2.5.3. Заломлення та відбиття радіохвиль в іоносфері

Реальна іоносфера являє собою неоднорідний по висоті іонізований газ. Відносний коефіцієнт заломлення з урахуванням (2.24):

.

З висотою змінюється N, а також й n так, що промінь переходить з оптично більш густого середовища в менш густе (див. рис. 2.8).

Рис. 2.8

Уявимо, що іоносфера складається з декількох смуг, в яких їхні коефіцієнти заломлення n_i (i = 1, 2, 3 ... ) і коефіцієнти заломлення стратосфери при n₀ = 1 співвідносяться як n₀ > n₁ > n₂ ... n_i > ... . Застосовуючи до кожної межі розділу смуг звісний закон Снелліуса, маємо такі рівності: , або Оскільки = 1 і = 90^о, одержуємо співвідношення: . Промінь повернеться до Землі, якщо , тобто . Частота, при якій починається відбивання радіохвилі від іоносфери, називається граничною частотою.

На підставі викладеного вище, для визначення граничної частоти можна записати:

. (2.25)

Отримане співвідношення дозволяє ввести поняття максимальної та критичної частот радіохвиль в іоносфері.

Максимальною частотою f_max називається таке значення частоти радіохвилі, що падає на нижню поверхню іоносфери під кутом , при якому промінь ще відбивається від її глибинних шарів у бік Землі:

З цього виразу випливає, що кожному куту відповідає своє значення f_max. При f >f_max промінь піде у простір і не повернеться до Землі. При f < f_max промінь повертається до Землі.

Критичною частотою називається максимальна частота радіохвилі, що відповідає куту падіння = 0⁰ (при вертикальному зондуванні):

. (2.26)

Кругова критична частота, що відповідає (2.26), збігається з частотою Ленгмюра (2.25). Очевидно, що

. (2.27)

Кут  обмежується значеннями  = 0 – при вертикальному падінні променя на іоносферу і _г – при випромінюванні вбік горизонту (рис. 2.8). На підставі цього рисунка легко показати, що

,

і максимальна частота (2.27) визначаться співвідношенням:

, (2.28)

де h – відстань до іоносфери.

Оскільки об’ємна густина електронів N в іоносфері змінюється з висотою, то радіохвилі будь-яких частот f відбиваються й поглинаються на різних висотах h. Для кожного іоносферного шару існує своя критична частота (2.26), при якій у випадку нормального падіння хвилі ( = 0^о) на висоті h виникає ефект повного внутрішнього відбиття ( = 90^о). Для N = шару F₂ на підставі (2.26) = 14 МГц. При куті падіння , яким визначається випромінювання вбік горизонту Землі, для того ж значення N на висоті 300 км на підставі (2.27) отримаємо значення максимальної частоти = 46 МГц. Таким чином, збільшення кута падіння радіохвилі на іоносферу супроводжується зростанням максимальних частот, при яких існує ефект повного внутрішнього відбиття. Тому для встановлення радіозв‘язку із земними об‘єктами в залежності від кута  необхідно використовувати частоти нижче 14 - 46 МГц, а для встановлення зв‘язку з космічними об‘єктами – частоти, що їх перевершують.