Физическая энциклопедия - 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)21. 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, vфhт 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 lW0, 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 ev2 и показатели преломления n и поглощения к приближённо равны: n»?(1-w20/w2), c»2ps/w?e. Т. к. nс, групповая скорость vгр=cnw0. 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. .