ЛЕКЦИЯ 4. РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН В ЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЕ

4.1.Физические процессы, наблюдаемые при распространении

радиоволн в атмосфере

Земная атмосфера представляет собой пространственно-неоднородную поглощающую среду, а ее верхняя часть - ионосферная плазма обладает еще дисперсными и анизотропными свойствами. Распространение радиоволн в такой среде сопровождается следующими физическими процессами:

а) преломлением волн, обусловленным пространственной неоднородностью атмосферы; процесс преломления осложняется двойным лучепреломлением в анизотропной ионосфере;

б) рассеянием поля на локальных неоднородностях атмосферы;

в) ослаблением напряженности поля в газах тропосферы, в осадках типа дождя, тумана и др.;

г) поглощением, обусловленным конечной проводимостью ионосферы;

д) изменением поляризации волны в анизотропной ионосфере и деполяризацией в осадках;

е) регулярными и случайными флуктуациями напряженности поля, связанными с изменениями электрических параметров атмосферы;

ж) искажениями передаваемой информации из-за многолучевой структуры принимаемого поля и дисперсии.

Рассмотрение количественных характеристик этих процессов, имеющих резко выраженную частотную зависимость в пределах радиодиапазона, приводится ниже.

4.2. Преломление радиоволн

Общие соображения. Диэлектрическая проницаемость атмосферы плавно меняется по высоте. Распространение радиоволн в такой среде сопровождается плавным искривлением траектории распространения - явлением рефракции.

При наличии рефракции траектория представляет кривую, к которой касателен вектор, характеризующий скорость распространения энергии волны. Известно, что при распространении сигнала, энергия которого сконцентрирована в пределах полосы частот - таким вектором в среде без дисперсии (тропосфера, стратосфера) является вектор фазовой скорости, в среде с дисперсией (ионосфера) - вектор групповой скорости.

В атмосфере скорость распространения волны разная на различных высотах. Поэтому элементы фронта волны, распределенные в пространстве, перемещаются с разными скоростями, что и является причиной поворота фронта волны в процессе распространения, т.е. причиной рефракции.

При определении траектории радиоволн в атмосфере используют метод приближения геометрической оптики. Этот метод рассматривает непрерывный волновой процесс, распределенный в неоднородной среде, как совокупность множества дискретных лучей. При этом каждая точка среды является источником преломленного и отраженного лучей. Лучевое представление справедливо для неоднородных сред с настолько медленным изменением коэффициента преломления n, что на отрезке пути, соизмеримом с длиной волны в среде, можно принять n(h) = соnst. При этом, в первом приближении, можно пренебречь отраженным лучом и свести процесс распространения к наличию только преломленного. В атмосфере приближение геометрической оптики справедливо для всех волн радиодиапазона, за исключением диапазонов СДВ и ДВ (λ > 1000 м).

4.2.1.Влияние тропосферы на распространение земных радиоволн. Явление атмосферной рефракции

Влияние неоднородности тропосферы на условия распространения земных волн теснейшим образом связано с явлением атмосферной рефракции, известным ещё с глубокой древности (2 век до н. э.). Явление атмосферной рефракции, как известно, заключается в преломлении световых лучей (а следовательно, и радиоволн), распространяющихся в земной атмосфере. Выражение для радиуса кривизны траектории радиоволны, распространяющейся в тропосфере имеет вид R = n_т / [sinφ(-dn/dh)]. Известно, что в тропосфере n_т ≈ 1. Когда луч пологий sinφ =>1. Отсюда R = 10⁶ / (-dN/dh).

Это выражение показывает, что радиус кривизны луча в нижних слоях тропосферы определяется не абсолютным значением показателя преломления, а быстротой изменения показателя преломления 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 радиоволн получают форму дуг окружности радиуса R = 25000 км.

