Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние атмосферы на распространение радиоволн

Содержание

• Вступление
• 1. Электрические параметры тропосферы. Понятие стандартной (нормальной) тропосферы
• 2. Рефракция радиоволн в тропосфере
• 3. Эквивалентный радиус Земли
• 4. Основные виды тропосферной рефракции
• 5. Затухание радиоволн в тропосфере
• Список литературы

Вступление

Атмосфера представляет собой газообразную оболочку Земли, простирающуюся до высот порядка 20.000 км и вращающуюся вместе с ней как единое целое. В состав атмосферы по объему входят: азот - примерно 78%, молекулярный кислород - 21%, аргон - 0,93%, углекислый газ - 0,03%, водород, метан и некоторые другие газы, содержащиеся в еще меньших количествах. Плотность атмосферы на данной высоте над уровнем моря, характеризующаяся числом молекул газов, содержащихся в смі воздуха, связана с атмосферным давлением соотношением:

,

где k - постоянная Больцмана, а T - постоянная температура.

В однородной по составу атмосфере давление с высотой изменяется по барометрической формуле:

,

где - давление у поверхности земли, M - молекулярный вес газа, g - ускорение силы тяжести у поверхности Земли, h - высота над поверхностью Земли, R - универсальная газовая постоянная.

Плотность атмосферы при постоянной температуре изменяется так же, как и давление, однако в действительности состав воздуха и температура меняются с высотой, что приводит к отклонению распределения давления и плотности атмосферы от значений, даваемых барометрической формулой.

При исследовании влияния атмосферы Земли на распространение радиоволн принято рассматривать три различающиеся по высоте области: тропосферу, стратосферу и ионосферу. Границы между этими областями выражены не резко, и зависят от географической широты места точки наблюдения, сезона и времени суток. Так, тропосфера простирается до высот порядка 15 км в районе экватора, 10-12 км в средних широтах и 8 км в приполярных районах. Стратосфера расположена выше тропосферы и достигает высоты 50-60 км. Выше стратосферы, вплоть до верхней границы атмосферы, располагается ионосфера.

1. Электрические параметры тропосферы. Понятие стандартной (нормальной) тропосферы

Особенности распространения радиоволн в атмосфере Земли определяются величиной и характером распределения и поведения в пространстве и во времени электрических параметров этой среды. В число таких параметров входят: относительная диэлектрическая е и магнитная µ проницаемости удельная электропроводность г. Гораздо чаще при изучении распространения радиоволн в атмосфере Земли используют один радиофизический параметр - коэффициент преломления n.

Прямые измерения и подсчеты показывают, что относительная диэлектрическая проницаемость тропосферы близка к единице, относительная магнитная проницаемость принимается равной единице, удельная электропроводность равна нулю, а полная плотность тока имеет две составляющие: смещения и поляризации.

Рассматривая тропосферу как изотропную среду, состоящую из смеси сухого воздуха и паров воды, можно выразить ее относительную диэлектрическую проницаемость в виде:

,

где - диэлектрическая восприимчивость среды, состоящая из двух слагаемых - диэлектрической восприимчивости сухого воздуха и диэлектрической восприимчивости паров воды. Первое слагаемое характеризует токи смещения, а второе - токи поляризации.

Поскольку механизмы поляризации молекул газа, не имеющих дипольного момента, и паров воды, имеющих дипольный момент под воздействием вектора напряженности электрического поля радиоволны, различны, то, основываясь на экспериментальных измерениях указанных диэлектрических восприимчивостей, выражение для относительной диэлектрической проницаемости тропосферы записывается в виде:

,

где p - атмосферное давление в Па, e - давление водяных паров в Па, T - абсолютная температура.

Учитывая то обстоятельство, что коэффициент преломления среды при отсутствии потерь и относительной магнитной проницаемости, равной единице, выражается в виде

,

выражение для n приобретает вид:

.

Как отсюда видно, коэффициент преломления очень мало отличается от единицы, поэтому для удобства вычислений вводят понятие приведенного коэффициента преломления или так называемый индекс рефракции N.

.

