«Распространение радиоволн»

процессы распространения электромагнитных волн радиодиапазона в атмосфере, космическом пространстве и толще Земли. Радиоволны, излучаемые передатчиком, прежде чем попасть в приёмник, проходят путь, который может быть сложным. Радиоволны могут достигать пункта приёма, распространяясь по прямолинейным траекториям, огибая выпуклую поверхность Земли, отражаясь от ионосферы, и т.д. Способы Р. р. существенно зависят от длины волны λ, от освещённости земной атмосферы Солнцем и от ряда др. факторов (см. ниже).

Прямые волны. В однородных средах радиоволны распространяются прямолинейно с постоянной скоростью, подобно световым лучам (радиолучи). Такое Р. р. называется свободным. Условия Р. р. в космическом пространстве при радиосвязи между наземной станцией и космическим объектом, между двумя космическими объектами, при радиоастрономических наблюдениях, при радиосвязи наземной станции с самолётом или между самолётами близки к свободному.

Волну, излученную антенной, на больших расстояниях от неё можно считать плоской (см. Излучение и приём радиоволн). Плотность потока электромагнитной энергии, пропорциональная квадрату напряжённости поля волны, убывает с увеличением расстояния r от источника обратно пропорционально r², что приводит к ограничению расстояния, на котором может быть принят сигнал передающей станции. Дальность действия радиостанции (при отсутствии поглощения) равна: P_c — мощность сигнала на входе приёмника, Р_ш — мощность шумов, G₁, G₂ — коэффициенты направленного действия передающей и приёмной антенн. Скорость Р. р. в свободном пространстве равна скорости света в вакууме: с = 300 000 км/сек.

При распространении волны в материальной среде (например, в земной атмосфере, в толще Земли, в морской воде и т.п.) происходят изменение её фазовой скорости и поглощение энергии. Это объясняется возбуждением колебаний электронов и ионов в атомах и молекулах среды под действием электрического поля волны и переизлучением ими вторичных волн. Если напряжённость поля волны мала по сравнению с напряжённостью поля, действующего на электрон в атоме, то колебания электрона под действием поля волны происходят по гармоническому закону с частотой пришедшей волны. Поэтому электроны излучают радиоволны той же частоты, но с разными амплитудами и фазами. Сдвиг фаз между первичной и переизлучённой волнами приводит к изменению фазовой скорости. Потери энергии при взаимодействии волны с атомами являются причиной поглощения радиоволн. Поглощение и изменение фазовой скорости в среде характеризуются показателем поглощения χ и показателем преломления n, которые, в свою очередь, зависят от диэлектрической проницаемости ε и проводимости σ среды, а также от длины волны λ:

Коэффициент поглощения β = 2πχ/λ, фазовая скорость υ=c/n. В этом случае r_д определяется не только характеристиками передатчика, приёмника и длиной волны, но и свойствами среды (ε, σ). В земных условиях Р. р. обычно отличается от свободного. На Р. р. оказывают влияние поверхность Земли, земная атмосфера, структура ионосферы и т.д. Влияние тех или иных факторов зависит от длины волны.

Влияние поверхности Земли на распространение радиоволн зависит от расположения радиотрассы относительно её поверхности.

Р. р. — пространственный процесс, захватывающий большую область. Но наиболее существенную роль в этом процессе играет часть пространства, ограниченная поверхностью, имеющей форму эллипсоида вращения, в фокусах которого А и В расположены передатчик и приёмник (рис. 1). Большая ось эллипсоида практически равна расстоянию R между передатчиком и приёмником, а малая ось Распространение радиоволн Чем меньше λ, тем уже эллипсоид, в оптическом диапазоне он вырождается в прямую линию (световой луч). Если высоты Z₁ и Z₂, на которых расположены антенны передатчика и приёмника относительно поверхности Земли, велики по сравнению с λ, то эллипсоид не касается поверхности Земли (рис. 1, а). Поверхность Земли не оказывает в этом случае влияния на Р. р. (свободное распространение). При понижении обеих или одной из конечных точек радиотрассы эллипсоид коснётся поверхности Земли (рис. 1, б) и на прямую волну, идущую от передатчика к приёмнику, належится поле отражённой волны. Если при Z₁ >> λ и Z₂ >> λ, то это поле можно рассматривать как луч, отражённый земной поверхностью по законам геометрической оптики. Поле в точке приёма определяется интерференцией прямого и отражённого лучей. Интерференционные максимумы и минимумы обусловливают лепестковую структуру поля (рис. 2). Условие Z₁ и Z₂ >> λ практически может выполняться только для метровых и более коротких волн, поэтому лепестковая структура поля характерна для ультракоротких волн (УКВ).

При увеличении λ существенная область расширяется и пересекает поверхность Земли. В этом случае уже нельзя представлять волновое поле как результат интерференции прямой и отражённой волн. Влияние Земли на Р. р. в этом случае обусловлено несколькими факторами: земля обладает значительной электропроводностью, поэтому Р. р. вдоль поверхности Земли приводит к тепловым потерям и ослаблению волны. Потери энергии в земле увеличиваются с уменьшением λ.

Помимо ослабления, происходит также изменение структуры поля волны. Если антенна у поверхности Земли излучает поперечную линейно-поляризованную волну (см. Поляризация волн),у которой напряжённость электрического поля Е перпендикулярна поверхности Земли, то на больших расстояниях от излучателя волна становится эллиптически поляризованной (рис. 3). Величина горизонтальной компоненты E_x значительно меньше вертикальной E_z и убывает с увеличением проводимости σ земной поверхности. Возникновение горизонтальной компоненты позволяет вести приём земных волн на т. н. земные антенны (2 проводника, расположенные на поверхности Земли или на небольшой высоте). Если антенна излучает горизонтально-поляризованную волну (Е параллельно поверхности Земли), то поверхность Земли ослабляет поле тем больше, чем больше σ, и создаёт вертикальную составляющую. Уже на небольших расстояниях от горизонтального излучателя вертикальная компонента поля становится больше горизонтальной. При распространении вдоль Земли фазовая скорость земных волн меняется с расстоянием, однако уже на расстоянии Распространение радиоволн нескольких λ от излучателя она становится равной скорости света, независимо от электрических свойств почвы.

Выпуклость Земли является своеобразным «препятствием» на пути радиоволн, которые, дифрагируя, огибают Землю и проникают в «область тени». Т. к. дифракция волн заметно проявляется тогда, когда размеры препятствия соизмеримы или меньше λ, а размер выпуклости Земли можно охарактеризовать высотой шарового сегмента h (рис. 4), отсекаемого плоскостью, которая проходит через хорду, соединяющую точки расположения приёмника и передатчика (см. табл.), то условие hрис. 5).