Следует отметить, что радиоволны испытывают в нормальной тропосфере несколько большее преломление, чем световые лучи. Объясняется это тем, что обладающие постоянным дипольным моментом молекулы воды вследствие конечной массы не успевают под действием электромагнитного поля      весьма     высоких    частот,     свойственных       видимому      свету

(4 × 10¹⁴Гц...7,5 × 10¹⁴Гц), менять свою ориентировку. Наоборот, в диапазоне радиоволн (f < 3 × 10¹¹ МГц) полярные молекулы в полной мере участвуют в колебательном движении и вносят свои изменения в значение коэффициента преломления. Для световых лучей R ≈ 50000 км. Атмосферная рефракция, имеющая место в нормальной тропосфере, получила название нормальной рефракции.

Учёт атмосферной рефракции при распространении радиоволн в пределах прямой видимости. Понятие об эквивалентном радиусе Земного шара

Рассмотрим учёт влияния атмосферной рефракции на распространение радиоволн при поднятых передающей и приёмной антеннах в условиях применимости интерференционных формул, вывод которых мы рассмотрим чуть позже. Как известно, подобные условия встречаются только в диапазоне ультракоротких волн. Необходимость такого учёта именно в диапазоне ультракоротких волн обусловлена тем, что в условиях применимости интерференционных формул результирующее поле в месте приёма зависит от геометрической разности хода прямого и отражённого от земли лучей. Вывод интерференционных формул основывается на предположении, что волны распространяются по прямым, тогда как в действительности радиоволны распространяются по криволинейным траекториям, т.е. проходят более длинные пути, что несомненно влияет на геометрическую разность хода лучей. Кроме того, изменение диэлектрической проницаемости с высотой влияет на скорость распространения радиоволн, а следовательно, и на «оптическую разность хода лучей», как принято называть разность хода, вычисленную с учётом скорости распространения волн. На рис.4.1 пунктирными линиями показаны прямолинейные траектории прямого и отражённого от земли лучей при распространении в однородной атмосфере. В нормальной тропосфере радиоволны распространяются по криволинейным траекториям, точнее, по дугам окружностей, показанных на рисунке сплошными линиями. Замена прямолинейных  траекторий  дугами  окружностей  изменит  конечные  значения разности хода лучей. В 1933 г. Скиллинг, Берроуз и Феррелл предложили упрощённый способ учёта влияния атмосферной рефракции, заключающийся в том, что оба луча,  как  и  прежде,  распространяются по прямолинейным траекториям, однако не над

Рис.4.1. Траектории радиоволн в реальной атмосфере

поверхностью Земли радиуса а, а над воображаемой поверхностью с эквивалентным радиусом а_э. Значение эквивалентного радиуса определяется из условия сохранения постоянства относительной кривизны между лучом и поверхностью Земли в  действительных  условиях и  в э квивалентной схеме распространения (табл.4.1). Относительной кривизной в аналитической геометрии называют разность 1/а-1/R. Отсюда 1/а –1/R = 1 /а_э-1/∞. Из этого выражения получаем формулу для эквивалентного радиуса Земли

а_э = а / ( 1 – a / R),         а_э = а / [ 1 + а(dN/dh) × 10^-6].

При нормальной тропосферной рефракции а_э = 8500 км. Представление об эквивалентном радиусе земного шара позволяет учесть неоднородную атмосферу путём замены в формулах действительного радиуса Земли а его эквивалентным значением. Так формула для определения расстояния прямой видимости принимает вид       

В табл.4.1 приведены значения эквивалентного радиуса Земли, реальные и эквивалентные траектории для различных видов тропосферной рефракции. В тех случаях, когда кривизна земли во внимание не принимается, что возможно при расчётах напряжённости поля на небольших удалениях от передатчика, можно не принимать во внимание и атмосферную рефракцию.

4.2.2. Преломление и отражение радиоволн в ионосфере

Условия отражения от ионизированного слоя. До сих пор рассматривались различные случаи распространения радиоволн в однородном ионизированном газе. Реальная ионосфера представляет собой неоднородный ионизированный газ. Влияние неоднородности ионосферы проявляется, прежде всего, в том, что радиоволны в таких условиях будут распространяться не по прямолинейным траекториям, а по криволинейным. В известных условиях радиоволны, испытывая полное отражение от ионосферы, возвращаются на Землю.