Индекс рефракции, измеряемый в N-единицах, так же как температура, давление и влажность изменяется с высотой. Для описания характера изменения индекса рефракции используют различные модели. Основным параметром этих моделей является зависимость среднего профиля индекса рефракции от высоты. Дополнительно принято рассматривать наличие отклонений от среднего, вызванных слоистыми неоднородностями и турбулентными флюктуациями среды. Поскольку метеорологические параметры весьма изменчивы, то при изучении распространения радиоволн в тропосфере принята модель, которая носит название нормальной тропосферы и соответствует среднему ее состоянию. В этой модели давление, равное 0.01 МПа у поверхности Земли, убывает с высотой на 12 кПа/км; температура у поверхности Земли T = 288 К убывает с высотой на 5.5 град/км; относительная влажность равна 60% и не меняется с высотой. Верхняя граница тропосферы при этом равна 11 км.

Для нормальной тропосферы средний профиль индекса рефракции аппроксимируют экспоненциальной зависимостью:

,

где - индекс рефракции у поверхности Земли (в зависимости от метеорологических условий может лежать в пределах 250-380 N-ед); a - показатель экспоненты, лежащий в интервале 0.1 - 0.14 км^-1.

Гораздо чаще при изучении распространения радиоволн у поверхности Земли используют более простую, линейную аппроксимацию зависимости индекса рефракции от высоты:

,

где - градиент индекса рефракции, равный для нормальной тропосферы - 0.04 N-ед/м.

Слоистые неоднородности, как отмечалось выше, представляют собой отклонения от среднего профиля N. Наиболее характерным примером таких неоднородностей представляют собой облака. Эти отклонения могут иметь толщину от нескольких метров до нескольких километров и протяженность от десятков и сотен километров. Интенсивность слоя (величина отклонения N от среднего значения на данной высоте) может изменяться в пределах 20 - 2 N-ед на высотах от 1-го и 4-5 километров соответственно. Слоистые неоднородности могут перемещаться в пространстве со скоростями от 2 до 30 м/с.

Флюктуации индекса рефракции, вызванные турбулентным движением воздуха, определяются средним квадратичным отклонением от среднего профиля - интенсивностью (или ) и масштабом турбулентности L. Эти характеристики описываются статически. Их величины лежат в диапазоне значений: , L = 0.01 - 500 м. Физика возникновения флюктуаций состоит в том, что в результате турбулентного движения воздуха в тропосфере постоянно образуются вихри различных размеров, которые последовательно разбиваются на более мелкие. Этот процесс продолжается до тех пор, пока в самых маленьких вихрях кинетическая энергия вращения не превратится в тепло за счет преодоления сил вязкости, и происходит во всей толще тропосферы непрерывно, что приводит к локальным отклонениям (флюктуациям) диэлектрической проницаемости (коэффициента преломления) от ее среднего значения. Таким образом, в каждый момент времени в тропосфере существуют области, показатель преломления в которых отличается от показателя преломлений в соседних областях. Эти области носят название неоднородностей, и на них происходит рассеяние энергии радиоволн в различных направлениях.

2. Рефракция радиоволн в тропосфере

Рассмотрим механизм возникновения рефракции и определим радиус возникновения и определим радиус возникновения радиоволны, полагая, что изменение электрических параметров тропосферы соответствует нормальной тропосфере (индекс рефракции уменьшается с высотой). Для этого разобьем условно все толщу тропосферы по высоте на бесконечно большое число сферических, концентричных земной поверхности слоев, таких, чтобы в пределах каждого диэлектрическая проницаемость могла рассматриваться как постоянная величина. Тогда в каждом слое траектория волны будет прямолинейной, а при переходе от слоя к слою происходит ее преломление. Причем поскольку волна (при распространении ее от поверхности Земли) переходит из оптически более плотной в оптически менее плотную среду (т.к. диэлектрическая проницаемость убывает с высотой), то отклонение траектории происходит в направлении границы раздела слоев. Если число слоев разбиения устремить к бесконечности, то траектория волны превращается в плавную кривую.

Уравнение траектории волны в сферически неоднородной среде в приближении геометрической оптики имеет вид:

,

где - коэффициент преломления на высоте h.

