Электрические параметры ионосферы

Наличие в верхних слоях атмосферы электронов и ионов определяет электрические параметры ионосферы. Предположим, что ионосфера представляет собой квазинейтральный ионизированный газ, содержащий нейтральные молекулы, положительные ионы и свободные электроны. Рассмотрим распространение плоской монохроматической волны в таком ионизированном газе.

При прохождении радиоволны через ионосферу положительные ионы и свободные электроны начинают двигаться упорядоченно в такт с изменением поля волны. Движущиеся в ионосфере заряды можно рассматривать как некоторый конвекционный ток. Поскольку масса положительных ионов много больше массы электронов, можно пренебречь ионным током и рассматривать только конвекционный ток электронов, обозначив его плотность J_3Jl. Плотность конвекционного тока электронов определяется концентрацией электронов в газе N и скоростью их движения V:

Под действием электрического поля радиоволны происходит и поляризация ионизированного газа. Электроны в атоме или молекуле смещаются относительно равновесного положения в направлении, обратном направлению вектора напряженности электрического поля. Таким образом, наряду с конвекционным электронным током существует и ток смещения J_CM, плотность которого будет.

Плотность полного тока в ионизированном газе складывается из суммы конвекционного электронного тока и тока смещения:

При этом плотность воздуха настолько велика, что расстояние между частицами в ионосфере много меньше длины радиоволн. В этом случае ионосферу можно рассматривать как сплошную среду с диэлектрическими проницаемостью е и проводимостью у. Плотность тока в ней можно записать так:

Если считать процессы в реальной ионосфере и воображаемой сплошной среде эквивалентными, то.

Учитывая, что векторы Е и У коллинеарные, получим скалярное уравнение для гармонических режимов в комплексной форме:

В этом уравнении нам неизвестна скорость движения электронов V. Определим ее, используя уравнение движения.

где т — масса электрона; v — число столкновений электронов с ионами и молекулами в единицу времени.

Величина mvV характеризует изменение количества движения электронов при соударениях за единицу времени и аналогична силе трения. Решение уравнения (9.34) определяем в виде.

После подстановки выражения (9.35) в уравнение (9.34) получим.

Сопоставляя мнимые и действительные члены в уравнении (9.36), получим выражения для диэлектрической проницаемости е и проводимости у:

Для большинства диапазонов радиоволн выполняется условие со² > v², поэтому выражения для относительной диэлектрической проницаемости г, и проводимости у примут вид.

Из последних соотношений видно, что е_г и у зависят от частоты. Следовательно, ионосфера является средой диспергирующей. Кроме того, поскольку концентрация электронов N в ионосфере меняется от точки к точке — ионосфера является средой неоднородной.

Величина.

имеет размерность частоты и называется собственной частотой ионизированного газа или (плазменной частотой Ленгмюра). Определим плазменную частоту /", используя известные значения для массы, заряда электрона и диэлектрической проницаемости вакуума:

Здесь N — число электронов в кубическом метре, /" — плазменная частота в герцах.

Используя выражение для плазменной частоты, запишем выражение для относительной диэлектрической проницаемости ионизированного газа в виде.

Основные особенности распространения радиоволн в ионосфере можно объяснить, принимая в первом приближении, что концентрация электронов в ионосфере, а следовательно, и ее диэлектрическая проницаемость е_г зависят только от высоты над поверхностью Земли.

Изменения диэлектрической проницаемости в ионосфере значительно отличаются от изменений этого параметра в тропосфере. Диэлектрическая проницаемость в тропосфере меняется с высотой незначительно и близка к единице. В ионосфере, как очевидно из выражения (9.38), при частотах радиоволны, больших собственной частоты ионизированного газа, относительная диэлектрическая проницаемость е_г оказывается меньше нуля. Это означает, что коэффициент преломления является мнимой величиной:

и при / < /_п электромагнитные колебания в ионосфере не распространяются. Чтобы выяснить физический смысл мнимого коэффициента преломления, подставим его значение в выражение для плоской волны:

Отсюда следует, что при / < /" электромагнитные колебания в ионосфере не распространяются и затухают по экспоненциальному закону.