Высота шарового сегмента hдля различных расстояний между передатчиком и приёмником

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

| Расстояние,  | 1     | 5      | 10         | 50    | 100       | 500       | 1000      | 5000  |

| км  |        | |       |        |       |       |       |  |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| h, м       | 0,03 | 0,78        | 3,1        | 78    | 310       | 7800      | 3,1×10⁴  | 3,75×10⁴  |

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Земная поверхность неоднородна, наиболее существенное влияние на Р. р. оказывают электрические свойства участков трассы, примыкающих к передатчику и приёмнику. Если радиотрасса пересекает линию берега, т. е. проходит над сушей, а затем над морем (σ → ∞) , то при пересечении береговой линии резко изменится напряжённость поля (рис. 6), т. е. амплитуда и направление распространения волны (береговая рефракция). Однако береговая рефракция является местным возмущением поля радиоволны, уменьшающимся по мере удаления от береговой линии.

Рельеф земной поверхности также влияет на Р. р. Это влияние зависит от соотношения между высотой неровностей поверхности h, горизонтальной протяжённостью l, λ и углом падения θ волны на поверхность (рис. 7). Если выполняются условия:

4π²l²sin²θ/λ² ≤ 1; 2π

то неровности считаются малыми и пологими. В этом случае они мало влияют на Р. р. При увеличении θ условия (2) могут нарушаться. При этом энергия волны рассеивается, и напряжённость поля в направлении отражённого луча уменьшается (возникают диффузные отражения).

Высокие холмы, горы и т.п., кроме того, сильно «возмущают» поле, образуя затенённые области. Дифракция радиоволн на горных хребтах иногда приводит к усилению волны из-за интерференции прямых и отражённых от поверхности Земли волн (рис. 8).

Распространение радиоволн в тропосфере. Рефракция радиоволн. Земные радиоволны распространяются вдоль поверхности Земли в тропосфере (См. Тропосфера).Проводимость тропосферы σ для частот, соответствующих радиоволнам (за исключением миллиметровых волн), практически равна 0; диэлектрическая проницаемость ε и, следовательно, показатель преломления n являются функциями давления и температуры воздуха, а также давления водяного пара. У поверхности Земли n— 1,0003. Изменение ε и n с высотой зависит от метеорологических условий. Обычно ε и n уменьшаются, а фазовая скорость υ растет с высотой. Это приводит к искривлению радиолучей (рефракция радиоволн, рис. 9). Если в тропосфере под углом к горизонту распространяется волна, фронт которой совпадает с прямой ав (рис. 9), то вследствие того, что в верхних слоях тропосферы волна распространяется с большей скоростью, чем в нижних, верхняя часть фронта волны обгоняет нижнюю и фронт волны поворачивается (луч искривляется). Т. к. n с высотой убывает, то радиолучи отклоняются к Земле. Это явление, называется нормальной тропосферной рефракцией, способствует Р. р. за пределы прямой видимости, т.к. за счёт рефракции волны могут огибать выпуклость Земли. Однако практически этот эффект может играть роль только для УКВ, поскольку для более длинных волн преобладает огибание в результате дифракции. Метеорологические условия могут ослаблять или усиливать рефракцию по сравнению с нормальной.

Тропосферный волновод. При некоторых условиях (например, при движении нагретого воздуха с суши над поверхностью моря) температура воздуха с высотой не уменьшается, а увеличивается (инверсии температуры). При этом преломление в тропосфере может стать столь сильным, что вышедшая под небольшим углом к горизонту волна на некоторой высоте изменит направление на обратное и вернётся к Земле. В пространстве, ограниченном снизу Землёй, а сверху как бы отражающим слоем тропосферы, волна может распространяться на очень большие расстояния (волноводное распространение радиоволн). Так же как в металлических Радиоволноводах, в тропосферных волноводах могут распространяться волны, длина которых меньше критической (λ_кр — 0,085 d³/₂ , d —высота волновода в м, λ_крв см). Толщина слоев инверсии в тропосфере обычно не превышает Распространение радиоволн 50—100 м, поэтому волноводным способом могут распространяться только дециметровые, сантиметровые и более короткие волны.

Рассеяние на флуктуациях ε. Помимо регулярных изменений ε с высотой, в тропосфере существуют нерегулярные неоднородности (флуктуации) ε, возникающие в результате беспорядочного движения воздуха. На них происходит рассеяние радиоволн УКВ диапазона. Т. о., область пространства, ограниченная диаграммами направленности приёмной и передающей антенн и содержащая большое число неоднородностей ε, является рассеивающим объёмом. Рассеяние приводит к флуктуациям амплитуды и фазы радиоволны, а также к распространению УКВ на расстояния, значительно превышающие прямую видимость (рис. 10). При этом поле в точке приёма В образуется в результате интерференции рассеянных волн. Вследствие интерференции большого числа рассеянных волн возникают беспорядочные изменения амплитуды и фазы сигнала. Однако среднее значение амплитуды сигнала значительно превышает амплитуду, которая могла бы быть обусловлена нормальной тропосферной рефракцией.

Поглощение радиоволн. Тропосфера прозрачна для всех радиоволн вплоть до сантиметровых. Более короткие волны испытывают заметное ослабление в капельных образованиях (дождь, град, снег, туман), в парах воды и газах атмосферы. Ослабление обусловлено процессами поглощения и рассеяния. Каждая капля воды обладает значительной проводимостью и волна возбуждает в ней высокочастотные токи. Плотность токов пропорциональна частоте, поэтому значительные токи, а следовательно, и тепловые потери, возникают только при распространении сантиметровых и более коротких волн. Эти токи вызывают не только тепловые потери, но являются источниками вторичного рассеянного излучения, ослабляющего прямой сигнал. Плотность потока рассеянной энергии обратно пропорциональна λ⁴, если размер рассеивающей частицы dλ, и не зависит от λ, если d>> λ (см. Рассеяние света). Практически через область сильного дождя или тумана волны с λ 3смраспространяться не могут. Волны короче 1,5 см, помимо этого, испытывают резонансное поглощение в водяных парах (λ = 1,5 см; 1,35 см; 0,75 см; 0,5 см;0,25 см) и кислороде (λ = 0,5 см и 0,25 см). Энергия распространяющейся волны расходуется в этом случае на ионизацию или возбуждение атомов и молекул. Между резонансными линиями имеются области малого поглощения.

