Преломление и отражение радиоволн в ионосфере

Для определения условий распространения радиоволн в сферически и электрически неоднородной ионосфере рассмотрим упрощенную, справедливую для сравнительно небольших расстояний (примерно до 1000 км) модель плоскослоистой ионосферы. Будем полагать, что ионосфера состоит из большого числа тонких слоев (рисунок Рисунок 18 ).

В каждом слое значение , постоянно, величины которых меняются от слоя к слою. Аналогично изменяется и показатель преломления.

Оценим форму траектории радиоволны, распространяющейся в ионосфере. Для выбранной модели ионосферы траектория распространения радиоволны будет определяться законом преломления:

Поскольку распространение волны происходит из оптически более плотной в оптически менее плотную среду, ,и т. д. Для отклонения радиоволны обратно к Земле в верхней точке траектории движения уголдолжен составлять 90°. Тогда условие отражения запишется в виде:

,,

так как (граница с тропосферой) и.

Подставляя сюда найденное значение относительной диэлектрической проницаемости ионосферы, получим

.

При уменьшении толщины слоев относительная диэлектрическая проницаемость ионосферы будет изменяться плавно, и траектория радиоволны примет форму кривой линии.

Из найденного условия полного отражения следует:

1. С увеличением частоты падающей на ионосферу радиоволны под заданным углом отражение будет происходить от областей с большей электронной концентрацией, то есть, на больших высотах (рисунок Рисунок 19 ).

18. −Слоистая модель ионосферы

19. −Отражение от ионосферы радиоволн с различной частотой

Поскольку электронная концентрация изменяется скачками от слоя к слою, то при фиксированном угле падения будут существовать и соответствующие значения максимальных частот, при которых волна еще отражается от соответствующего слоя. Эти частоты называются максимально применимыми частотами (МПЧ). Величины МПЧ зависят от концентрации электронов в слое и угла падения . Для соответствующих слоев их обозначают с указанием-МПЧ,-МПЧ,-МПЧ,-МПЧ. Наибольшая из всех МПЧ является максимально применимой частотой трассы заданной протяженности. Для волн с частотойусловие отражения не выполняется и они проходят сквозь ионосферный слой.

2. При определенной электронной концентрации радиоволна данной частоты отразится только в том случае, если угол падения равен или превышает величину, определяемую по формуле полного отражения. Чем больше электронная плотность , тем при меньших значениях угла, возможно отражение. Минимальный угол, при котором в данных условиях еще возможно отражение, называют критическим углом (рисунок Рисунок 20 ).

20. −Отражение от ионосферы радиоволн при разных углах падения

Частота, для которой критический угол равен нулю, называют критической частотой.

Очевидно, что критическая частота — это максимальная частота радиоволны, которая вертикально падает на ионосферу и отражается от нее. Критическая частота зависит от электронной концентрации и увеличивается с ростом ее электронной плотности. Полагая , получим выражение для критической частоты

которое совпадает с найденным выше значением частоты, при котором . Это значит, что на критической частоте относительная диэлектрическая проницаемость ионосферы равна нулю.

Критическая частота и угол падения радиоволны на ионосферу однозначно определяют частоту радиоволны, которая падает на ионосферу под углом и отражается от нее. Действительно, преобразуем последние два выражения к виду

,

откуда

Отсюда следует, что при наклонном падении на ионосферу радиоволна может отразиться от нее на частоте, которая в раз превышает критическую частоту. Это соотношение называется законом секанса. Если рабочая частота больше частоты, определяемой по этому уравнению, то отражения не происходит и радиоволна, преломляясь в ионосфере, уходит в космическое пространство (рисунок Рисунок 20 ).