Рассмотрим сначала случай распространения радиоволн в «плоской ионосфере», т.е. в таком ионизированном газе, у которого поверхности одинаковых значений электронной концентрации представляют параллельные друг другу плоскости (рис.4.2). Кроме того, на первых порах будем считать ионосферу состоящей из ряда плоских слоев весьма малой толщины, в пределах каждого из которых  электронная концентрация имеет постоянное значение. Обозначим через N₁ электронную концентрацию внутри первого слоя, через N₂ - электронную концентрацию внутри второго слоя и т.д., причём будем  с,  ЧТО  выполняется  неравенство   

N₁ < N₂ < N₃ < ... <N_n. Предположим далее, что на самый нижний слой из неионизированного воздуха падает луч частоты f под углом падения φ₀ (рис.4.2).

Основываясь    на    выражении    для    коэффициента    преломления

,

можно написать 1 > n₁ > n₂ > n₃ >…> n_n > n_n+1. Применяя к каждой границе закон синусов, получим n₀sinφ₀= n₁sinq₁; n₁sinφ₁= n₂sinq₂ или n₀sinφ₀ = n₁sinφ₁ = n₂sinφ₂ =…= n_nsinφ_n. После достаточного  числа преломлений угол падения у n-го слоя на высоте h_отр может сколь угодно близко подойти к 90°. Полагая φ_n ≈ 90° и сохраняя в равенстве крайние члены, получим sinφ₀ = n илиили 1-sin²φ₀ = 80,8N / f², cos²φ₀ = 80,8N / f², отсюда

автоматически f = f_kpsecφ₀ - закон секанса, где φ₀ - угол падения волны на ионосферный слой   

Физической причиной поворота волны в вершине траектории следует считать полное внутреннее отражение. Напомним, что полное отражение происходит в том случае, когда при переходе из оптически более плотной в оптически менее плотную среду (т.е. среду с меньшим значением коэффициента преломления) угол падения превышает некоторое критическое значение.

Дополнительными условиями являются: 1 - радиус кривизны траектории радиоволны должен быть меньше а + h_отр. 2-в точке поворота радиоволны dN/dh должно превышать некоторое критическое значение. Численные расчёты показывают, что последнее условие почти всегда выполняется и решающим является условие закона секанса.

Практическое значение дополнительного условия заключается в следующем: в точке отражения электронная концентрация обязательно должна возрастать, а отражение не может происходить в области максимума электронной концентрации и тем более в области уменьшения электронной концентрации с высотой.

Наибольшая частота, при которой радиоволны отражаются от данного ионосферного слоя при вертикально направленном луче, получила название критической частоты. Условие поворота радиоволны может быть выполнено только и только в том случае, если частота волны не превосходит f_кр . Волны, не удовлетворяющие этому условию, от ионосферы не отражаются, а пронизывают её насквозь.

Отражение от ионосферы вертикально направленных лучей. При нормальном падении радиоволны на ионосферу от неё будут отражаться только те радиоволны, частота которых не превосходит критического значения. Действительно, положив в расчетной формуле φ₀ = 0, находим n_и= 0 или, что то же ε_и = 0. Таким образом, вертикально направленный луч отражается от той области ионосферы, в которой диэлектрическая проницаемость обращается в нуль. Предположив, что на больших высотах электронная концентрация продолжает возрастать, приходим к выводу, что на этих высотах электрическая проницаемость делается отрицательной, а показатель преломления мнимым. Существенно заметить, что при учёте столкновений показатель преломления не обращается в нуль даже при отрицательных значениях диэлектрической проницаемости.

4.3. Рассеяние радиоволн слабыми неоднородностями диэлектрической проницаемости атмосферы

Атмосфера представляет собой среду, в которой наблюдается медленное изменение по высоте диэлектрической проницаемости ε(h) и одновременно существуют, подвижные локальные объемы с диэлектрической проницаемостью, отличающейся на небольшую величину Dε от диэлектрической проницаемости окружающего пространства. Как плавная неоднородность, так и локальные объемы, являются источниками рассеяния радиоволн. Процессом рассеяния называют процесс переизлучения электромагнитного поля в  неоднородной  среде  по  направлениям,  отличным от

направления распространения первичного поля. Структуру рассеянного поля представляют как многолучевую. Элементарные составляющие этой структуры появляются в результате рассеяния первичного поля в разных участках неоднородной среды. В зависимости от свойств рассеивателей различают два вида рассеяния: некогерентное и когерентное.

Некогерентное рассеяние есть результат переизлучения первичного поля подвижными локальными неоднородностями диэлектрической проницаемости, хаотически двигающимися в пространстве. В этом случае фазы элементарных полей, рассеянных отдельными неоднородностями, меняются во времени по случайным независимым законам.

Когерентное рассеяние есть результат сложения элементарных полей, фазы которых изменяются по детерминированному (неслучайному) закону.

Свойства неоднородностей изменяются в пределах толщи атмосферы. Различают рассеяние радиоволн в тропосфере и ионосфере. Первый механизм называется дальним тропосферным распространением (ДТР), второй — ионосферным рассеянием (ИР). Наиболее применим в системах связи механизм ДТР. Характеристики рассеянного поля будем рассматривать применительно к параметрам тропосферы и геометрии трасс ДТР (рис.4.3). При оценке условий рассеяния необходимо знать ту область тропосферы, которая эффективно участвует в формировании рассеянного поля на данной радиолинии. Эта область называется эффективным рассеивающим объемом или просто рассеивающим объемом V_рас. На линиях ДТР, где пункты приема всегда располагаются за линией горизонта, прием осуществляется за счет неоднородностей, существующих в области тропосферы, нижняя граница которой ограничивается плоскостями, касательными к Земле в точках расположения передатчика и приемника (рис.4.3). Нижняя граница рассеивающего объема располагается на высоте h_min ≈ r² / (8a_э)

В

Рис.4.3. К определению угла и объема рассеяния

В условиях средней рефракции для трасс протяженностью r = 200...600 км h_min= 0,6...5 км. При работе с направленными антеннами размер рассеивающего объема ограничен областью пересечения телесных углов главных лепестков диаграмм направленности передающей и приемной антенн. Линейные размеры V_рас пропорциональны ширине диаграмм направленности Dq₀, а объем V_рас пропорционален Dq₀³. V_pac = r³Dq³ / (4q_pac); q_pac ≈ r/a_э, где q_рас - угол рассеяния, образованный пересечением направлений максимального излучения передающей антенны и максимального приема приемной антенны. На трассах протяженностью 200...600 км q_рас ≈ 1,3...4°, т.е. объем рассеяния сильно вытянут вдоль трассы. В соответствии с высотой расположения рассеивающего объема в тропосфере, а также с учетом его размеров считают, что в пределах этого объема существуют неоднородности трех видов: локальные неоднородности турбулентного происхождения, инверсионные слои и плавная неоднородность ε_т(h). Неоднородности первого вида являются источниками некогерентно-рассеянного поля, два других - источниками когерентных составляющих поля.

Теоретические исследования показывают, что интенсивность некогеретно - рассеянного  поля   имеет   резко   выраженный   максимум  при q_рac = 0, т.е. в направлении распространения первичного поля. Такой вид рассеяния называется рассеянием вперед, и его источниками являются слабые неоднородности, через которые основная часть энергии первичного поля проходит «вперед» и только малая часть рассеивается по боковым направлениям, что действительно наблюдается при ДТР. Интенсивность рассеянного поля этого вида быстро уменьшается по мере увеличения длины радиолинии, так как угол рассеяния q_рас пропорционален r. С целью уменьшения угла q_рас и тем самым увеличения напряженности поля в точке приема диаграммы направленности антенн на передаче и приеме стараются по возможности «прижать» к поверхности Земли.

Реальное поле ДТР, формируемое в результате некогерентного и когерентного рассеянии, подвержено быстрым и медленным флуктуациям во времени и в пространстве. Распределение амплитуд поля носит характер сложного нестационарного случайного процесса.

4.4. Влияние магнитного поля Земли на распространение радиоволн в ионосфере

4.4.1. Распространение радиоволн в направлении постоянного магнитного поля Земли

Установлено, что при отсутствии электромагнитной волны электрон движется по окружности в плоскости, нормальной к направлению постоянного магнитного поля. Для рассмотрения процессов, происходящих при распространении волны, удобно разложить линейно поляризованную волну на две волны с круговой поляризацией и разным направлением вращения векторов Е. С вращением вектора Е по часовой стрелке составляющие волны запишутся в следующем виде: Е_Х1=Е/2, Е_У1=-jЕ/2, с вращением вектора Е против часовой стрелки: Е_х11 = Е/2, Е_у11 = + jЕ/2. Если для проверки сложить составляющие этих волн по осям х и у, то получим вектор Е в направлении оси х.

Рис.4.4. Распространение радиоволн в направлении постоянного магнитного поля Земли

Направление вращения вектора е₁ и направление вращения электрона в постоянном магнитном поле совпадают. Смещения электрона под действием волны и постоянного магнитного поля суммируются. Волна с электрическим полем Е₁₁ сообщает электрону смещение в направлении, противоположном направлению вращения электрона в постоянном магнитном поле и результирующее смещение электрона является разностью этих смещений. Следовательно, смещение, получаемое электроном под действием полей Е₁ и Е₁₁, различно. Ионизированный газ поляризуется по-разному волнами с правым и левым вращением вектора Е. Поскольку поляризация определяет диэлектрическую проницаемость вещества, последняя оказывается разной для этих двух волн. Таким образом, при распространении волны в направлении постоянного магнитного поля, линейно поляризованная волна распадается на две волны, поляризованные по кругу с противоположным направлением вращения вектора Е, причем диэлектрическая проницаемость среды для этих волн различна и волны имеют разные фазовые скорости.

При распространении радиоволн в направлении постоянного магнитного поля происходит поворот плоскости поляризации распространяющейся волны. Составляющие волны е₁ и Е₁₁, векторы которых имеют разное направление вращения, испытывают в ионизированном газе в присутствии постоянного магнитного поля различное поглощение, что приводит к появлению эллиптической поляризации суммарного колебания. При распространении волны происходит поворот большой оси эллипса и расширение эллипса за счет более интенсивного поглощения одной из волн. В пределе эллиптическая поляризация может перейти в круговую.

4.4.2. Распространение радиоволн в направлении перпендикулярном к направлению постоянного магнитного поля Земли

Рассмотрим распространение волны в направлении, перпендикулярном к направлению постоянного магнитного поля Земли. Пусть волна распространяется вдоль оси z, а магнитное поле направлено вдоль отрицательных значений оси y (рис.4.5). В этом случае у волны вектор Е волны лежит в плоскости хоу и имеет составляющую Е_х, нормальную к направлению магнитного поля, и составляющую Е_у, совпадающую с направлением магнитного поля.

X

Рис.4.5. Распространение радиоволн в направлении, перпендикулярном направлению постоянного магнитного поля Земли

Очевидно, что на электрон, получающий скорость под действием составляющей поля Е_у, магнитное поле не действует, поскольку сила Лоренца равна нулю. Видно, что волна, распространяющаяся нормально к силовым линиям постоянного магнитного поля, распадается на две составляющие. Вектор Е первой составляющей волны совпадает по направлению с линиями постоянного магнитного поля и оно не влияет на распространение волны. Эта волна называется "обыкновенной". Вектор Е второй составляющей волны нормален к силовым линиям постоянного магнитного поля. Эта волна распространяется с фазовой скоростью, определяемой диэлектрической проницаемостью. При этом появляется составляющая напряженности поля вдоль направления распространения, не совпадающая по фазе с поперечной составляющей, и поле оказывается эллиптически поляризованным в плоскости распространения волны. Такая волна называется "необыкновенной".

Таким образом, волна расщепляется на "обыкновенную " и "необыкновенную " волны.