Если считать, что профиль индекса рефракции для приземного слоя тропосферы, как отмечалось выше, описывается линейной зависимостью, то траектория волны является примерно дуговой окружностью, радиус которой с определяется вертикальным градиентом индекса рефракции (диэлектрической проницаемости, коэффициента преломления):

.

В частном случае нормальной тропосферы радиус кривизны является величиной положительной, так как градиент индекса рефракции отрицателен и траектория распространения волны направлена выпуклостью вверх. Поскольку градиент N в нормальной тропосфере равен - 0.04 N-ед/м, то м (25000 км).

3. Эквивалентный радиус Земли

Для учета влияния атмосферной рефракции на величину напряженности поля при распространении радиоволн вблизи поверхности Земли оказывается удобным ввести понятие эквивалентного радиуса Земли.

Это понятие вводится исходя из предположения, что распространение радиоволн происходит в одной тропосфере по прямолинейным траекториям с постоянной скоростью, но над сферической поверхностью большего радиуса, так, чтобы относительная высота траектории над поверхностью оставалась постоянной.

Выражение для эквивалентного радиуса Земли, полученное с использованием рассмотренного подхода, имеет вид:

,

где - эквивалентный радиус Земли; a = 6370 км - истинный радиус Земли.

Замена истинного радиуса Земли на эквивалентный позволяет использовать в реальных условиях все соотношения для расчета напряженности поля либо множителя ослабления, полученные ранее в предположении однородной тропосферы. В частности, выражение для определения расстояния прямой видимости, которое является базовым для многих расчетных формул, принимает вид:

.

При условии внесистемных единиц для условий нормальной тропосферной рефракции, при которой эквивалентный радиус Земли равен 8500 км,

.

Если сравнить эти выражения, то окажется, что нормальная тропосферная рефракция увеличивает дальность прямой видимости на 15%.

4. Основные виды тропосферной рефракции

Под влиянием различных метеорологических условий в реальной тропосфере профиль индекса рефракции может значительно отличаться от стандартного профиля. В связи с этим принято рассматривать несколько типичных видов тропосферной рефракции, которые классифицируются по величине и знаку градиента индекса рефракции (диэлектрической проницаемости, коэффициента преломления):

- при рефракция называется отрицательной, или субрефракцией, радиус кривизны траектории волны с отрицателен, траектория направлена выпуклостью вниз, эквивалентный радиус Земли меньше истинного радиуса;

- при рефракция отсутствует, с стремится к бесконечности, траектория волны прямолинейна, эквивалентный радиус равен истинному радиусу;

- при , рефракция называется положительной, радиус кривизны траектории волны с положителен, траектория направлена выпуклостью вверх.

Положительная рефракция, в свою очередь, подразделяется на:

- пониженную, когда -0.04 N-ед/м , эквивалентный радиус больше истинного, но меньше 8500 км;

- нормальную, когда = - 0.04 N-ед/м, эквивалентный радиус Земли км;

- повышенную, когда -0.157 N-ед/м < < -0.04 N-ед/м, эквивалентный радиус Земли больше 8500 км;

- критическую, когда = -0.157 N-ед/м, при этом радиус траектории волны равен истинному радиусу Земли, эквивалентный радиус равен бесконечности;

- сверхрефракцию, когда < -0.157 N-ед/м, при этом радиус траектории волны меньше радиуса Земли, эквивалентный радиус отрицателен.

При отрицательной рефракции (субрефракции) радиоволна удаляется от поверхности Земли, при этом дальность действия наземных радиотехнических систем уменьшается. Возникновение отрицательной рефракции чаще всего связано с появлением туманов на трассе распространения радиоволн.

При положительной (пониженной, нормальной, повышенной) рефракции траектория волны приближается к поверхности Земли, дальность действия наземных радиотехнических систем увеличивается. Подобные виды рефракции чаще всего присутствуют в тропосфере.

Критическая рефракция характеризуется тем, что радиоволны распространяются параллельно поверхности Земли на сколь угодно большие расстояния (если не рассматривать влияние других факторов). Условия возникновения критической рефракции и тем более их существование на всей трассе встречается крайне редко, и данный вид рефракции практического значения не имеет.

