Волновод Земля–ионосфера

Волновод Земля -ионосфера ^[1] — это явление, при котором определенные радиоволны могут распространяться в пространстве между землей и границей ионосферы . Поскольку ионосфера содержит заряженные частицы , она может вести себя как проводник . Земля действует как заземляющая плоскость , а полученная полость ведет себя как большой волновод .

Сигналы крайне низкой частоты (ELF) (< 3 кГц) и очень низкой частоты (VLF) (3–30 кГц) могут эффективно распространяться в этом волноводе. Например, удары молнии запускают сигнал, называемый радиоатмосферными , который может распространяться на многие тысячи километров, поскольку он заключен между Землей и ионосферой. Кругосветная природа волновода создает резонансы , подобные полости, которые находятся на частоте ~7 Гц.

Введение

Распространение радиоволн в ионосфере зависит от частоты, угла падения , времени суток, сезона, магнитного поля Земли и солнечной активности. При вертикальном падении волны с частотами, большими, чем электронная плазменная частота ( в Гц) максимума F-слоя ${\displaystyle f_{e}}$

( in — электронная плотность) может распространяться через ионосферу практически не возмущенной. Волны с частотами, меньшими, чем отражаются в пределах ионосферных слоев D, E и F. ^{[2] [3]} имеет порядок 8–15 МГц в дневных условиях. При наклонном падении критическая частота становится больше. ${\displaystyle N_{e}}$ ${\displaystyle m^{-3}}$ ${\displaystyle f_{e}}$ ${\displaystyle f_{e}}$

Очень низкие частоты (ОНЧ: 3–30 кГц) и крайне низкие частоты (ЭНЧ: <3 кГц) отражаются в ионосферном слое D и нижнем слое E. Исключением является свистящее распространение сигналов молний вдоль линий геомагнитного поля. ^{[2] [4]}

Длины волн ОНЧ (10–100 км) уже сопоставимы с высотой ионосферного D-слоя (около 70 км днем ​​и 90 км ночью). Поэтому лучевая теория применима только для распространения на короткие расстояния, тогда как для больших расстояний необходимо использовать модовую теорию. Область между поверхностью Земли и ионосферным D-слоем ведет себя, таким образом, как волновод для ОНЧ- и КНЧ-волн.

При наличии ионосферной плазмы и геомагнитного поля существуют электромагнитные волны для частот, которые больше гирочастоты ионов (около 1 Гц). Волны с частотами, меньшими гирочастоты, называются гидромагнитными волнами. К этому типу волн относятся геомагнитные пульсации с периодами от секунд до минут, а также волны Альвена .

Передаточная функция

Прототипом короткой вертикальной стержневой антенны является вертикальный электрический диполь Герца , в котором протекают электрические переменные токи частоты f. Его излучение электромагнитных волн в волноводе Земля-ионосфера можно описать передаточной функцией T(ρ,ω):

где E _z — вертикальная составляющая электрического поля на приемнике на расстоянии ρ от передатчика, E _o — электрическое поле диполя Герца в свободном пространстве, а угловая частота . В свободном пространстве она равна . Очевидно, что волновод Земля–ионосфера является дисперсионным, поскольку передаточная функция зависит от частоты. Это означает, что фазовая и групповая скорость волн зависят от частоты. ${\displaystyle \omega =2\pi f}$ ${\displaystyle T=1}$

Теория лучей

В диапазоне ОНЧ передаточная функция представляет собой сумму земной волны, которая поступает непосредственно в приемник, и многоскачковых небесных волн, отраженных от ионосферного D-слоя (рисунок 1).

Для реальной поверхности Земли земная волна рассеивается и зависит от орографии вдоль траектории луча. ^[5] Для волн ОНЧ на более коротких расстояниях этот эффект, однако, имеет второстепенное значение, и коэффициент отражения Земли в первом приближении составляет . ${\displaystyle R_{e}=1}$

На более коротких расстояниях важна только первая волна скачка. D-слой можно смоделировать магнитной стеной ( ) с фиксированной границей на виртуальной высоте h, что означает скачок фазы на 180° в точке отражения. ^{[2] [5]} В действительности электронная плотность D-слоя увеличивается с высотой, а волна ограничена, как показано на рисунке 2. ${\displaystyle R_{i}=-1}$

Сумма земной волны и первой скачковой волны показывает интерференционную картину с интерференционными минимумами, если разница между траекториями лучей земной и первой небесной волны составляет половину длины волны (или разность фаз 180°). Последний интерференционный минимум на земле (z = 0) между земной волной и первой небесной волной находится на горизонтальном расстоянии

где c — скорость света. В примере на рисунке 3 это расстояние около 500 км.

Теория волновых режимов

Теория распространения лучей ОНЧ волн перестает работать на больших расстояниях, поскольку в сумме этих волн участвуют последовательные многоскачковые небесные волны, и сумма расходится. Кроме того, становится необходимым учитывать сферическую Землю. Теория мод, которая является суммой собственных мод в волноводе Земля-ионосфера, справедлива в этом диапазоне расстояний. ^{[5] [6]} Волновые моды имеют фиксированные вертикальные структуры своих вертикальных электрических компонент поля с максимальными амплитудами внизу и нулевыми амплитудами вверху волновода. В случае фундаментальной первой моды это четверть длины волны. С уменьшением частоты собственное значение становится мнимым на частоте отсечки , где мода меняется на затухающую волну. Для первой моды это происходит при ^[2]

ниже которого этот режим не будет распространяться (рисунок 4).

Затухание мод увеличивается с волновым числом n. Поэтому, по сути, только первые две моды участвуют в распространении волн. Первый интерференционный минимум между этими двумя модами находится на том же расстоянии, что и последний интерференционный минимум лучевой теории ( Уравнение 3 ), что указывает на эквивалентность обеих теорий ^[7] Как видно на рисунке 3, расстояние между интерференционными минимумами мод постоянно и составляет около 1000 км в этом примере. Первая мода становится доминирующей на расстояниях более 1500 км, поскольку вторая мода сильнее затухает, чем первая.

В диапазоне ELF-волн применима только теория мод. Основной модой является нулевая мода (рисунок 4). D-слой становится здесь электрической стенкой (R _i = 1). Его вертикальная структура — это просто вертикальное электрическое поле, постоянное с высотой.

В частности, резонансная нулевая мода существует для волн, которые являются неотъемлемой частью окружности Земли и имеют частоту

с радиусом Земли. Первые резонансные пики находятся на 7,5, 15 и 22,5 Гц. Это резонансы Шумана . Спектральные сигналы от молнии усиливаются на этих частотах. ^{[5] [8]}

Характеристики волновода

Приведенное выше обсуждение просто иллюстрирует простую картину теории мод и лучей. Более детальное рассмотрение требует большой компьютерной программы. В частности, трудно решить проблему горизонтальной и вертикальной неоднородности волновода. Эффект кривизны Земли заключается в том, что вблизи антипода напряженность поля немного увеличивается. ^[5] Из-за влияния магнитного поля Земли среда становится анизотропной, так что коэффициент отражения ионосферы в действительности является матрицей. Это означает, что вертикально поляризованная падающая волна после отражения от ионосферного D-слоя преобразуется в вертикально и горизонтально поляризованную волну. Более того, геомагнитное поле приводит к невзаимности ОНЧ-волн. Волны, распространяющиеся с востока на запад, сильнее затухают, чем наоборот. Возникает проскальзывание фазы вблизи расстояния глубокого интерференционного минимума уравнения 3 . Во время восхода и/или захода Солнца иногда наблюдается смещение или потеря фазы на 360° из-за необратимого поведения первой небесной волны.

Дисперсионные характеристики волновода Земля-ионосфера могут быть использованы для определения местоположения грозовой активности путем измерения разности групповой задержки сигналов молний ( сфериков ) на соседних частотах на расстояниях до 10000 км. ^[7] Резонансы Шумана позволяют определять глобальную грозовую активность. ^[9]

Смотрите также

• резонатор Альфвена
• Атмосферный канал
• Коротковолновое радио
• Скайвейв
• Тропосферный воздуховод

Ссылки и примечания

Примечания

1. Передатчик представляет собой вертикальный электрический диполь Герца, излучающий на частоте 15 кГц. Виртуальная высота отражения волновода Земля-ионосфера составляет 70 км, что соответствует дневным условиям в средних широтах. Минимум амплитуды вблизи ρ = 500 является последним минимумом интерференции между земной волной и первой небесной волной (теория лучей). Это также первый минимум интерференции между первой и второй модой (теория мод)

Цитаты

1. Спайс, Кеннет П. и Джеймс Р. Уэйт, Расчеты мод для распространения ОНЧ в волноводе земля-ионосфера (июль 1961 г.). Национальное бюро стандартов США. QC100 .U5753 № 114 1961.
2. Дэвис, К., «Ионосферное радио», Peregrinus Ltd, Лондон, 1990
3. Равер, К., «Распространение волн в ионосфере», Kluwer Publ., Дордрехт, 1993
4. Роберт А. Хелливелл (2006). Свистуны и связанные с ними ионосферные явления . Dover Publications, Inc. ISBN 978-0-486-44572-4.Первоначально опубликовано издательством Стэнфордского университета, Стэнфорд, Калифорния (1965).
5. Уэйт, Дж. Р., Электромагнитные волны в стратифицированных средах, Макмиллан, Нью-Йорк, 1979
6. Бадден, К.Г., «Распространение радиоволн», Кембридж, University Press, Кембридж, 1985
7. Volland, H., «Атмосферная электродинамика», Springer Verlag, Гейдельберг, 1984
8. Николаенко А.П.; М. Хаякава (2002). Резонансы в полости Земля–ионосфера . Kluwer Academic Publishers, Дордрехт-Бостон-Лондон.
9. Heckman SJ; E. Williams (1998). "Общая глобальная молния, выведенная из измерений резонанса Шумана". J. Geophys. Res . 103(D24) (D24): 31775–31779. Bibcode :1998JGR...10331775H. doi : 10.1029/98JD02648 .