Составляющие "обыкновенной" и "необыкновенной" волн претерпевают при распространении различное поглощение (в условиях ионосферы больше поглощается составляющая необыкновенной волны) и отражаются на разных высотах.

4.5.Ослабление радиоволны в тропосфере

Ослабление в газах. При распространении радиоволн короче 3...5 см   (f > 6...10 ГГц) в земной атмосфере происходит дополнительное к потерям в свободном пространстве ослабление поля за счет поглощения в газах. Различают нерезонансное и резонансное поглощения.

Нерезонансное поглощение вызывается затратой энергии воздействующего поля на преодоление сил трения между молекулами, возникающими при вынужденном колебательном движении молекул под действием поля.

Резонансное поглощение связано с тем, что по законам квантовой механики каждая молекула того или иного вещества может поглощать (или излучать) только свои собственные наборы квантов энергии или соответствующие им наборы (спектры) частот. При совпадении частоты поля с одной из дискретных частот внутримолекулярных переходов происходит поглощение энергии внешнего поля, в результате чего молекула переходит в более высокое энергетическое состояние. Из всех составляющих атмосферного газа в радиодиапазоне расположены спектры поглощения только кислорода и водяных паров.

Ослабление напряженности поля в кислороде и водяных парах измеряют модулем множителя ослабления в газах V_r который обычно выражают в децибеллах V_r = γ_H2O r_Н2O + γ_O2r_O2, где γ_H2O и γ_O2 - погонные ослабления, дБ/км, вблизи поверхности Земли соответственно для водяного пара и кислорода при горизонтальном распространении волны относительно поверхности Земли; r_Н2O и r_O2 - эффективные длины трасс для водяного пара и кислорода соответственно. Из рис.4.6 видно, что водяной пар имеет полосы поглощения с центрами поглощения вблизи частот 22, 183 и 320 ГГц, а кислород - вблизи частот 60 и 120 ГГц. Эффективные длины трасс учитывают неравномерные условия поглощения вдоль трассы. На наземных линиях  r_Н2O ≈ r_O2 ≈ r, где r - геометрическая длина трассы. На космических линиях путь распространения волны проходит через всю толщу тропосферы. На такой трассе распределение кислорода и водяных паров изменяется по высоте. Кроме того, космический аппарат перемещается относительно наземного пункта, и длина пути распространения изменяется в зависимости от угла возвышения траектории D относительно   линии    горизонта.  На    рис.4.7    приведены   рассчитанные значения множителя ослабления на различных частотах при разных углах D, справедливые для спокойной тропосферы, когда волна проходит всю ее толщу.

Рис.4.6. Погонное ослабление в кислороде и водяных парах на разных частотах

Ослабление в осадках. Различные атмосферные образования в виде конденсированных водяных паров - дождя, тумана, облаков, града, снега, которые состоят из отдельных частиц - капель, льдинок (гидрометеоров), являются причиной ослабления напряженности поля радиоволн. Ослабление вызывается, во-первых, нерезонансным поглощением в частицах и, во-вторых, рассеянием энергии на частицах.

Ослабление может также происходить за счет отражения от резко очерченной полосы осадков. Ослабление в осадках начинает сказываться на частотах f > 6 ГГц (λ < 5см) и особенно существенно на частотах f > 10 ГГц. При этом основное значение имеет ослабление в дожде, а также в тумане и облаках.

Ослабление в дожде. Множитель ослабления в дожде, выраженный в децибеллах V_д = γ_дr_эд.
На рис. 4.8 приведены зависимости погонного ослабления γ_д от частоты при различной его интенсивности J_Д. Видно, что величина γ_д возрастает при увеличении часто ты поля и интенсивности дождя. Эффективная длина трассы r_эд
учитывает неравномерное распределение интенсивности дождя как вдоль поверхности Земли, так и по вертикали. На наземных линиях в условиях дождей слабой или, средней интенсивности (J_д < 20мм/ч r_эд ≈ r).

Рис.4.7. Зависимость V_r(f) при D = соnst

В остальных случаях r_эд = k_rr, где k_r - коэффициент, определяемый графически в зависимости от величин r и J_Д.

Ослабление в тумане и облаках. Оно зависит от количества воды в единице объема, т.е. водности, а также от температуры воздуха и частоты распространяющейся волны. Множитель ослабления в тумане или облаках, выраженный в децибеллах,     V_TO = γ_TOr_TO, при этом коэффициент ослабления γ_то= k_тоr_то, где k_то - удельный коэффициент ослабления, дБкм^-1/(г/м³); М_то  -  водность, г/м³.

20

50 Г Гц

Водность туманов в среднем оценивается величиной М_т ≈ 0,25 г/м³, а облаков изменяется в широких пределах М₀ ≈ (0,1...8) г/м³.

Рис.4.8. Погонное ослабление в дожде

На наземных линиях путь, проходимый волной в тумане (r_т), примерно равен длине трассы r. На космических линиях этот путь зависит от угла возвышения траектории D, и вертикального размера зоны тумана или облаков l_то, т.е. r_то(D) = l_тосоsесD, где l_т ≈ 0,3...2,3 км, а l₀ £  10 км.

4.6.Ослабление в ионосфере

Различают два вида ослабления энергии волны при распространении в ионосфере: поглощение (тепловые потери) и поляризационные потери за счет эффекта Фарадея.

Поглощение. В ионосфере с конечной проводимостью модуль множителя ослабления V_и=ехр[-Г_и(r)], где Г_и(r) - интегральный коэффициент поглощения на пути r, вдоль которого закон изменения коэффициента поглощения определяется функцией δ_и(r) Коэффициент поглощения на элементарном отрезке dr, где  значение δ_И можно считать постоянным,

,

где с₀ - скорость света.

Запишем это выражение через коэффициент преломления n_и² = ε_и. Для этого представим выражение для удельной проводимости как σ_и = ε₀γ_эф(1 - ε_и) и,     подставив,    получим     выражение     для     коэффициента    поглощения

δ_и = γ_эф(1-n_и²) / (2с₀n_и).

Различают два случая расчета поглощения. Первый случай соответствует так называемому "отклоняющему" поглощению. В слое, где происходит отражение, траектория волны сильно отклоняется от прямолинейной. В этом случае n_и < 1 и расчет величины коэффициента поглощения ведут по последней формуле. Второй случай относится к слоям, через которые волна проходит без отражения и где коэффициент преломления n_и ≈ 1. В этих слоях поглощение называют "неотклоняющим" и δ_и = γ_эф(1 - n_и²) / (2с₀). Напомним, что интегральный коэффициент поглощения Г_и определяется не только δ_И, но и длиной пути r. В неотклоняющей области значение Г_и увеличивается с понижением частоты и увеличением длины трассы (при фиксированной частоте). В отклоняющей области зависимости обратные. С увеличением длины трассы и понижением частоты отклоняющее поглощение уменьшается, поскольку уменьшается глубина проникновения волн в отражающий слой. Результирующая частотная зависимость величины поглощения Г_и, как суммы неотклоняющего и отклоняющего поглощений, может быть разной.

Поляризационные потери за счет эффекта Фарадея. Ионосфера под влиянием постоянного магнитного поля Земли приобретает анизотропные свойства. Первичная линейно-поляризованная волна в ионосфере расщепляется на две составляющие с круговой поляризацией и противоположным направлением вращения векторов поля. Каждой составляющей соответствует свой коэффициент преломления - обыкновенной - n_и°, необыкновенной - n_и^х, что обусловливает их разную скорость распространения и разный пространственный набег фазы. Появляющийся сдвиг фаз φ°_rи - φ^х_rи после прохождения пути r_и в ионосфере является причиной того, что плоскость поляризации результирующего линейно поляризованного поля (сумма двух составляющих с круговой поляризацией) оказывается повернутой относительно первоначального положения на угол y_эф.

Поворот плоскости поляризации поля при распространении в анизотропной среде называется эффектом Фарадея. Этот эффект приводит, к рассогласованию поляризации приемной антенны и поляризации принимаемой волны, что эквивалентно потерям.