Распространение радиоволн в ионосфере. В ионосфере (См. Ионосфера)— многокомпонентной плазме (См. Плазма), находящейся в магнитном поле Земли, механизм Р. р. сложнее, чем в тропосфере. Под действием радиоволны в ионосфере могут возникать как вынужденные колебания электронов и ионов, так и различные виды коллективных собственных колебаний (плазменные колебания). В зависимости от частоты радиоволны ω основную роль играют те или другие из них и поэтому электрические свойства ионосферы различны для различных диапазонов радиоволн. При высокой частоте ω в Р. р. принимают участие только электроны, собственная частота колебаний которых (Ленгмюровская частота) равна:

где е — заряд, m — масса, N — концентрация электронов. Вынужденные колебания свободных электронов ионосферы, в отличие от электронов тропосферы, тесно связанных с атомами, отстают от электрического поля высокочастотной волны по фазе почти на 2π. Такое смещение электронов усиливает поле Е волны в ионосфере (рис. 11). Поэтому диэлектрическая проницаемость ε,равная отношению напряжённости внешнего поля к напряжённости поля внутри среды, оказывается для ионосферы 1 — ω²₀/ω². Учёт столкновений электронов с атомами и ионами даёт более точные формулы для ε и σ ионосферы:

где ν — число столкновений в секунду.

Для высоких частот, начиная с коротких волн, в большей части ионосферы справедливо соотношение: ω² >> ν² и показатели преломления n и поглощения χ равны:

С увеличением частоты χ уменьшается, а n растет, приближаясь к 1. Т. к. n1,фазовая скорость распространения волны с․n и в соответствии с относительности теорией (См. Относительности теория) меньше с.

Отражение радиоволн. Для волны, у которой ω <>₀n и υ становятся мнимыми величинами, это означает, что такая волна не может распространяться в ионосфере. Поскольку концентрация электронов N и плазменная частота ω₀ в ионосфере увеличиваются с высотой (рис. 12), то падающая волна, проникая в ионосферу, распространяется до такого уровня, при котором показатель преломления обращается в нуль. На этой высоте происходит полное отражение волны от слоя ионосферы. С увеличением частоты падающая волна всё глубже проникает в слой ионосферы. Максимальная частота волны, которая отражается от слоя ионосферы при вертикальном падении, называется критической частотой слоя:

Критическая частота слоя F₂ (главный максимум, рис. 12) изменяется в течение суток и от года к году приблизительно от 5 до 10 Мгц.Для волн с частотой ω > ω_кр n всюду > 0, т. е. волна проходит через слой, не отражаясь.

При наклонном падении волны на ионосферу максимальная частота волны, возвращающейся на Землю, оказывается выше ω_кр. Радиоволна, падающая на ионосферу под углом φ₀, испытывая рефракцию, поворачивается к Земле на той высоте, где φ(z) = π/2. Условие отражения при наклонном падении имеет вид: n(z) = sinφ₀. Частоты волн, отражающихся от данной высоты при наклонном и вертикальном падении, связаны соотношением: ω_накл = ω_верт secφ_0. Максимальная частота волны, отражающейся от ионосферы при данном угле падения, т. е. для данной длины трассы, называется максимальной применимой частотой (МПЧ).

Двойное лучепреломление. Существенное влияние на Р. р. оказывает магнитное поле Земли H₀= 0,5 э, пронизывающее ионосферу. В постоянном магнитном поле ионизированный газ становится анизотропной средой. Попадающая в ионосферу волна испытывает Двойное лучепреломление, т. е. расщепляется на 2 волны, отличающиеся скоростью и направлением распространения, поглощением и поляризацией. В магнитном поле H₀ на электрон, движущийся со скоростью υ, действует Лоренца сила, под действием которой электрон вращается с частотой

В простейшем случае, когда направление Р. р. перпендикулярно H₀ (Е лежит в одной плоскости с H₀), волну можно представить в виде суммы 2 волн с Е⊥ Н₀ и Е|| Н₀. Для первой волны (необыкновенной) характер движения электронов и, следовательно, n изменяются, для второй (обыкновенной) они остаются такими же, как и в отсутствии магнитного поля:

В случае произвольного направления Р. р. относительно магнитного поля Земли формулы более сложные: как n₁, так и n₂ зависят от ω_H. Поскольку отражение радиоволны происходит от слоя, где n=0, то обыкновенная и необыкновенная волны отражаются на разной высоте. Критические частоты для них также различны.

По мере Р. р. в ионосфере из-за различия в скорости накапливается сдвиг фаз между волнами, вследствие чего поляризация результирующей волны непрерывно изменяется. Линейная поляризация падающей волны в определённых условиях сохраняется, но плоскость поляризации при распространении поворачивается (см. Вращение плоскости поляризации). В общем случае поляризация обеих волн эллиптическая.

Рассеяние радиоволн. Помимо регулярной зависимости электронной концентрации N от высоты (рис. 12), в ионосфере постоянно происходят случайные изменения концентрации. Ионосферный слой содержит большое число неоднородных образований различного размера, которые находятся в постоянном движении и изменении, рассасываясь и возникая вновь. Вследствие этого в точку приёма, кроме основного отражённого сигнала, приходит множество рассеянных волн (рис. 13), сложение которых приводит к замираниям — хаотическим изменениям сигнала.

Существование неоднородных образований приводит к возможности рассеянного отражения радиоволн при частотах, значительно превышающих максимальные частоты отражения от регулярной ионосферы. Аналогично рассеянию на неоднородностях тропосферы это явление обусловливает дальнее Р. р. (метрового диапазона).

Характерные неоднородные образования возникают в ионосфере при вторжении в неё метеоритов (См. Метеориты). Испускаемые раскалённым метеоритом электроны ионизируют окружающую среду, образуя за летящим метеоритом след, диаметр которого вследствие молекулярной диффузии быстро возрастает. Ионизированные следы создаются в интервале высот 80—120 км, длительность их существования колеблется от 0,1 до 100 сек. Радиоволны зеркально отражаются от метеорного следа. Эффективность этого процесса зависит от массы метеорита.

Нелинейные эффекты. Для сигналов не очень большой мощности две радиоволны распространяются через одну и ту же область ионосферы независимо друг от друга (см. Суперпозиции принцип), ионосфера является линейной средой. Для мощных радиоволн, когда поле Е волны сравнимо с характерным «плазменным полем» E_p ионосферы, ε и σ начинают зависеть от напряжённости поля распространяющейся волны. Нарушается линейная связь между электрическим током и полем Е.

Нелинейность ионосферы может проявляться в виде перекрёстной модуляции 2 сигналов (Люксембург — Горьковский эффект (См. Люксембург-Горьковский эффект)) и в «самовоздействии» мощной волны, например в изменении глубины модуляции сигнала, отражённого от ионосферы.

Особенности распространения радиоволн различного диапазона в ионосфере. Начиная с УКВ волны, частота которых выше максимально применимой частоты (МПЧ), проходят через ионосферу. Волны, частота которых ниже МПЧ, отражаясь от ионосферы, возвращаются на Землю. Такие радиоволны называются ионосферными, используются для дальней радиосвязи на Земле. Диапазон ионосферных волн снизу по частоте ограничен поглощением. Поэтому связь при помощи ионосферных волн осуществляется в диапазоне коротких волн и в ночные часы (уменьшается поглощение) в диапазоне средних волн. Дальность Р. р. при одном отражении от ионосферы Распространение радиоволн 3500—4000 км, т.к. угол падения φ на ионосферу из-за выпуклости Земли ограничен: наиболее пологий луч касается поверхности Земли (рис. 14). Связь на большие расстояния осуществляется за счёт нескольких отражений от ионосферы (рис. 15).

Длинные и сверхдлинные волны практически не проникают в ионосферу, отражаясь от её нижней границы, которая является как бы стенкой сферического радиоволновода (второй стенкой волновода служит Земля). Волны, излучаемые антенной в некоторой точке Земли, огибают её по всем направлениям, сходятся на противоположной стороне. Сложение волн вызывает некоторое увеличение напряжённости поля в противолежащей точке (эффект антипода, рис. 16).

Радиоволны звуковых частот могут просачиваться через ионосферу вдоль силовых линий магнитного поля Земли. Распространяясь вдоль магнитной силовой линии, волна уходит на расстояние, равное нескольким земным радиусам, и затем возвращается в сопряжённую точку, расположенную в др. полушарии (рис. 17). Разряды молний в тропосфере являются источником таких волн. Распространяясь описанным способом, они создают на входе приёмника сигнал с характерным свистом (свистящие Атмосферики).

Для радиоволн инфразвуковых частот, частота которых меньше гироскопической частоты ионов, ионосфера ведёт себя как проводящая нейтральная жидкость, движение которой описывается уравнениями гидродинамики (См. Гидродинамика). Благодаря наличию магнитного поля Земли любое смещение проводящего вещества, создающее электрический ток, сопровождается возникновением сил Лоренца, изменяющих состояние движения. Взаимодействие между механическими и электромагнитными силами приводит к перемещению случайно возникшего движения в ионизированном газе вдоль магнитных силовых линий, т. е. к появлению магнито-гидродинамических (альфвеновских) волн, которые распространяются вдоль магнитных силовых линий со скоростью ⁴ м/сек (ρ — плотность ионизированного газа).

Космическая радиосвязь. Когда один из корреспондентов находится на Земле, диапазон длин волн, пригодных для связи с космическим объектом, определяется условиями прохождения через атмосферу Земли. Т. к. радиоволны, частота которых Мгц), не проходят через ионосферу, а волны с частотой > 6—10 Ггцпоглощаются в тропосфере, то волны от космического объекта могут приниматься на Земле при частотах от Распространение радиоволн 30 Мгц до 10 Ггц.Однако и в этом диапазоне атмосфера Земли не полностью прозрачна для радиоволн. Вращение плоскости поляризации при прохождении через ионосферу при приёме на обычную антенну приводит к потерям, которые уменьшаются с ростом частоты. Только при частотах > 3 Ггц ими можно пренебречь (рис. 18). Эти условия определяют диапазон радиоволн для дальней связи на УКВ при использовании спутников.

Для связи с объектами, находящимися на др. планетах, необходимо учитывать поглощение и в атмосфере этих планет. При осуществлении связи между 2 космическими кораблями, находящимися вне атмосферы планет, особенное значение приобретают миллиметровые и световые волны, обеспечивающие наибольшую ёмкость каналов связи (см. Оптическая связь). Сведения о процессах Р. р. в космическом пространстве даёт Радиоастрономия.

Подземная и подводная радиосвязь. Земная кора, а также воды морей и океанов обладают проводимостью и сильно поглощают радиоволны. Для осадочных пород в поверхностном слое земной коры σ — 10^—3—10^—2 ом^—1м^—1. В этих средах волна практически затухает на расстоянии ≤ λ. Кроме того, для сред с большой σ коэффициент поглощения увеличивается с ростом частоты. Поэтому для подземной радиосвязи используются в основном длинные и сверхдлинные волны. В подводной связи наряду со сверхдлинными волнами используют волны оптического диапазона.

В системах связи между подземными или подводными пунктами может быть использовано частичное распространение вдоль поверхности Земли или моря. Вертикально поляризованная волна, возбуждаемая подземной передающей антенной, распространяется до поверхности Земли, преломляется на границе раздела между Землёй и атмосферой, распространяется вдоль земной поверхности и затем принимается подземной приёмной антенной (рис. 19). Глубина погружения антенн достигает десятков м. Системы этого типа обеспечивают дальность до нескольких сотен км и применяются, например, для связи между подземными пунктами управления при запуске ракет. Системы др. типа используют подземные волноводы — слои земной коры, обладающие малой проводимостью и, следовательно, малыми потерями. К таким породам относятся Каменная соль,поташ и др. Эти породы залегают на глубинах до сотен м и обеспечивают дальность Р. р. до нескольких десятков км.Дальнейшим развитием этого направления является использование твёрдых горных пород (гранитов, гнейсов, базальтов и др.), расположенных на больших глубинах и имеющих малую проводимость (рис. 20). На глубине 3—7 кмσ может уменьшиться до 10^—11 ом^—1м^—1. При дальнейшем увеличении глубины благодаря возрастанию температуры создаётся ионизация (обращенная ионосфера) и проводимость увеличивается. Образуется подземный волновод толщиной в несколько км,в котором возможно Р. р. на расстоянии до нескольких тыс. км. Одна из основных проблем подземной и подводной связи — расчёт излучения и передачи энергии от антенн (См. Антенна),расположенных в проводящей среде.

Преимущество систем подземной связи состоит в их независимости от бурь, ураганов и искусственных разрушений на поверхности Земли. Кроме того, благодаря экранирующему действию верхних проводящих осадочных пород системы подземной связи обладают высокой помехозащищенностью от промышленных и атмосферных шумов.

Лит.: Фейнберг Е. Л., Распространение радиоволн вдоль земной поверхности, М., 1961; Альперт Я. Л., Распространение электромагнитных волн и ионосфера, М., 1972; Гуревич А. В., Шварцбург А. Б., Нелинейная теория распространения радиоволн в ионосфере, М., 1973; Бреховских Л. М., Волны в слоистых средах, 2 изд., М., 1973; Татарский В. И., Распространение волн в турбулентной атмосфере, М., 1967; Чернов Л. А., Распространение волн в среде со случайными неоднородностями, М., 1958; Гинзбург В. Л., Распространение электромагнитных волн в плазме, М., 1967; Макаров Г. И., Павлов В. А., Обзор работ, связанных с подземным распространением радиоволн. Проблемы дифракции и распространения радиоволн, Сб. 5, Л., 1966; Долуханов М. П., Распространение радиоволн, 4 изд., М., 1972; Гавелей Н. П., Никитин Л. М., Системы подземной радиосвязи, «Зарубежная радиоэлектроника», 1963, № 10; Габиллард [Р.], Дегок [П.], Уэйт [Дж.], Радиосвязь между подземными и подводными пунктами, там же, 1972, № 12; Ратклифф Дж. А., Магнито-ионная теория и ее приложения к ионосфере, пер. с англ., М., 1962.

М. Б. Виноградова, Т. А. Гайлит.

Рис. 1. Область, существенная при распространении радиоволн: А — передающая антенна; В — приёмная; Z₁ и Z₂ — их высоты над поверхностью Земли.

Рис. 2. Лепестковая структура поля в точке приёма.

Рис. 3. к ст. Распространение радиоволн.

Рис. 4. Высота шарового сегмента h, характеризующая выпуклость Земли.

Рис. 5. График изменения напряжённости поля с расстоянием r ( в км ). По вертикальной оси отложена величина множителя ослабления, который определяется отношением напряжённости поля в реальных условиях распространения к величине напряжённости поля при распространении в свободном пространстве.

Рис. 6. Изменение напряженности Е поля волны при пересечении береговой линии.

Рис. 7. к ст. Распространение радиоволн.

Рис. 8. Усиление радиоволн при дифракции на непологих неровностях.

Рис. 9. Искривление радиолучей в тропосфере в результате ее неоднородности.

Рис. 10. Схематическое изображение линии радиосвязи, использующей рассеяние радиоволн на неоднородностях тропосферы.

Рис. 11. Смещение электронов ионосферы под действием поля волны Е приводит к появлению дополнительного поля ΔE.

Рис. 12. Изменение концентрации N электронов в ионосфере с высотой; Е, F₁, F₂ — слои ионосферы.

Рис. 13. Рассеяние радиоволн на неоднородностях ионосферы.

Рис. 14. к ст. Распространение радиоволн.

Рис. 15. к ст. Распространение радиоволн.

Рис. 16. Зависимость напряженности Е поля волны от расстояния до передатчика r в отсутствии поглощения (пунктир) и при учете поглощения.

Рис. 17. к ст. Распространение радиоволн.

Рис. 18. Зависимость потерь энергии за счет вращения плоскости поляризации волны от частоты для трех значений угла возвышения β.

Рис. 19. Система подземной связи с частичным распространением радиоволн вдоль земной поверхности. Вторичные волны изображены условно.

Рис. 20. Изменение проводимости Земли σ с глубиной.

radiopropagation, radio(-wavc) propagation

radio(-wave) propagation, radiopropagation

РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН

процесс передачи эл.-магн. колебаний радиодиапазона (см. РАДИОВОЛНЫ) в пространстве от одного места к другому, в частности от передатчика к приёмнику. В естеств. условиях Р. р. происходит в разл. средах, напр. в атмосфере, космической плазме, в поверхностном слое Земли.

Общие закономерности Р. р. Скорость Р. р. в свободном пространстве в вакууме равна скорости света с. Полная энергия, переносимая радиоволной, остаётся постоянной, а плотность потока энергии убывает с увеличением расстояния r от источника обратно пропорционально r2. Р. р. в др. средах происходит с фазовой скоростью, отличающейся от с и в равновесной среде сопровождается поглощением эл.-магн. энергии. Оба эффекта объясняются возбуждением колебаний эл-нов и ионов среды под действием электрич. поля волны. Если напряжённость поля E гармонич. волны мала по сравнению с напряжённостью поля, действующего на заряды в самой среде (напр., на эл-н в атоме), то колебания происходят также по гармонич. закону с частотой w пришедшей волны. Колеблющиеся эл-ны излучают вторичные радиоволны той же частоты, но с др. амплитудами и фазами. В результате сложения вторичных волн с приходящей формируется результирующая волна с новой амплитудой и фазой. Сдвиг фаз между первичной и переизлучёнными волнами приводит к изменению фазовой скорости. Потери энергии при взаимодействии волны с атомами явл. причиной поглощения радиоволн.

Амплитуда волны убывает с расстоянием по закону А =(A0/r)ехр(-(w/c)cr), а фаза волны по закону y=wt-(w/c)n,

где c — показатель поглощения, n — преломления показатель; n и c зависят от диэлектрической проницаемости e среды, её проводимости о и частоты волн w:

Фазовая скорость vф=c/n, коэфф. поглощения b=(w/c)c. Среда ведёт себя как диэлектрик, если (4ps/we)2<-1, и как проводник при (4ps/we)2->1. В первом случае n»?e, поглощение мало, во втором n»c?(2ps/w).

В среде e и s явл. функциями частоты w (см. ДИСПЕРСИЯ ВОЛН). Вид частотной зависимости e и s 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 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 l) 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 j0, в пространстве искривляется так, что в произвольной точке среды h соблюдается соотношение:

n(h)sinj(h)=sinj0. (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 j0 и определяется из условия:

n(hm)=sinj0. (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 l.

Если Р. р. происходит вблизи резкой границы (в масштабе X) между двумя средами с разл. электрич. свойствами (напр., атмосфера — 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.

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

В среде, содержащей случайные локальные неоднородности, вторичные волны излучаются беспорядочно в разл. направлениях. Рассеянные волны частично уносят энергию исходной волны, что приводит к её ослаблению. При рассеянии на неоднородностях размером l<-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»l возникает сильное резонансное рассеяние.

