Физический энциклопедический словарь - общие закономерности р. р.

Амплитуда волны убывает с расстоянием по закону А =(A0/r)ехр(-(/c)r) ,

а фаза волны по закону =t-(/c)n,

где  — показатель поглощения, n — преломления показатель; n и  зависят от диэлектрической проницаемости  среды, её проводимости о и частоты волн :

Фазовая скорость vф=c/n, коэфф. поглощения =(/c). Среда ведёт себя

как диэлектрик, если (4/)²<<1,

и как проводник при (4p/)²>>1.

В первом случае n, поглощение

мало, во втором n(2/).

В среде  и  явл. функциями частоты  (см. Дисперсия волн). Вид частотной зависимости  и  определяется структурой среды. Дисперсия радиоволн особенно существенна в тех случаях, когда частота волны близка к характерным собств. частотам среды (напр., при Р. р. в ионосферной и косм. плазме, см. ниже).

При Р. р. в средах, не содержащих свободных эл-нов (тропосфера, толща Земли), происходит смещение связанных эл-нов в атомах и молекулах среды в сторону, противоположную

полю волны E, при этом n>1, vф<c

(радиосигнал, несущий энергию, распространяется с групповой скоростью vгр<с). В плазме поле волны вызывает смещение свободных эл-нов в направлении E, при этом n<1 и vф>с.

В однородных средах радиоволны распространяются прямолинейно, подобно световым лучам. Процесс Р. р. в этом случае подчиняется законам геометрической оптики. Однако реальные среды неоднородны. В них n, а следовательно, и vф различны в разных участках среды, что приводит к искривлению траектории радиоволны. Происходит рефракция (преломление) радиоволн. В случае плавных (в масштабе ) неоднородностей справедливо приближение геом. оптики. Если n зависит от одной координаты, напр. высоты h (плоскослоистая среда), то при прохождении

волны через каждый плоский слой выполняется Снелля закон преломления: луч, падающий на неоднородную среду в точке с n0=1 под углом 0, в пространстве искривляется так, что в произвольной точке среды h соблюдается соотношение:

n(h)sin(h)=sin0. (2)

Если n убывает при увеличении h, то в результате рефракции луч, по

мере распространения, отклоняется от вертикали и на некоторой высоте hm становится параллельным горизонтальной плоскости, а затем распространяется вниз (рис. 1, а). Макс. высота hm, на к-рую луч может углубиться в неоднородную плоскослоистую среду, зависит от угла падения 0 и определяется из условия:

n(hm)=sin0. (3)

В область h>hm лучи не проникают, и, согласно приближению геом. оптики, волновое поле в этой области должно быть равно 0. В действительности вблизи плоскости h=hm волновое поле возрастает, а при h>hт убывает экспоненциально (рис. 1, б). Нарушение законов геом. оптики при Р. р. связано с дифракцией волн, вследствие к-рой радиоволны могут проникать в область геом. тени. На границе области геом. тени образуется сложное распределение волновых полей. Дифракция радиоволн возникает при наличии на их пути препятствий (непрозрачных или полупрозрачных тел). Дифракция особенно существенна в тех случаях, когда размеры препятствий сравнимы с .

Если Р. р. происходит вблизи резкой границы (в масштабе X) между двумя средами с разл. электрич. свойствами (напр., атмосфера &mdash; поверхность Земли или тропосфера — нижняя граница ионосферы для достаточно длинных волн), то при падении радиоволн на резкую границу образуются отражённая и преломлённая (прошедшая) радиоволны. Если отражение происходит от границы проводящей среды (напр., от поверхностного слоя Земли), то глубина проникновения в него определяется толщиной скин-слоя (см. Скин-эффект).

В неоднородных средах возможно , волноводное Р. р., при к-ром происходит локализация потока энергии между определёнными поверхностями, за счёт чего волновые поля между ними убывают с расстоянием медленнее, чем в однородной среде (атмосферный волновод). В средах с плавными неоднородностями локализация связана с рефракцией, а в случае резких границ — с отражением.

В среде, содержащей случайные локальные неоднородности, вторичные волны излучаются беспорядочно в

Рис. 1. а — рефракция радиоволн в плоскослоистой среде; б — зависимость квадрата амплитуды напряжённости электрич. поля радиоволны от высоты h.

616

разл. направлениях. Рассеянные волны частично уносят энергию исходной волны, что приводит к её ослаблению. При рассеянии на неоднородностях размером l<< (т. н. рассеяние Рэлея; см. Рэлея закон) рассеянные волны распространяются почти изотропно. В случае рассеяния на крупномасштабных прозрачных неоднородностях рассеянные волны распространяются в направлениях, близких к исходной волне. При l возникает сильное резонансное рассеяние.

Влияние поверхности Земли на Р. р. зависит от расположения относительно неё передатчика и приёмника. Р. р.— процесс, захватывающий большую область пространства, но наиболее существенную роль в Р. р.

