Рефракция электромагнитных волн в тропосфере.

Отрасль знания, изучающая влияние процессов тропосферы на распространение ультракоротких волн в ней, называется радиометеорологией.

Влияние атмосферы на распространение ультракоротких радиоволн сводится к процессам преломления, рассеяния и поглощения энергии. Все эти процессы связаны с поляризацией молекул газов, которая осуществляется под влиянием.внешнего электромагнитного поля.

До воздействия внешнего электромагнитного излучения молекулы большинства газов, составляющих атмосферу, являются электрически нейтральными, т. е. положительные заряды атомных ядер уравновешены отрицательными зарядами их электронных оболочек.

Под влиянием внешнего электромагнитного поля электронные оболочки атомных ядер деформируются, в результате чего образуется асимметрия электростатического поля атомов и последние приобретают электрический заряд (поляризуются), а в среде в целом образуется внутреннее электромагнитное поле с направлением, противоположным внешнему. Поскольку внешнее электромагнитное поле меняет знак в соответствии с частотой колебаний, то и внутреннее поле меняет свой знак. Однако изменение поляризации молекул не успевает за изменением знака внешнего поля (явление релаксации), что сильно усложняет взаимодействие внутреннего и внешнего полей и приводит к уменьшению скорости распространения электромагнитных волн в атмосфере, а следовательно, и к их преломлению. Очевидно, что чем больше молекул в единице объема, тем сильнее внутреннее поле воздействует на внешнее, поэтому скорость распространения электромагнитных волн уменьшается с увеличением плотности атмосферы.

В составе атмосферы имеются и такие газы, молекулы которых в силу особых свойств молекулярного строения имеют постоянный электрический заряд (дипольные молекулы). К числу таких газов прежде всего относятся молекулы водяного пара, обладающие постоянным электрическим дипольным моментом. Небольшим электрическим зарядом характеризуются молекулы углекислого газа, и, наконец, молекулы кислорода имеют постоянный магнитный момент. При отсутствии внешнего электромагнитного поля молекулы этих газов из-за хаотического теплового движения ориентированы самым различным образом, так что векторная сумма их зарядов в единице объема и внутреннее поле равны нулю.

Внешнее электромагнитное поле своим воздействием стремится ориентировать диполи таких молекул в направлении распространения поля, на что расходуется его энергия и, кроме того, возникает внутреннее поле, обратное внешнему, или. как говорят, происходит тепловая ориентационная поляризация молекул, в противоположность электронной поляризации, характерной для нейтральных молекул. Молекулы, имеющие постоянные электрический и магнитный заряды, подвергаются также и электронной поляризации.

Очевидно, что воздействие внутреннего поля дипольных молекул будет тем больше, чем больше их количество в единице объема, а это значит, что скорость распространения электромагнитных волн будет уменьшаться с увеличением парциальной плотности газов, молекулы которых имеют постоянные дипольные моменты.

Надо заметить, что тепловая ориентационная поляризация для волн оптического диапазона несущественна, так как ориентация молекул не успевает следовать за высокой частотой электромагнитного поля. Для радиодиапазона тепловая ориентационная поляризация имеет основное значение, поэтому учет влажности при определении градиентов показателя преломления атмосферы обязателен. Показатель преломления радиоволн в атмосфере выражается формулой

где е— упругость водяного пара в мб; остальные обозначения прежние.

Первый член правой части формулы учитывает влияние электронной поляризации всех газов атмосферы, а второй — тепловой ориентационной поляризации водяных паров.

Рефракция УКВ. Известно, что УКВ, как я световые волны, вследствие малой дифракции у поверхности Земли распространяются прямолинейно. Поэтому максимальная дальность обнаружения (и связи) должна быть равна расстоянию, на котором объект скрывается за горизонтом. Такое положение наблюдается только в том воображаемом случае, когда атмосфера однородна как по вертикали, так и по горизонтали. В действительности атмосфера неоднородна; ее коэффициент преломления (п), определяющий скорость распространения радиоволн в пространстве, распределен неравномерно, а в данной точке изменяется и во времени.

В силу этих обстоятельств траектории УКВ оказываются не прямолинейными, а искривленными, и дальность радиогоризонта становится несколько большей, чем дальность геометрического горизонта. Градиенты коэффициента преломления по вертикали во много раз больше, чем по горизонтали, поэтому радиолучи искривляются главным образом в вертикальной плоскости, хотя может наблюдаться и боковая рефракция. Как и в случае рефракции световых волн, может иметь место земная и астрономическая радиорефракция с теми же следствиями.

Принципиальное отличие рефракции радиоволн от рефракции световых волн состоит в том, что показатель преломления первых сильно зависит от упругости водяных паров в атмосфере, в то время как для вторых его влияние несущественно.

Стандартная дальность обнаружения (или дальность связи) обычно наблюдается в '/4 всех случаев. Дальность радиогоризонта определяется по формуле Д = 4,12 √h₁ + √h₂, где h₁ и h₂ – высоты антенн приемника и передатчика или антенны РЛС и объекта наблюдения в м.

В реальных условиях могут наблюдаться следующие случаи: отсутствие рефракции, отрицательная рефракция и положительная рефракция.

Кроме того, часто встречается так называемое волноводное распространение радиоволн, при котором радиолуч испытывает многократные отражения от земной поверхности и от слоя, расположенного на высоте нескольких десятков метров. Распределение показателя преломления по высоте в таких случаях следующее. От поверхности Земли до некоторой высоты (высоты атмосферного волновода) показатель преломления резко падает, а далее его градиент имеет значение, близкое к стандартному.

Слои с большим вертикальным градиентом показателя преломления всегда ограничены по высоте; их толщина, как правило, не превышает несколько десятков и в редких случаях сотен метров. В этом случае луч распространяется между двумя поверхностями со сравнительно большой проводимостью, что напоминает распространение энергии в металлических волноводах. Благодаря многократному отражению энергии от проводящих поверхностей дальность распространения радиоволн увеличивается во много раз. Аналогия с металлическим волноводом проявляется и в том, что чем толще слой, тем длиннее волна в нем «захватывается». Поэтому атмосферные волноводы малой интенсивности (малая толщина слоя и малые вертикальные коэффициенты преломления) тем эффективнее, чем короче волна распространяется в них.

До сих пор мы рассматривали влияние земной радиорефракции на дальность радиогоризонта, что нельзя отождествлять с дальностью распространения электромагнитной энергии, а следовательно, и с дальностью приема или радиолокационного обнаружения объектов.

Дело в том, что при распространении радиоволн над земной поверхностью всегда происходит интерференция волн, идущих от источника излучения в точку приема по определенной траектории, и волн, падающих на земную поверхность и затем отражающихся от нее вверх. Вследствие этого характеристика излучения имеет форму пространственных лепестков. При пониженной и повышенной рефракции эта характеристика сохраняется, хотя и деформируется. При отрицательной рефракции лепестки приподнимаются кверху, уменьшая напряженность поля вблизи Земли, а при положительной - прижимаются к Земле, создавая благоприятные условия для приема или радиолокационного обнаружения.

При сверхрефракции лепестковая структура поля нарушается из-за многократного отражения от верхней границы атмосферного волновода и от земной поверхности. При этом напряженность поля у Земли сильно повышается. Атмосферные волноводы могут быть не только приводными (приземными), но и приподнятыми, т. е. начинающимися не от поверхности Земли, а на некоторой высоте. Если излучатель и приемник находятся внутри таких волноводов, то их влияние будет аналогично влиянию приводных (приземных); при другом расположении излучателя и приемника влияние таких волноводов усложняется.

Ослабление УКВ в атмосфере. Дальность радиолокационного наблюдения, кроме условий рефракции, зависит также от поглощения и рассеяния энергии радиоволн в атмосфере, поскольку эти явления вызывают ослабление напряженности электромагнитного поля. На процессы поглощения и рассеяния энергии в атмосфере большое влияние оказывает водяной пар, находящийся в атмосфере.

Поглощение энергии внешнего поля молекулами воздуха и прежде всего водяного пара и кислорода сводится к расходу энергии на раскачивание диполей. Этот процесс повышает энергетический уровень движения молекул, следствием чего будет переход электромагнитной энергии в тепловую, а также излучение электромагнитных волн самими молекулами при определенном («дозволенном») энергетическом уровне.

Следствием поглощения и рассеяния энергии электромагнитных волн в атмосфере является затухание (ослабление) поля с расстоянием и временем. Поглощающими и рассеивающими средами в атмосфере являются как неоднородности воздуха, так и находящиеся в воздухе капли воды и кристаллы льда.

Рассеяние энергии радиоволн имеет следствием не только ослабление поля, но также и отражение энергии. Всякого рода неоднородности в самой атмосфере рассеивают энергию, которая, интерферируя с полем прямой волны, обусловливает флуктуации последнего, а также увеличивает напряженность поля и тем самым увеличивает дальность распространения, а следовательно, и дальность приема. Такого рода неоднородности могут иметь как форму слоев, так и форму случайно расположенных объемов.

В чистой атмосфере некоторое ослабление сигналов обусловливается поглощением энергии молекулами газов за счет затраты работы на их колебания, а также на вторичное излучение. При этом имеется монотонное ослабление с укорочением длины волны и резонансное, обязанное тому, что частоты собственных колебаний молекул, имеющих постоянный дипольный момент, могут совпадать с частотами электромагнитного поля. Для кислорода резонансные длины волн равны 0,5 и 0,25 см, а для водяного пара 1,3 см. Вследствие этого волна с длиной 0,5 см на расстоянии в 1 км ослабевает более чем в 100 раз, а волна с длиной 1,33 см — более чем в 10 раз. Вне резонансных областей ослабление невелико. Так, амплитуда волн длиной 3 см на 100 км ослабевают в 18 раз, а волн длиной 10 см — в 11 раз.

