значительное расстояние от передатчика (точка С) могут прийти волны путем одного или двух отражений от ионосферы. Изменение разности фаз этих двух волн также приводит к колебанию напряженности поля, называемому дальним замиранием. Скорость замираний невелика (период замираний составляет 1— 2 мин). Статистические характеристики замираний не исследованы.
Для борьбы с замиранием на передающем конце радиолинии применяются антенны с диаграммами направленности, прижатыми к земной поверхности. При такой диаграмме направленности зона ближних замираний удаляется от передатчика, а на больших расстояниях поле волны, пришедшей путем двух отражений, оказывается ослабленным.
К диапазону коротких волн (KB) относят волны длиною от 10 до 100 м (f = 30— 3 МГц). Волны KB диапазона распространяются земной волной на расстояние не более 100 км вследствие сильного поглощения в земной поверхности и плохих условий дифракции.

Схема распространения KB на большие расстояния

Рис. 5 Схема распространения KB на большие расстояния.

а — интерференция волн, отраженных однократно и двукратно от ионосферы,
1 — поверхностная волна;
2—волна, распространяющаяся путем одного отражения от ионосферы;
3 — волна, распространяющаяся путем двух отражений от ионосферы;
4 — волна, рабочая частота которой больше максимально допустимой;
б — интерференция рассеянных волн;
в—интерференция магниторасщепленных составляющих волн.
Распространение KB ионосферной волной происходит путем последовательного отражения от слоя F (иногда слоя Е) ионосферы и поверхности Земли. При этом волны проходят через нижнюю область ионосферы — слои Е и D, в которых претерпевают поглощение (рис. 5, а). Для осуществления радиосвязи на KB должны быть выполнены два условия: волны должны отражаться от ионосферы и напряженность электромагнитного поля в данном месте должна быть достаточной для приема, т. е. поглощение волны в слоях ионосферы не должно быть слишком большим. Эти два условия ограничивают диапазон применимых рабочих частот.

Для отражения волны необходимо, чтобы рабочая частота была не слишком высокой, а электронная плотность ионосферного слоя достаточной для отражения этой волны в соответствии с (3-44). Из этого условия выбирается максимальная применимая частота (МПЧ), являющаяся верхней границей рабочего диапазона.
Второе условие ограничивает рабочий диапазон снизу: чем ниже рабочая частота (в пределах коротковолнового диапазона), тем сильнее поглощение волны в ионосфере (см. рис. 5). Наименьшая применимая частота (НПЧ) определяется из условия, что при данной мощности передатчика напряженность электромагнитного поля должна быть достаточной для приема.
Электронная плотность ионосферы меняется в течение суток и в течение года. Значит, изменяются и границы рабочего диапазона, что приводит к необходимости изменения рабочей длины волны в течение суток:
— днем работают на волнах 10—25 м, а ночью на волнах 35—100 м.
Необходимость правильного выбора длины волны для сеансов связи в различное время усложняет конструкцию станции и работу оператора.
Зоной молчания KB называют кольцевую область, существующую на некотором расстоянии от передающей станции, в пределах которой невозможен прием радиоволн. Появление зоны молчания объясняется тем, что земная волна затухает и не достигает этой области, а для ионосферных волн, падающих под малыми углами на ионосферу, не выполняются условия отражения. Пределы зоны молчания (ВС) расширяются при укорочении длины волны и снижении электронной плотности.
Замирания в диапазоне KB более глубоки, чем в диапазоне СВ. Основной причиной замираний является интерференция лучей, распространяющихся путем одного и двух отражений от ионосферы. Помимо этого замирания вызываются рассеянием радиоволн на неоднородностях ионосферы и интерференцией рассеянных волн, а также интерференцией обыкновенной и необыкновенной составляющих магниторасщепленной волны.
При благоприятных условиях распространения KB могут огибать земной шар один и несколько раз. Тогда помимо основного сигнала может быть принят второй сигнал, запаздывающий примерно на 0,1 с и называемый радиоэхо. Радиоэхо оказывает мешающее действие, на линиях меридионального направления.
Радиосвязь на KB претерпевает нарушения, основной причиной которых являются ионосферно-магнитные бури. При этом слой F разрушается и отражение KB становится невозможным. Наиболее часто эти нарушения наблюдаются в приполярных районах и длятся от нескольких часов до двух суток. Второй вид нарушений — внезапные поглощения (наблюдаются только на освещенной части земного шара), которые длятся от нескольких минут до нескольких часов. Часто оба вида нарушений связи возникают одновременно.

Читайте также: