Волновод Земля – ионосфера

Земли-ионосфера волновод ^[1] относится к явлению , в котором некоторые радиоволны могут распространяться в пространстве между землей и границей ионосферы . Поскольку ионосфера содержит заряженные частицы , она может вести себя как проводник . Земля действует как заземляющий слой , а образовавшаяся полость ведет себя как большой волновод .

В этом волноводе могут эффективно распространяться сигналы с очень низкой частотой (ELF) (<3 кГц) и очень низкой частотой (VLF) (3–30 кГц). Например, удары молнии запускают сигнал, называемый радиоатмосферой , который может распространяться на многие тысячи километров, потому что они находятся между Землей и ионосферой. Кругосветный характер волновода создает резонансы , подобные резонатору, с частотой ~ 7 Гц.

Введение [ править ]

Волновод Земля – ионосфера
Рис. 1. Геометрия распространения лучей в волноводе Земля – ионосфера. Отображаются земная волна и две небесные волны.
Рис. 2. Реальная и виртуальная высота отражения.
Рис. 3. Нормализованная вертикальная напряженность поля E z в зависимости от расстояния ρ по величине (сплошная линия, левая ордината) и фазе (пунктирная линия, правая ордината). [примечание 1]
Рис. 4. Величина передаточных функций нулевой моды и первой моды в зависимости от частоты на расстояниях 1000, 3000 и 10000 км в дневных условиях.

Распространение радиоволн в ионосфере зависит от частоты, угла падения , времени суток, сезона, магнитного поля Земли и солнечной активности. При вертикальном падении волны с частотами, превышающими плазменную частоту электронов ( в Гц) максимума F-слоя${\ displaystyle f_ {e}}$

${\displaystyle f_{e}=9{\sqrt {N_{e}}}}$

( 1 )

( in - электронная плотность) может распространяться через ионосферу практически без возмущений. Волны с частотами меньше, чем отражаются в ионосферных D-, E- и F-слоях. ^{[2] [3]} f _e составляет порядка 8–15 МГц в дневных условиях. Для наклонного падения критическая частота становится больше.${\displaystyle N_{e}}$${\displaystyle m^{-3}}$${\displaystyle f_{e}}$

Очень низкие частоты (VLF: 3–30 кГц) и чрезвычайно низкие частоты (ELF: <3 кГц) отражаются в ионосферном D- и нижнем E-слое. Исключение составляет свистящее распространение сигналов молнии вдоль силовых линий геомагнитного поля. ^{[2] [4]}

Длины волн ОНЧ (10–100 км) уже сопоставимы с высотой ионосферного D-слоя (около 70 км днем ​​и 90 км ночью). Следовательно, теория лучей применима только для распространения на короткие расстояния, тогда как теория мод должна использоваться для больших расстояний. Таким образом, область между поверхностью Земли и ионосферным D-слоем ведет себя как волновод для ОНЧ- и СНЧ-волн.

В присутствии ионосферной плазмы и геомагнитного поля , электромагнитные волны существуют для частот , которые больше , чем гирочастоте ионов (около 1 Гц). Волны с частотами меньше гирочастоты называются гидромагнитными волнами. К этому типу волн относятся геомагнитные пульсации с периодами от секунд до минут, а также волны Альфвена .

Передаточная функция [ править ]

Прототипом короткой вертикальной стержневой антенны является вертикальный электрический диполь Герца, в котором протекают электрические переменные токи частоты f. Его излучение электромагнитных волн в волноводе Земля-ионосфера можно описать передаточной функцией T (ρ, ω):

${\displaystyle E_{z}(\rho ,\omega )=T(\rho ,\omega )E_{o}(\rho ,\omega )}$

( 2 )

где Е _г является вертикальной составляющей электрического поля в приемнике на расстояние р от передатчика, Е _о является электрическим поле Герца диполя в свободном пространстве, а угловая частота . В свободном пространстве так и есть . Очевидно, волновод Земля – ионосфера является дисперсионным, так как передаточная функция зависит от частоты. Это означает, что фазовая и групповая скорость волн зависят от частоты.${\displaystyle \omega =2\pi f}$${\displaystyle T=1}$

Теория лучей [ править ]

В диапазоне ОНЧ передаточная функция представляет собой сумму земной волны, которая достигает непосредственно приемника, и многозвенных космических волн, отраженных от ионосферного D-слоя (рисунок 1).