Нерезонансное поглощение волн 10-сантиметрового диапазона уменьшает дальность обнаружения цели, находящейся на расстоянии 200 км, на 10%, а волн 3-сантиметрового диапазона — на 25%. Степень ослабления поля увеличивается с увеличением плотности воздуха и содержания в нем водяных паров.

Если для чистой атмосферы доля рассеяния в общем ослаблении радиосигналов пренебрежимо мала, то при наличии в воздухе пыли и гидрометеоров доля рассеяния увеличивается с увеличением размеров примесей (капель, пыли) и уменьшением длины волны. В обычных осадках доля рассеяния в несколько раз меньше доли поглощения.

Степень ослабления радиоволн в осадках зависит от их водности, размеров капель и температуры. Наименьшее ослабление наблюдается ^в тумане, наибольшее в тропическом дожде. Туманы при температуре воздуха 0° вызывают большее сокращение дистанции обнаружения, чем туманы при +15°. Это объясняется увеличением поляризации капель воды с ростом температуры воздуха.

При визуальной видимости в тумане более 90 м дальность радиолокационного обнаружения практически не зависит от тумана; при видимости менее 45 м дальность обнаружения для объектов с хорошей отражательной способностью заметно сокращается, а с плохой — сокращается несколько меньше. Такая закономерность объясняется тем, что поглощение энергии в среде пропорционально самой энергии, попадающей в нее.

Облака влияют на ослабление радиосигнала так же, как и туманы, т. е. ослабление пропорционально водности, и только мощные кучевые и кучево-дождевые облака сильно ослабляют сигналы из-за больших размеров капель в них. Кроме ослабления сигнала, рассеяние радиоволн в облаках и осадках приводит к тому, что сигнал вторичного излучения (отраженный) принимается радиолокационной станцией, как помеха, затрудняющая наблюдение за полезной целью (маскирует ее).

Ослабление радиоволн при выпадении града обычно много меньше, чем в случае выпадения дождя той же водности.

Сигналы, отраженные от снега, зависят от интенсивности снега (водности), размеров снежинок и главным образом от наличия на них слоя воды (смачивания). При низких температурах отраженные от снега сигналы намного слабее сигналов от дождя равной водности. Отраженные сигналы от мокрого снега больше, чем сигналы от дождя равной интенсивности. Это объясняется тем, что отражающая поверхность мокрого снега больше, чем капель с таким же количеством воды, а электрическая проницаемость его смоченной поверхности равна таковой для капель дождя. Сухой же снег имеет электрическую проницаемость в десятки раз меньшую, чем вода, вследствие чего он слабо отражает радиоволны.

До сих пор отражения радиоволн от облаков и осадков мы рассматривали как помехи для радиолокационного наблюдения. В то же время эти отражения широко используются для метеорологических наблюдений. С помощью радиолокационных станций представляется возможным вести наблюдения за облаками и осадками на расстояниях в сотни километров, причем одновременно обозревать большие пространства.

Эти наблюдения позволяют определять области, занятые облаками и осадками, интенсивность осадков по интенсивности отраженного сигнала, скорость и направление перемещения облаков по данным повторных наблюдений, а также определять характер осадков. Так, внутримассовые осадки на индикаторе кругового обзора представляются в виде разбросанных по полю экрана пятен, а в случае фронтальных осадков пятна расположены в виде сплошной полосы. Осадки тропических циклонов представляются в виде яркого слитного пятна с быстроменяющимися формами краев, которые напоминают брызги, вылетающие от центра пятна по спиралям. Обычно на окраине пятна имеется незасвеченная площадь в виде полуокружности. Так изображается «глаз бури» — центр тропического циклона, в котором отмечается прояснение. Он не попадает в центр пятна потому, что из-за ослабления энергии в передней части циклона его тыловая часть не освещается радиолокатором.

Таким образом, представляется возможным освещать метеорологическую обстановку в районах, где нет обычных метеорологических наблюдений, например над морями и океанами. Такие наблюдения широко используются для службы предупреждений об опасных метеорологических явлениях как на кораблях, так и в базах и на аэродромах. Кроме этого, радиолокационные наблюдения за облаками и осадками используются для определения их вертикальной протяженности, что обычными средствами наблюдений производить не представляется возможным.

Радиолокационные наблюдения за облаками и осадками имеют большое значение для изучения их структуры. Например, установлено, что облака состоят из отдельных элементов разной водности; размеры этих элементов — от нескольких сотен метров до нескольких километров. Представляется также возможным определять слои в облаках, где происходит обледенение самолетов.

С помощью радиолокационных наблюдений за облаками и осадками установлено, что фронтальные облачные системы и осадки не являются непрерывными; в зоне фронта обнаруживаются разрывы, характеризующиеся ясным небом.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: