Файл: Красюк Н.П. Электродинамика и распространение радиоволн учеб. пособие.pdf

тора обратно пропорциональна коэффициенту преломления запол- , няющего его диэлектрика:

где /и и /э — собственные частоты измерительного и эталонного ре­

/и

Радиорефрактомеры устанавливаются на борту самолета, и из­ меряемые значения индекса преломления автоматически регистри­ руются самописцем.

Вопросы для самопроверки

1.Как изменяется химический состав атмосферы с высотой?

2.Как изменяются температура и давление воздуха с высотой?

3. Почему в тропосфере показатель преломления уменьшается с высотой? 4. Как влияют метеорологические условия на электрические параметры тропо­

сферы?

§ 13.4. ИОНИЗАЦИЯ И РЕК ОМ БИ Н АЦИЯ В И ОНОСФ ЕРЕ

Помимо тропосферы, существенную роль в распространении радиоволн, как отмечалось выше, играет ионосфера. Ее строение и состояние определяются составом, температурой и давлением воз­ духа, а также одновременным действием двух противоположных процессов — ионизации и рекомбинации. Под ионизацией понимают образование свободных зарядов в результате отрыва одного или нескольких электронов от наружной оболочки атомов. Рекомби­ нация— это воссоединение отрицательно и положительно заряжен­ ных частиц при их столкновении с образованием нейтральных ато­ мов или молекул [10].

Ионизация. Различают фотоионизацию и ударную ионизацию. При фотоионизации молекулы и атомы газа подвергаются действию электромагнитных волн весьма малой длины, например, ультрафио­ летовых лучей Солнца. Ионизация происходит, если энергия фото­ на ультрафиолетового излучения с длиной волны АУф превышает работу ионизации eU:

^УФ

где h = 6,62• ІО-34, дж-сек — постоянная Планка.

379

Баланс энергии при этом выражается равенством (формула Эйн­ штейна)

Приведенное выше неравенство показывает, что ионизация ка­ кого-либо газа происходит под влиянием излучения с длиной волны, не превышающей некоторой критической длины волны, называемой ионизирующей длиной волны ЛИОнЕсли длина волны излучения бу­

Ионизирующая длина волны Хион, мкм 0,099 0,091 0,080 0,080 0,050 0,085

При ударной ионизации отрыв электрона происходит под дейст­ вием корпускулярного излучения Солнца в виде протонов и элек­ тронов, движущихся с большими скоростями. Ионизация происхо­ дит при скоростях и, больше 2000 км/сек, когда энергия частицы превосходит работу ионизации газов, входящих в состав атмосферы:

Помимо фотоионизации и ударной ионизации, в ионосфере про­ исходят также и другие, более сложные процессы: фотоотлипание и ударное отлипание. При фотоотлипании процесс образования сво­ бодных электронов происходит в результате отрыва электрона от отрицательного иона под действием фотонов. При ударном отлипа­ нии свободные электроны образуются в результате отрыва электро­ на при соударении отрицательного иона и нейтрального атома (или молекулы).

Основным источником ионизации являются ультрафиолетовое и корпускулярное излучения Солнца. Установлено, что ионизирую­ щее действие корпускулярного потока составляет не более 50% от ионизирующего действия ультрафиолетового излучения. Так как заряженные частицы движутся по спиралям в направлении магнит-

380

пых силовых линий Земли к магнитным полюсам, то они произво­ дят ионизацию главным образом в полярных областях.

Другой источник ионизации — ультрафиолетовое излучение звезд. Некоторые звезды имеют очень высокую температуру (до 20 000° С) и интенсивное ультрафиолетовое излучение. Однако из-за большой удаленности их действие составляет примерно тысячную долю от ионизирующего действия Солнца и существенно только в длинные зимние ночи. Источником ионизации является также кос­ мическая пыль, непрерывно вторгающаяся в земную атмосферу и сгорающая в ней. Размер пылинок составляет тысячные доли мил­ лиметров, но их число за сутки достигает ІО20. Ионизацию вызыва­ ют как мощные потоки корпускул, выбрасываемые Солнцем в мо­ менты извержений, и метеоры, которые нагреваются и сгорают в атмосфере на высотах 80-І-120 км. Раскаленные метеоры испуска­ ют электроны и вызывают ионизацию окружающего воздуха в ви­ де цилиндрического столба, который под действием диффузии рас­ ширяется и рассеивается в течение нескольких секунд.

Рекомбинация. При рекомбинации в результате воссоединения электрона е и положительного иона (например, иона атома кисло­ рода 0+) образуется нейтральный атом (например, атом кислорода О) и выделяется энергия, равная работе ионизации, в виде фотона:

^ион

зирующего излучения в одном кубическом сантиметре в одну секун­ ду образуется /и свободных электронов и за это же время вследст­

Формула (13.12) дает возможность определить значение элек­ тронной концентрации, если известны величины /и и аэ. Из форму­ лы (13.12), в частности, следует, что чем меньше аэ, т. е. чем мед­ леннее происходит рекомбинация, тем больше будет Na.

381

Если в какой-то момент времени t\ (условно примем его за нача­ ло отсчета времени, т. е. /і = 0, Na = N oa) действие источника иониза­ ции прекратится (/„ станет равным нулю), то уравнение (13.11) примет вид:

Из этой формулы следует, что после прекращения действия ис­ точника ионизации электронная плотность уменьшается по гипер­ болическому закону и тем быстрее, чем больше коэффициент ре­ комбинации аэ. Формула объясняет также, почему с заходом Солн­ ца электронная концентрация уменьшается не сразу, а более или менее постепенно.

Помимо прямой рекомбинации электронов с положительными ионами, в ионосфере происходит ряд более сложных процессов, например, в результате присоединения свободных электронов к нейтральным атомам или молекулам образуются отрицательно за­ ряженные ионы, а затем последние соединяются с положительно заряженными частицами, образуя нейтральные молекулы (так на­ зываемая ступенчатая рекомбинация).

Таким образом, в ионосфере одновременно происходит ряд про­ цессов: фотоионизация, ударная ионизация, фотоотлипание, удар­ ное отлипание, прямая и ступенчатая рекомбинации и др. Совокуп­ ное действие этих процессов определяет состояние ионизированно­ го газа. Для учета этихпроцессов в уравнение состояния ионизированного газа (13.11) вводят эффективные значения коэф­ фициента рекомбинации аЭфф и интенсивности ионизации /Эфф:

J эфф-

N -

1+ N*

Для определения состояния ионосферы необходимо знать от­ ношение концентрации отрицательных ионов N~ к концентрации электронов АД Это отношение сложным образом зависит от хими­ ческого состава атмосферы, характера столкновений электронов, ионов, нейтральных молекул и множества других параметров. Для ориентировочной оценки величин /Эфф и « Эфф в табл. 13.4 приведе­ ны значения N-/Na и аЭфф для дневного времени, полученные на основании различных экспериментальных данных [30].

382

§ 13.5. РАСП РЕД ЕЛ ЕН И Е ЭЛ ЕК ТРОН ОВ В АТМ ОСФ ЕРЕ

Рассмотрим вначале простую модель ионосферы (простой слой), в основу которой положены следующие предположения: атмосфе­ ра имеет однородный состав, температура с высотой не меняется, давление изменяется с высотой по барометрической формуле (13.4), источником ионизации является только ультрафиолетовое излуче­

dH = ß QHpdh,

где Во — коэффициент пропорциональности, зависящий от погло­ щающих свойств газа.

Подставляя вместо р его значение из формулы (13.4), получим

383