2.5. Поширення радіохвиль в іоносфері

2.5.1. Будова іоносфери

Іоносфера – іонізований верхній шар атмосфери Землі, що починається на висотах, які перевищують 60 км. Процес іонізації атмосферного повітря полягає у вириванні із зовнішньої оболонки атома газу під дією сонячної радіації одного з електронів. Реально існує чотири атмосферні шари з максимальною концентрацією вільних електронів в одиниці об’єму. Їх позначають буквами D, E, F₁, F₂ (рис. 2.7).

Наявність чотирьох максимумів N можна пояснити тим, що атмосфера неоднорідна по висоті й її властивості залежать від часу доби та пори року. Можна припустити, що один із максимумів утвориться в області, однорідній за своїм складом, другий – в області атомарного кисню і т.п.

Рис. 2.7

Рис. 2.7.

На з’явлення максимумів впливає наявність перепадів температури на різних висотах. Шар D розміщений на висоті 70 - 80 км і характеризується об’ємною густиною вільних електронів N = 10³ - 10⁴ в кубічному сантиметрі.

Шар D відтворюється і існує тільки вдень, а вночі він зникає через рекомбінацію електронів і позитивних іонів. Цей шар характеризується сильно вираженими поглинаючими властивостями енергії радіохвиль гектометрового діапазону.

Шар Е знаходиться на висоті 100 - 120 км. Об’ємна густина електронів в ньому змінюється від 5·10³ ел/см³ (вночі) до 1,5·10⁵ ел/см³ (вдень). Шар утворюється під впливом ультрафіолетового випромінювання Сонця й характеризується стабільністю своїх параметрів. На висотах цього шару іноді виникають сильно іонізовані утворення, в яких значення N у декілька разів перевершують нормальну густину електронів шару Е. Такі утворення, що виникають в обмежених областях іоносфери, називаються спорадичними шарами й позначаються Е_S. Радіохвилі добре відбиваються від цього шару.

Шар F розташований на висотах 160-350 км. Густина електронів у ньому максимальна і, в залежності від висоти, зростає від 2,5·10⁵ ел/см³ (вночі) до 2·10⁶ ел/см³ (опівдні). Влітку вдень шар F розщеплюється на два шари – F₁ та F₂. Нижній шар F₁ існує тільки вдень і розташований на висотах 180-240 км. За своїми властивостями він схожий із шаром Е, але відрізняється від нього більш значними змінами густини N, яка сягає максимуму в середині літа.

Протягом доби електронна густина шару F₁ змінюється синхронно з кутовою висотою Сонця й сягає максимуму опівдні. До заходу Сонця шар F₁ піднімається і об’єднується з шаром F₂, що розташований на висоті 250-350 км і характеризується найбільшою густиною вільних електронів.

2.5.2. Поширення радіохвиль в однорідному іонізованому газі

Припустимо, що крізь простір, заповнений іонізованим газом, поширюється плоска вертикально поляризована хвиля. У початку координат .

На кожний електрон іонізованого газу електричне поле радіохвилі впливає із силою

,

де e – заряд електрона.

Під дією цієї сили заряджені частинки прискорюються. Цю ж силу, що діє на заряджену частинку, можна визначити як добуток її маси m і прискорення a. Тоді

.

Тому

.

На підставі отриманих співвідношень швидкість переміщення електрона можна описати як швидкість зміни координати таким чином:

.

Електрони, що переміщуються в одиницю часу крізь одиницю поверхні вздовж осі y, визначають густину струму провідності

.

У змінному електричному полі крім струмів провідності виникають ще й струми зміщення, густина яких визначається співвідношенням

. (2.21)

Повний струм визначається сумою

. (2.22)

Порівнюючи (2.21) і (2.22) можна зробити припущення, що іонізований газ характеризується абсолютною діелектричною проникністю

.

Відносна діелектрична проникність іонізованого газу

. (2.23)

Підставляючи до (2.23) відповідні значення маси електрона

m = 9,109·10³¹ кг, його заряду e = 1,602·10^-19 Кл та абсолютної діелектричної проникності вакууму = , отримаємо таке співвідношення:

, (2.24)

де f – частота електричного поля.

На підставі співвідношення (2.24) можна зробити такі висновки:

- відносна діелектрична проникність іонізованого газу менша одиниці;

- діелектрична проникність іоносфери залежить від частоти електричного поля;

- діелектрична проникність іонізованого газу залежить від концентрації N електронів в одиниці об’єму;

- іонізований газ є дисперсним середовищем, тому що в ньому фазова швидкість залежить від частоти.

У реальному газі існують постійні зіткнення між зарядженими частинками. При кожному зіткненні втрачається частина енергії. Це свідчить про те, що газ характеризується активним опором, що розсіює енергію електричного поля. Питома провідність газу , де – число зіткнень в одиницю часу.