Рис. 2. Эллипсоидальная область пространства, существенная при распространении радиоволн (радиотрасса); А — излучатель; В — приёмник.

играет область, ограниченная поверхностью, имеющей форму эллипсоида вращения, в фокусах к-рого А и В на расстоянии r расположены передатчик и приёмник (радиотрасса, рис.2). Большая ось эллипсоида равна r+(/4), а малая ось ~(r/2). Ширина трассы уменьшается с убыванием . Если высоты z1 и z2, на к-рых расположены антенны передатчика и приёмника над поверхностью Земли, велики по сравнению с , то эллипсоид не касается поверхности Земли, и она не влияет на Р. р. (рис. 2, а). При понижении обеих или одной из конечных точек радиотрассы эллипсоид коснётся поверхности Земли (рис. 2, б). Отражение радиоволн от земной поверхности близко к зеркальному, если на ней внутри эллипсоида уложится неск. первых зон Френеля, а проводимость  почвы достаточно высока. При этом радиоволна в точке приёма определяется интерференцией прямой и отражённой волн (см. Интерференция волн). Интерференц. максимумы и минимумы обусловливают лепестковую структуру поля в зоне приёма, к-рая характерна для метровых и более коротких радиоволн. Если (z1/)<1 и (z2/)>1, то радиотрасса выделяет участок поверхности Земли,

ограниченный эллипсом с осями r+(/4)

и (r/2). Качество радиосвязи в этом случае определяется проводимостью а почвы именно в этой области, причём особенно большую роль играют оба конечных участка радиотрассы. Почвы, образующие поверхностный

слои земной коры, а также воды морей и океанов обладают значит. электропроводностью. Напр., для осадочных пород в поверхностном слое земной коры ~10⁷—10⁸ См. Но т. к. n и  — функции частоты , то для сантиметровых волн все виды земной поверхности имеют свойства диэлектрика. Для метровых и более длинных волн Земля обычно проводник, в к-рый волны проникают на глубину

скин-слоя толщиной d=(1/2)(c0/)

(0 — длина волны в вакууме). Поэтому для подземной и подводной радиосвязи используются в основном длинные и сверхдлинные волны.

Выпуклость земной поверхности ограничивает расстояние, на к-ром из

Pис. 3. Дальность прямой видимости r ограничена выпуклостью земной поверхности; R0 — радиус Земли, z1 и z2 — высоты передающей A и приёмной В антенн.

точки приёма В «виден» передатчик А (область «прямой видимости», рис. 3). Однако радиоволны могут проникать в область тени на большее расстояние

~³R²0 (R0 — радиус Земли), огибая Землю, в результате дифракции. Практически в эту область за счёт дифракции могут проникать только километровые и более длинные волны (рис. 4). За горизонтом поле растёт

Рис. 4. График, иллюстрирующий связь дальности r распространения от величины W= 20lg|E/E*|, где Е — напряжённость поля радиоволны в реальных условиях распространения с учётом огибания выпуклости земной поверхности (излучатель расположен на поверхности Земли), Е* — напряжённость поля без учёта дифракции, для разных частот.

с увеличением высоты z1, на к-рую поднят излучатель, и быстро (почти экспоненциально) уменьшается при удалении от него.

Влияние рельефа земной поверхности на Р. р. зависит от высоты неровностей h, их горизонтальной протяжённости I,  и угла  падения волны на поверхность. Если неровности достаточно малы и пологи, так что khcos<1 (k — волновое число) и выполняется т. н. критерий Рэлея: k²l²cos<1, то они слабо влияют на Р. р. Влияние неровностей зависит также от поляризации волн. Напр., для горизонтально поляризованных

волн оно меньше, чем для волн, поляризованных вертикально. Когда неровности не малы и не пологи, энергия радиоволны может рассеиваться (радиоволна отражается от них). Высокие горы и холмы с h>, «возмущают» волновое поле, образуя затенённые области. Дифракция радиоволн на горных хребтах иногда приводит к усилению волны из-за интерференции прямых и отражённых волн. Вершина горы служит естеств. ретранслятором. Это существенно при распространении метровых радиоволн в гористой местности (рис. 5).

Фазовая скорость радиоволн, распространяющихся вдоль земной поверхности (земных волн) вблизи излучателя, зависит от её электрич.

Рис. 5. Траектории радиоволн при дифракции на непологих неровностях.

свойств. Однако на расстоянии в неск. , от излучателя vфc. Если радиоволны распространяются над электрич. неоднородной поверхностью, напр. сначала над сушей, а затем над морем, то при пересечении береговой линии резко изменяется амплитуда и направление Р. р. (береговая рефракция, рис. 6).

Рис. 6. Изменение напряжённости электрич. поля волны при пересечении береговой линии.

Р. р. в тропосфере. Тропосфера -область атмосферы между поверхностью Земли и т. н. тропопаузой (рис. 7), в к-рой темп-ра воздуха обычно убывает с высотой h. Высота тропопаузы на земном шаре не одинакова, она больше над экватором, чем над полюсами, а в средних широтах, где существует система сильных западных ветров, меняется скачкообразно. Тропосфера состоит из смеси газов и паров воды; её проводимость для радиоволн с  > неск. см пренебрежимо мала.

617

Рис. 7. Зависимость темп-ры Т воздуха и концентрации N эл-нов от высоты h.

Тропосфера обладает свойствами, близкими к вакууму, т. к. у поверхности Земли n==1,0003 и vф лишь немного меньше с. С увеличением высоты плотность воздуха надает, а поэтому  и n уменьшаются, ещё более приближаясь к 1. Это приводит к отклонению траекторий радиолучей к Земле (рис. 1, а). Такая т. н. нормальная тропосферная рефракция способствует Р. р. за пределы прямой видимости, т. к. за счёт рефракции волны могут огибать выпуклость Земли. Практически этот эффект может играть роль только для УКВ. Для более длинных волн преобладает огибание выпуклости Земли за счёт дифракции.

Метеорологич. условия могут ослаблять или усиливать рефракцию по сравнению с нормальной, т. к. плотность воздуха зависит от давления, темп-ры и влажности. Обычно в тропосфере давление газов и темп-ра с высотой уменьшаются, а давление водяного пара увеличивается. Однако при нек-рых метеорологич. условиях (напр., при движении нагретого над сушей воздуха над морем) темп-ра воздуха с высотой увеличивается (и н в е р с и я т е м п р ы). Особенно велики отклонения летом на высоте 2—3 км, когда часто образуются температурные инверсии и облачные слои. При этом преломление радиоволн в тропосфере может стать столь сильным, что вышедшая под небольшим углом к горизонту радиоволна на нек-рой высоте изменит направление и вернётся обратно к Земле. В пространстве, ограниченном снизу земной поверхностью, а сверху — рефрагирующим слоем тропосферы, волна может распространяться на очень большие расстояния (в о л н о в о д н о е р а с п р о с т р а н е н и е).

В тропосферных волноводах, как правило, могут распространяться волны с <1 м (рис. 8).

Поглощение радиоволн в тропосфере пренебрежимо мало для всех радиоволн вплоть до сантиметрового диапазона. Поглощение сантиметровых и более коротких волн резко увеличивается, когда частота волны  совпадает с одной из собств. частот колебаний молекул воздуха (резонансное поглощение). Молекулы получают от приходящей волны энергию, к-рая превращается в теплоту и только частично передаётся вторичным волнам. Известен ряд линий резонансного поглощения в тропосфере: =1,35 см, 1,5 см, 0,75 см (поглощение в парах воды) и =0,5 см,

Рис. 8. Траектории УКВ в тропосферном волноводе.

0,25 см (поглощение в кислороде). Между резонансными линиями лежат области более слабого поглощения (о к н а п р о з р а ч н о с т и).

Ослабление радиоволн может быть также вызвано рассеянием на неоднородностях, возникающих при турбулентном движении воздушных масс (см. Турбулентность). Рассеяние резко увеличивается, когда в воздухе

Рис. 9. Рассеяние радиоволн на мелкомасштабных неоднородностях.

присутствуют капельные неоднородности в виде дождя, снега, тумана. Почти изотропное рассеяние Рэлея на мелкомасштабных неоднородностях делает возможной радиосвязь на расстояниях, значительно превышающих прямую видимость (рис. 9). Т. о., тропосфера существенно влияет на распространение УКВ. Для декаметровых и более длинных волн тропосфера практически прозрачна и на их распространение влияет земная поверхность и более высокие слои атмосферы.

Р. р. в ионосфере. Ионосферу образуют верхние слои земной атмосферы, в к-рой газы частично (до 1%) ионизированы под влиянием УФ, рентгеновского и корпускулярного солнечного излучения. Ионосфера электрически нейтральна, она содержит равное количество положит. и отрицат. ч-ц, т. е. является плазмой. Достаточно большая ионизация, оказывающая влияние на Р. р., начинается на высоте 60 км (слой D), увеличивается до высоты 300—400 км, образуя слои E, F1, F2, и затем медленно убывает (рис. 7). В гл. максимуме концентрация эл-нов N достигает 10⁶ см^-3. Зависимость N от высоты меняется со временем суток, года, с солнечной активностью, а также с широтой и долготой. Ионизированный слой между 200 и 400 км состоит в основном из равного количества ионов O⁺ и эл-нов. Эти ч-цы погружены в нейтральный газ с концентрацией 10⁸ см^-3, состоящий в основном из ч-ц О2, О, N2 и Не.

В многокомпонентной плазме, содержащей эл-ны, ионы и нейтральные молекулы и пронизанной магн. полем Земли (см. Земной магнетизм), могут возникать разл. виды собств. колебаний, имеющих разные частоты. Напр., плазменные (ленгмюровские)

частоты эл-нов 0=(4Ne²/m) и ионов 0=(4Ne²/M), гиромагнитные

частоты эл-нов H=eH0/mc и ионов H =eH0/Mc, где m, М — массы эл-на

и иона, е — их заряд, N — концентрация, Н0 — напряжённость магн. поля Земли. Т. к. М>>m, то 0>>0, H>>H. Напр., для эл-нов H/2= 1,4 МГц, а для ионов атомарного кислорода H/2=54 Гц.

В зависимости от частоты  радиоволны осн. роль в Р. р. играют те или др. виды собств. колебаний, поэтому электрич. свойства ионосферы различны для разных участков радиодиапазона. При высоких  ионы не успевают следовать за изменениями поля, и в Р. р. принимают участие только эл-ны. Вынужденные колебания свободных эл-нов ионосферы происходят в противофазе с действующей силой и вызывают поляризацию плазмы в сторону, противоположную электрич. полю волны Е. Поэтому диэлектрич. проницаемость ионосферы <1. Она уменьшается с уменьшением частоты: =1-²0/². Учёт соударений эл-нов с атомами и ионами даёт более точные формулы для  и 

ионосферы: =1-²0/(²+v²); =²0v/4(²+²). Здесь  эффективная частота соударений. Для декаметровых и более коротких волн в большей части ионосферы ²>>v² и показатели преломления n и поглощения к приближённо равны: n(1-²0/²), 2/. Т. к. n<1,

то фазовая скорость Р. р. vф=c/n>с,

групповая скорость vгр=cn<с.

Поглощение в ионосфере пропорционально v, т. к. чем больше число столкновений, тем большая часть энергии, получаемой эл-ном из волны, переходит в тепло. Поэтому поглощение больше в нижних областях ионосферы (слой D), где v больше, т. к. выше плотность газа. С увеличением частоты поглощение уменьшается. Короткие волны испытывают слабое поглощение и могут распространяться на большие расстояния.

Рефракция радиоволн в ионосфере. В ионосфере могут распространяться

618

только радиоволны с частотой >0. При <0 n становится чисто мнимым и эл.-магн. поле экспоненциально убывает в глубь плазмы. Радиоволна с частотой , падающая на ионосферу вертикально, отражается от уровня, на к-ром =0 и n=0. В нижней части ионосферы электронная концентрация и 0 увеличиваются с высотой, поэтому с увеличением и посланная с Земли волна всё глубже проникает в ионосферу. Макс. частота радиоволны, к-рая отражается от слоя ионосферы при вертикальном падении, наз. к р и т и ч. ч а с т о т о й с л о я: кр=0макс=(4e²Nмакс/m). Критич. частота

слоя F2 (гл. максимума) изменяется в течение суток и года в широких пределах (от 3—5 до 10 МГц). Для волн с >кр (F2) показатель преломления не обращается в ноль и падающая вертикально волна проходит через ионосферу, не отражаясь.

Рис. 10. Схематич. изображение радиолучей определённой частоты при разл. углах падения на ионосферу.

При наклонном падении волны на ионосферу происходит рефракция, как в тропосфере. В нижней части ионосферы vф увеличивается с высотой (вместе с увеличением N). Поэтому траектория луча отклоняется по направлению к Земле (рис. 10). Радиоволна, падающая на ионосферу под углом 0, поворачивает к Земле на высоте h, для к-рой выполнено условие (3). Макс. частота волны, отражающейся от ионосферы при падении под углом 0 (т. е. для данной дальности трассы), равна: мпч=крseс0>кр и наз. макс. применимой частотой (МПЧ). Волны с <мпч, отражаясь от ионосферы, возвращаются на Землю, что используется для дальней радиосвязи. Вследствие сферичности Земли величина угла 0 ограничена и дальность связи при однократном отражении от ионосферы 3500—4000км. Связь на большие расстояния осуществляется за счёт неск. последоват. отражений от ионосферы и Земли «скачков» (рис. 11, а). Возможны и более сложные, волноводные траектории, возникающие за счёт горизонтального градиента N или рассеяния на неоднородностях ионосферы при Р. р. с частотой >мпч. В результате рассеяния угол падения луча на слой F2 оказывается больше, чем при обычном распространении.

Рис. 11. Распространение коротких волн между Землёй и ионосферой: а — многоскачковая траектория; б — скользящая траектория.

Луч испытывает ряд последоват. отражений от слоя F2, пока не попадёт в область с таким градиентом N, к-рый вызовет отражение части энергии назад к Земле (рис. 11, б).