Сверхрефракция характеризуется тем, что практически вся энергия электромагнитной волны сосредотачивается в слое тропосферы, концентричном относительно земной поверхности, поэтому распространение радиоволн при сверхрефракции принято называть волноводным распространением. Волноводное распространение радиоволн возникает чаще всего над обширными акваториями морей и океанов из-за резкого изменения влажности по мере увеличения высоты либо из-за переноса теплых воздушных масс суши на море, а также над сушей при температурных инверсиях, которые появляются после захода солнца за счет резкого охлаждения земной поверхности. Физика этого явления заключается в том, что при быстром падении индекса рефракции на некоторой высоте над земной поверхностью создаются условия, при которых происходит полное внутреннее отражение электромагнитной энергии и радиоволна возвращается обратно к поверхности с последующим отражением от нее. Многократное повторение этих процессов приводит к сверхдальнему распространению радиоволн, что может иметь как положительное (увеличение дальности действия радиотехнических систем), так и отрицательное (взаимные помехи в радиосистемах, работающих на одинаковых или близких радиочастотах) значение.

радиоволна атмосфера тропосфера рефракция

5. Затухание радиоволн в тропосфере

Наличие в тропосфере Земли молекул воздуха, паров воды, гидрометеоров (туман, дождь, град, снег), а также частиц пыли, поднятой с поверхности, вызывает ослабление уровня сигнала в процессе распространения радиоволн. Принято рассматривать два механизма ослабления - поглощение и рассеяние. При поглощении энергия электромагнитной волны преобразуется в тепловую энергию, а при рассеянии - перераспределяется в пространстве в направлениях, отличных от заданного. Ослабление в тропосфере имеет заметную величину лишь в диапазонах сантиметровых, миллиметровых и оптических волн.

Наибольшее затухание радиоволны испытывают в дождях и туманах. Это связано с тем, что поле радиоволны вызывает в каждой капле появление тока поляризации, который, во-первых, приводит к тепловым потерям энергии и, во-вторых, является источником вторичного рассеянного излучения. Затухание зависит от длины волны электромагнитного излучения и интенсивности осадков. Так, укорочение длины волны и увеличение интенсивности дождя приводит к увеличению затухания.

В диапазонах миллиметровых и оптических радиоволн появляется дополнительное поглощение, связанное с механизмом резонансного взаимодействия радиоволн с молекулами воды и кислорода на частотах, близких к частотам их собственных колебаний. При данном механизме поглощения энергии волны вызывает изменение энергетического состояния молекул и атомов. Этот эффект носит селективный (избирательный) характер. Строго говоря, поглощение в газах может носить и нерезонансный характер, связанный с преодолением сил «трения» молекул, обладающих электрическим и магнитным моментами и совершающих вынужденные колебательные движения под действием поля волны.

Величину множителя ослабления радиоволн в тропосфере можно представить в виде:

,

где E - напряженность поля в реальных условиях; - напряженность поля в свободном пространстве; a(r) - множитель ослабления на единицу длины в каждой точке траектории волны; r - путь, пройденный волной в тропосфере.

Множитель ослабления a(r) представляет собой суперпозицию двух величин: множителя ослабления в газах и множителя ослабления в гидрометеорах:

.

Отсюда можно выразить следующее:

,

где , - погонное ослабление в парах воды и кислороде соответственно; , - эффективные длины пути радиоволны в парах воды и кислороде соответственно.

Множитель ослабления в гидрометеорах:

,

где - погонное ослабление в дожде; - эффективный путь радиоволны в дожде.

Очевидно, что эффективные длины путей зависят от истинных длин угла наклона траектории радиоволны по отношению к плоскости горизонта.

Список литературы

1. Л.Я. Родос «Электродинамика и распространение радиоволн». Учебно-методический комплекс, учебное пособие. Санкт-Петербург, из-во СЗТУ, 2007 г.

2. http://www.rfcmd.ru/ - АНО «Радиочастотный центр МО»

3. http://rrl.newmail.ru/lek/contents.htm - «Радиорелейные и спутниковые системы передачи»

Размещено на Allbest.ru