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

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. 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+(p/4)l, а малая ось =?(lr/2). Ширина трассы уменьшается с убыванием l. Если высоты z1 и z2, на к-рых расположены антенны передатчика и приёмника над поверхностью Земли, велики по сравнению с l, 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 s 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/l)<1 и (z2/l)>1, то радиотрасса выделяет участок поверхности Земли, ограниченный эллипсом с осями r+(p/4)l и?(lr/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 s=107—108 См. Но т. к. n и c — функции частоты w, 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=(1/2p)?(cl0/s) (l0 — длина волны в вакууме). Поэтому для подземной и подводной радиосвязи используются в основном длинные и сверхдлинные волны.

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

Выпуклость земной поверхности ограничивает расстояние, на к-ром из точки приёма В «виден» передатчик А (область «прямой видимости», рис. 3). Однако радиоволны могут проникать в область тени на большее расстояние =3?R20l (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).

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.

За горизонтом поле растёт 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, l и угла q падения волны на поверхность. Если неровности достаточно малы и пологи, так что khcosq<1 (k — волновое число) и выполняется т. н. критерий Рэлея: k2l2cosq<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>l, «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).

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

Фазовая скорость радиоволн, распространяющихся вдоль земной поверхности (земных волн) вблизи излучателя, зависит от её электрич. свойств. Однако на расстоянии в неск. l, 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 l > неск. см пренебрежимо мала.

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=?e=1,0003 и vф лишь немного меньше с. С увеличением высоты плотность воздуха надает, а поэтому e 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 l<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 w 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: l=1,35 см, 1,5 см, 0,75 см (поглощение в парах воды) и l=0,5 см, 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).

Рис. 8. Траектории УКВ в тропосферном волноводе.

Рис. 9. Рассеяние радиоволн на мелкомасштабных неоднородностях.

Ослабление радиоволн может быть также вызвано рассеянием на неоднородностях, возникающих при турбулентном движении воздушных масс (см. ТУРБУЛЕНТНОСТЬ). Рассеяние резко увеличивается, когда в воздухе 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 w0=?(4pNe2/m) и ионов W0=?(4pNe2/M), гиромагнитные частоты эл-нов wH=eH0/mc и ионов WH =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 w0->W0, wH->WH. Напр., для эл-нов wH/2p= 1,4 МГц, а для ионов атомарного кислорода WH/2p=54 Гц.

В зависимости от частоты w радиоволны осн. роль в Р. р. играют те или др. виды собств. колебаний, поэтому электрич. свойства ионосферы различны для разных участков радиодиапазона. При высоких w 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 e<1. Она уменьшается с уменьшением частоты: e=1-w20/w2. Учёт соударений эл-нов с атомами и ионами даёт более точные формулы для e и s ионосферы: e=1-w20/(w2+v2); s=w20v/4p(w2+n2). Здесь n - эффективная частота соударений. Для декаметровых и более коротких волн в большей части ионосферы w2->v2 и показатели преломления n и поглощения к приближённо равны: n»?(1-w20/w2), c»2ps/w?e. 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 только радиоволны с частотой w>w0. При wwкр (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 j0, поворачивает к Земле на высоте h, для к-рой выполнено условие (3). Макс. частота волны, отражающейся от ионосферы при падении под углом j0 (т. е. для данной дальности трассы), равна: wмпч=wкрseсj0>wкр и наз. макс. применимой частотой (МПЧ). Волны с wwмпч. 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).

Влияние магн. поля Земли Н0.

В магн. поле Н0 на эл-н, движущийся со скоростью V, действует Лоренца сила F=-e/c(vH0), под влиянием к-рой он вращается по окружности в плоскости, перпендикулярной H0, с гироскопич. частотой wH. Траектория каждой заряженной ч-цы — винтовая линия с осью вдоль Н0. Действие силы Лоренца приводит к изменению хар-ра вынужденных колебаний эл-нов под действием электрич. поля волны, а следовательно, к изменению электрич. свойств среды. В результате ионосфера становится анизотропной гиротропной средой, электрич. свойства к-рой зависят от направления Р. р. и описываются не скалярной величиной г, а тензором диэлектрич. проницаемости eij. Падающая на такую среду волна испытывает двойное лучепреломление, т. е. расщепляется на две волны, отличающиеся скоростью и направлением распространения, поглощением и поляризацией. Если направление P. p. ^H0, то падающую волну можно представить себе в виде суммы двух линейно поляризованных волн с Е^Н0 и Е?Н0. Для первой «необыкновенной» волны (е) характер вынужденного движения эл-нов под действием поля волны E изменяется (появляется компонента ускорения, перпендикулярная E) и поэтому изменяется п. Для второй (о) «обыкновенной» волны вынужденное движение остаётся таким же, как и без поля Н0 (при v?H0 сила Лоренца равна 0). Для этих двух волн (без учёта соударений) квадраты показателей преломления равны:

При Р. р. вдоль Н0:

В последнем случае обе волны имеют круговую поляризацию, причём у необыкновенной волны вектор Е вращается в сторону вращения эл-на, а у обыкновенной — в противоположную сторону. При произвольном направлении Р. р. (относительно Н0) поляризация нормальных волн эллиптическая.

По мере Р. р. в ионосфере увеличивается сдвиг фаз между волнами и изменяется поляризация суммарной волны. Напр., при Р. р. вдоль Н0 это приводит к повороту плоскости поляризации (Фарадея эффект), а при Р. р. перпендикулярно Н0 — к периодич. чередованию линейной и круговой поляризаций (см. КОТТОНА — МУТОНА ЭФФЕКТ). Т. к. показатели преломления волн различны, отражение их происходит на разной высоте (рис. 12). Направление волнового вектора k при Р. р. в ионосфере может отличаться от vгр.

Рис. 12. Расщепление радиоволны в результате двойного лучепреломления в ионосфере.

Низкочастотные волны в ионосфере.

Осн. часть энергии низкочастотных (НЧ) и очень низкочастотных (ОНЧ) радиоволн практически не проникает в ионосферу. Волны отражаются от её нижней границы (днём — вследствие сильной рефракции в D-слое, ночью — от Е-слоя, как от границы двух сред с разными электрич. свойствами). Распространение этих волн хорошо описывается моделью, согласно к-рой однородные и изотропные Земля и ионосфера образуют приземный волновод с резкими сферич. стенками, в к-ром и происходит Р. р. Такая модель объясняет наблюдаемое убывание поля с расстоянием и возрастание амплитуды поля с высотой. Последнее связано со скольжением волн вдоль вогнутой поверхности волновода, приводящим к своеобразной «фокусировке» поля. Это явление аналогично открытому Рэлеем в акустике эффекту «шепчущей галереи». Амплитуда радиоволн значительно возрастает в антиподной по отношению к источнику точке Земли. Это объясняется сложением радиоволн, огибающих Землю по всем направлениям и сходящихся на противоположной стороне.

