Влияние тропосферы на распространение земных радиоволн. Явление тропосферной рефракции
Влияние неоднородностей тропосферы на условия распространения земных волн теснейшим образом связано с явлением тропосферной рефракции, известным еще с глубокой древности (II в. до н. э.). Суть этого явления, как известно, заключается в том, что вследствие неоднородности тропосферы свет (а следовательно, и радиоволны) распространяется в тропосфере не по прямолинейным траекториям, как в однородной среде, а в некоторой степени искривленным.
Выведем выражение
для радиуса кривизны траектории
радиоволны, распространяющейся в
тропосфере. Для простоты пренебрежем
влиянием кривизны Земли и будем считать,
что поверхности одинаковых значений
коэффициента преломления п представляют
собой плоскости, параллельные плоской
поверхности Земли. Рассмотрим две из
таких поверхностей (рис. 13) отстоящие
друг от друга на расстояние dh.
На нижней поверхности коэффициент
преломления имеет значение n,
а на верхней n=dn.
Луч, падающий на нижнюю поверхность пои
углом
и испытывающий преломление на участке
dh,
падает на верхнюю поверхность под углом
+d
.
Поскольку элемент траектории в точке
b
повернут на угол d
относительно элемента траектории в
точке а, то такое же значение имеет угол
между нормалями
к этим элементам траектории, т. е. угол
с вершиной в центре кривизны О.
Рис. 13. К выводу выражения для радиуса кривизны траектории радиоволны
Искомый радиус кривизны R определяется выражением R=ab/d , м. Из треугольника abc находим:
(13)
откуда
(14)
В средах с плавно
меняющимся значением коэффициента
преломления закон преломления (закон
синусов) должен выполняться во всех
точках траектории. Следовательно, он
должен выполняться также в точках а и
b.
На основании этого можем написать:
).
Раскрывая правую часть и пренебрегая
величинами второго порядка малости,
находим
или
.
Далее получаем:
(15)
Без всякого ущерба
для точности расчетов в полученной
формуле можно положить
.
Учитывая, с другой стороны, что при
распространении земных радиоволн
основной интерес представляют пологие
лучи, для которых
,
получаем еще более простое выражение
для радиуса кривизны траектории
радиоволны:
(16)
Это выражение показывает, что радиус кривизны луча в нижних слоях тропосферы определяется не абсолютным значением коэффициента преломления, а быстротой его изменения с высотой. Знак минус у производной означает, что радиус кривизны будет положительным, т. е. траектория будет обращена выпуклостью вверх, только в том случае, если коэффициент преломления уменьшается с высотой.
При распространении
в нормальной тропосфере, которая
характеризуется постоянством градиента
во всей толще тропосферы, траектории
пологих радиоволн получают форму дуг
окружности радиуса
.
Следует отметить,
что ультракороткие радиоволны испытывают
в нормальной тропосфере несколько
большее преломление, чем световые лучи
или радиоволны оптического диапазона.
Объясняется это тем, что обладающие
постоянным дипольным моментом молекулы
воды вследствие своей конечной массы
не успевают под действием электромагнитного
поля весьма высоких частот, свойственных
видимому свету
,
менять ориентировку. Наоборот, в диапазоне
ультракоротких волн, т. е. на частотах
ниже
Гц,
полярные молекулы в полной мере участвуют
в колебательном движении и своими
перемещениями вносят вклад в значение
коэффициента преломления. Для радиоволн
оптического диапазона и световых лучей
.
Тропосферная рефракция, имеющая место в нормальной тропосфере, получила название нормальной рефракции. В случаях, вызывающих сомнения, следует уточнять, идет ли речь о нормальной радиорефракции или о нормальной оптической рефракции.