На реальной поверхности Земли земная волна рассеивается и зависит от орографии вдоль пути луча. ^[5] Для ОНЧ волн на более коротких расстояниях этот эффект, однако, не имеет большого значения, и коэффициент отражения Земли в первом приближении имеет значение.${\displaystyle R_{e}=1}$

На более коротких расстояниях важна только небесная волна первого прыжка. D-слой можно моделировать с помощью магнитной стенки ( ) с фиксированной границей на виртуальной высоте h, что означает скачок фазы на 180 ° в точке отражения. ^{[2] [5]} В действительности электронная плотность D-слоя увеличивается с высотой, и волна ограничена, как показано на рисунке 2.${\displaystyle R_{i}=-1}$

Сумма земной волны и первой скачковой волны отображает интерференционную картину с интерференционными минимумами, если разность между лучевыми путями земной и первой небесной волны составляет половину длины волны (или разность фаз 180 °). Последний минимум интерференции на земле (z = 0) между земной волной и первой небесной волной находится на расстоянии по горизонтали

${\displaystyle \rho _{1}\approx {\dfrac {2fh^{2}}{c}}}$

( 3 )

со скоростью света. В примере на Рисунке 3 это расстояние примерно 500 км.

Теория волнового режима [ править ]

Теория лучевого распространения ОНЧ-волн не работает на больших расстояниях, потому что в сумме этих волн участвуют последовательные многокомпонентные пространственные волны, а сумма расходится. Кроме того, возникает необходимость учитывать сферическую Землю. Теория мод, которая является суммой собственных мод в волноводе Земля – ионосфера, справедлива в этом диапазоне расстояний. ^{[5] [6]} Волновые моды имеют фиксированные вертикальные структуры своих вертикальных компонент электрического поля с максимальными амплитудами внизу и нулевыми амплитудами вверху волновода. В случае основной первой моды это четверть длины волны. С уменьшением частоты собственное значение становится мнимым на частоте среза, где мода переходит в затухающую волну. Для первого режима это происходит в ^[2]

${\displaystyle f_{co}={\dfrac {c}{4h}}\approx 1~kHz}$

( 4 )

ниже которого этот режим не будет распространяться (рисунок 4).

Затухание мод увеличивается с увеличением волнового числа n. Следовательно, по существу только первые две моды участвуют в распространении волны. Первый минимум интерференции между этими двумя модами находится на том же расстоянии, что и последний минимум интерференции лучевой теории ( уравнение 3 ), что указывает на эквивалентность обеих теорий ^{[7 ]} Как видно на рисунке 3, интервал между минимумами модовых помех постоянен и составляет около 1000 км в этом примере. Первая мода становится доминирующей на расстояниях, превышающих примерно 1500 км, потому что вторая мода ослабляется сильнее, чем первая мода.

В диапазоне волн КНЧ уместна только теория мод. Основная мода - это нулевая мода (рисунок 4). D-слой становится здесь электрической стенкой (R _i = 1). Его вертикальная структура представляет собой просто вертикальное электрическое поле, постоянное с высотой.

В частности, резонансная нулевая мода существует для волн, которые являются неотъемлемой частью окружности Земли и имеют частоту

${\displaystyle f_{m}={\dfrac {mc}{2a\pi }}kHz}$   ${\displaystyle (m=1,2,...)}$

( 5 )

с радиусом Земли. Первые резонансные пики находятся на частотах 7,5, 15 и 22,5 Гц. Это резонансы Шумана . На этих частотах усиливаются спектральные сигналы молнии. ^{[5] [8]}

Характеристики волновода [ править ]

Приведенное выше обсуждение просто иллюстрирует простую картину теории мод и лучей. Более подробное лечение требует большой компьютерной программы. В частности, трудно решить проблему горизонтальных и вертикальных неоднородностей волновода. Эффект кривизны Земли состоит в том, что вблизи антипода напряженность поля несколько увеличивается. ^[5]Из-за влияния магнитного поля Земли среда становится анизотропной, так что коэффициент отражения от ионосферы на самом деле представляет собой матрицу. Это означает, что вертикально поляризованная падающая волна после отражения от ионосферного D-слоя преобразуется в вертикально и горизонтально поляризованную волну. Кроме того, геомагнитное поле приводит к невзаимности ОНЧ волн. Волны, распространяющиеся с востока на запад, ослабляются сильнее, чем наоборот. Возникает сдвиг фазы вблизи расстояния от глубокого интерференционного минимума (2) . 3 . Во время восхода и / или заката иногда наблюдается усиление или потеря фазы на 360 ° из-за необратимого поведения первой небесной волны.

Дисперсионные характеристики волновода Земля-ионосфера могут быть использованы для локации грозовой активности путем измерения разности групповой временной задержки сигналов молнии ( сфериков ) на соседних частотах на расстояниях до 10000 км. ^[7] Резонансы Шумана позволяют определять глобальную грозовую активность. ^[9]

См. Также [ править ]

• Резонатор Альфвена
• Атмосферный канал
• Коротковолновое радио
• Skywave
• Тропосферные воздуховоды

Ссылки и примечания [ править ]

Примечания

Цитаты