Влияние магн. поля Земли обусловливает ряд особенностей распространения НЧ волн в ионосфере: сверхдлинные волны могут выходить из приземного волновода за пределы ионосферы, распространяясь вдоль силовых линий геомагн. поля между сопряжёнными точками А и В Земли (рис. 13).

Из формулы (5) видно, что при w<-wH в случае продольного распространения n2e»w20/wwH нигде не обращается в 0, т. е. волна проходит через ионосферу без отражения. В ночной атмосфере прибл. геом. оптики нарушается и частичное прохождение есть при любом угле падения. Разряды молний в атмосфере — естеств. источник НЧ волн. В диапазоне 1—10 кГц они приводят к образованию т. н. свистящих атмосфериков, к-рые распространяются указанным образом и создают на выходе приёмника сигнал с характерным свистом.

При Р. р. инфразвуковых частот с w<-WH важную роль играют колебания ионов, и ионосфера ведёт себя, как проводящая нейтральная жидкость, движение к-рой описывается ур-ниями магнитной гидродинамики. В ионосфере возможно распространение неск. типов магнитогидродинамич. волн, в частности альфвеновских волн, распространяющихся вдоль геомагн. поля с характерной скоростью vA=H0/?p4pr, где r — плотность газа, и магнитозвуковых волн, к-рые распространяются изотропно (подобно звуку).

Нелинейные эффекты при Р. р. в ионосфере проявляются уже для радиоволн сравнительно небольшой интенсивности и связаны с нарушением линейной зависимости поляризации среды от электрич. поля волны (см. НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА). «Нагревная» нелинейность играет осн. роль, когда характерные размеры возмущённой электрич. полем области плазмы во много раз больше длины свободного пробега эл-нов. Т. к. длина свободного пробега эл-нов в плазме значительна, эл-н успевает получить от поля заметную энергию за время одного пробега. Передача энергии при столкновениях от эл-на к ионам, атомам и молекулам затруднена из-за большого различия в их массах. В результате эл-ны плазмы сильно «разогреваются» уже в сравнительно слабом электрич. поле, что изменяет эффективную частоту соударений. Поэтому e и s плазмы становятся зависящими от поля Е волны, и Р. р. приобретает нелинейный характер. «Возмущение» диэлектрич. проницаемости: De=(Е/Еp)2, где Ер=?(3(Ттd/е2)(w2+v2)) — характерное «плазменное» поле, Т — абс. темп-ра плазмы, б — ср. доля энергии, теряемая эл-ном при одном соударении с тяжёлой ч-цей, v — частота соударений. Т. о., нелинейные эффекты становятся заметными, когда поле волны Е сравнимо с Ер, к-рое в зависимости от частоты волны и области ионосферы составляет =10-4—10-1 В/см.

Нелинейные эффекты могут проявляться как самовоздействие волны и как вз-ствие волн между собой. Самовоздействие мощной волны приводит к изменению её поглощения и глубины модуляции. Поглощение мощной радиоволны нелинейно зависит от её амплитуды. Частота соударений v с увеличением темп-ры эл-нов может как расти (в нижних слоях, где осн. роль играют соударения с нейтральными ч-цами), так и убывать (при соударении с ионами). В первом случае поглощение резко возрастает с увеличением мощности волны («насыщение» поля в плазме). Во втором случае поглощение падает (т. н. п р о с в е т л е н и е плазмы для мощной радиоволны). Из-за нелинейного изменения поглощения амплитуда волны нелинейно зависит от амплитуды падающего поля, поэтому её модуляция искажается (автомодуляция и демодуляция волны). Изменение n в поле мощной волны приводит к искажению траектории луча. При распространении узконаправленных пучков радиоволн это может привести к самофокусировке пучка аналогично самофокусировке света и к образованию волноводного канала в плазме.

Рис. 14. Ионосферная кроссмодуляция происходит в области пересечения лучей.

Вз-ствие волн в условиях нелинейности приводит к нарушению суперпозиции принципа. В частности, если мощная волна с частотой w1 модулирована по амплитуде, то благодаря изменению поглощения эта модуляция может передаться др. волне с частотой w2, проходящей в той же области ионосферы (рис. 14). Это явление, наз. к р о с с м о д у л я ц и е й, или Л ю к с е м б у р г - г о р ь к о в с к и м э ф ф е к т о м, имеет практич. значение при радиовещании в диапазоне средних волн.

Нагрев ионосферы в поле мощной волны в коротковолновом диапазоне может вызвать тепловую параметрич. неустойчивость в ионосфере, к-рая приводит к аномально большому поглощению радиоизлучения и расслоению плазмы (см. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ РЕЗОНАНС). В области резонанса w=?(w20+w2H) образуются сильно вытянутые вдоль Н0 неоднородности ионосферы (с продольным масштабом 1 км, поперечным — 0,5—100 м), к-рые перспективны для дальней связи в диапазоне УКВ. В поле очень мощных радиоволн эл-ны столь сильно разогреваются, что возникает электрич. пробой газа.

Если размеры возмущённой полем волны области плазмы много меньше длины свободного пробега эл-нов, н а г р е в н а я н е л и н е й н о с т ь становится слабой. Это имеет место при коротких импульсах и узких пучках радиоволн. В этом случае осн. роль играет т. н. с т р и к ц и о н н а я н е л и н е й н о с т ь, связанная с тем, что неоднородное переменное электрич. поле волны оказывает давление на эл-ны, вызывающее сжатие плазмы. Концентрация эл-нов N, а следовательно, e и s становятся зависящими от амплитуды поля. Стрикционная нелинейность приводит к изменению диэлектрич. проницаемости Deс»e2E2/8Tmw2, меньше нагревного изменения DeH на неск. порядков (при той же мощности волны). Стрикционная нелинейность играет важную роль в параметрич. неустойчивости ионосферы.

Р. р. в косм. условиях.

За исключением планет и их ближайших окрестностей большая часть в-ва во Вселенной ионизована. Параметры косм. плазмы меняются в широких пределах. Напр., концентрация электронов и ионов вблизи орбиты Земли =1 —10 см-3, в ионосфере Юпитера =105 см-3, в солнечной короне =108 см-3,а в недрах звёзд =1027 см-3. Из косм. пространства к Земле приходит широкий спектр эл.-магн. волн, к-рые на пути из - космоса должны пройти через ионосферу и тропосферу. Через атмосферу Земли без заметного затухания распространяются волны двух осн. частотных диапазонов: «радиоокно» соответствует диапазону от ионосферных критич. частот wкр до частот сильного поглощения аэрозолями и газами атмосферы (10 МГц — 20 ГГц), «оптич. окно» охватывает диапазон видимого и ИК излучения (1 ТГц — 103 ГГц). Атмосфера также частично прозрачна в диапазоне низких частот (<300 кГц), где распространяются свистящие атмосферики и магнитогмдродинамич. волны.

В косм. условиях источник радиоволн и их приёмник часто быстро движутся относительно друг друга. В результате Доплера эффекта это приводит к изменению w на Dw= (kv), где v — относит. скорость. Понижение частоты при удалении корреспондентов (красное смещение) свойственно излучению удаляющихся от нас далёких галактик. Радиоволны в косм. плазме подвержены рефракции, связанной с неоднородностью среды (рис. 15). Напр., вследствие рефракции в атмосфере Земли источник радиоволн виден выше над горизонтом, чем в действительности. Для определения расстояния до пульсаров и при интерпретации результатов радиолокации Солнца и планет необходимо учитывать, что в косм. плазме vф?с.

Рис. 15. Траектории радиолучей с l=5 м в солнечной короне.

Возможности радиосвязи с объектами, находящимися в косм. пространстве или на др. планетах, разнообразны и связаны с наличием и строением их атмосфер. Если косм. плазма находится в магн. поле (магнитосфера Юпитера, области солнечных пятен, магнитосферы пульсаров), то она явл. гиротропной средой, подобно Земной ионосфере. Для всех планет с атмосферами общая трудность радиосвязи состоит в том, что при входе косм. аппарата в плотные слои атмосферы вокруг него создаётся плотная плазменная оболочка, затрудняющая прохождение радиоволн. На планетах типа Меркурия и Луны, практически не имеющих атмосферы и ионосферы, на Р. р. оказывает влияние только поверхность планеты. Из-за отсутствия отражения от ионосферы дальность связи вдоль поверхности такой планеты невелика (рис. 16) и может быть увеличена только при помощи ретрансляции через спутник.

Рис. 16. Зависимость дальности r радиосвязи на поверхности Луны от частоты w/2p.

Распространение радиоволн разных диапазонов. Радиоволны очень низких (3-30 кГц) и. низких (30—300 кГц) частот огибают земную поверхность вследствие волноводного распространения и дифракции, сравнительно слабо проникают в ионосферу и мало поглощаются ею. Отличаются высокой фазовой стабильностью и способностью равномерно покрывать большие площади, включая полярные районы. Это обусловливает возможность их использования для устойчивой дальней и сверхдальней радиосвязи и радионавигации, несмотря на высокий уровень атм. помех. Полоса частот от 150 кГц до 300 кГц используется для радиовещания. Большое число геофиз. исследований выполняется путём наблюдений за сигналами естеств. происхождения, к-рые генерируются, напр., молниевыми разрядами и ч-цами радиационных поясов Земли. Трудности применения этого частотного диапазона связаны с громоздкостью антенных систем с высоким уровнем атм. помех, с относит. ограниченностью скорости передачи информации.

С р е д н и е в о л н ы (300 кГц — 3000 кГц) днём распространяются вдоль поверхности Земли (земная или прямая волна). Отражённая от ионосферы волна практически отсутствует, т. к. волны сильно поглощаются в слое D ионосферы. Ночью из-за отсутствия солнечного излучения слой D исчезает, появляется ионосферная волна, отражённая от слоя Е и дальность приёма возрастает. Сложение прямой и отражённой волн влечёт за собой сильную изменчивость поля, поэтому ионосферная волна — источник помех для многих служб, использующих распространение земной волны. Ср. волны используются в радиовещании, радиотелеграфной и радиотелефонной связи, радионавигации.

Короткие волны (3 МГц — 30 МГц) слабо поглощаются D- и Е-слоями и отражаются от слоя F, когда их частоты w

Для очень высоких частот и УКВ (30—1000 МГц) преобладают Р. р. внутри тропосферы и проникновение сквозь ионосферу. Роль земной волны падает. Поля помех в низкочастотной части этого диапазона всё ещё могут определяться отражениями от ионосферы, и до частоты 60 МГц ионосферное рассеяние продолжает играть значит. роль. Все виды Р. р., за исключением тропосферного рассеяния, позволяют передавать сигналы с шириной полосы частот в неск. МГц. В этой части спектра возможно очень высокое качество звукового радиовещания при дальности 50—100 км. Радиовещание с частотной модуляцией работает на частотах вблизи 100 МГц. В этом же диапазоне частот ведётся телевизионное вещание. Для радиоастрономии выделено неск. узких спектральных полос, к-рые используются также для косм. связи, радиолокации, метеорологии, кроме того для любительской связи.

Волны УВЧ и СВЧ (1000 МГц? 10000 МГц) распространяются в основном в пределах прямой видимости и характеризуются низким уровнем шумов. В этом диапазоне при Р. р. играют роль известные области макс. поглощения и частоты излучения хим. элементов (напр., линии водорода вблизи от 1420 МГц). В этом диапазоне размещены многоканальные системы широкополосной связи для передачи телефонных и телевизионных сигналов. Высокая направленность антенн позволяет использовать низкий уровень мощности в радиорелейных системах, а тропосферное рассеяние обеспечивает дальность радиосвязи =800 км. Этот диапазон используется в радионавигац. и радиолокац. службах. Для радиоастрономии выделены полосы частот для наблюдения за атомарным водородом, радикалом ОН и континуальным излучением. Для косм. радиосвязи полоса частот =1000—10 000 МГц — наиболее важная часть радиодиапазона.

Волны СВЧ (>10 ГГц) распространяются только в пределах прямой видимости. Потери в этом диапазоне неск. выше, чем на более низких частотах, причём на их величину сильно влияет кол-во осадков. Рост потерь на этих частотах частично компенсируется возрастанием эффективности антенных систем. СВЧ используются в радиолокации, радионавигации и метеорологии. На линиях связи между поверхностью Земли и космосом могут использоваться частоты <20 ГГц. Для связи в космосе могут применяться значительно более высокие частоты. При этом отсутствуют взаимные помехи между косм. и некосм. службами. Диапазон СВЧ важен также для радиоастрономии.

radio(-wave) propagation, radiopropagation

* * *

wave propagation

propagazione delle onde radio [delle radioonde]

поши́рення радіохви́ль

поши́рення радіохви́ль