ВЕРТИКАЛЬНОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ИОНОСФЕРЫ Лекция 1

Курс краткой истории

1878г. Стюарт высказывает предположение о существовании верхних проводящих слоев атмосферы, основываясь на периодических возмущениях магнитного поля земли.

1902г. Кеннели и Хевисайд выдвинули гипотезу о проводящем слое для объяснения распространения радиоволн на большие расстояния.

1925г. Эпплтон, Брайт и Тьюв обнаруживают отражение радиоволн от области атмосферы на высоте ~100 км. Отражающая область получает название "Е-слой " (электронный слой), позднее появляется название ионосфера.

Другие важные экспериментальные факты:
• Отражение от высот ~200 км
• Скачкообразное изменение высоты в период восхода Солнца
• Существенное изменение высоты с частотой радиоволны
• Множественность отраженных сигналов

Принцип построения ионограммы

Ионограмма - это множество точек на высотно-частотной плоскости, где амплитуда превышает заданный уровень. Другое название ионограммы - высотно-частотная характеристика (ВЧХ).

Распространение радиоволн в ионосфере
Получение диэлектрической проницаемости ионосферы

Уравнение движения электрона в поле падающей волны:

где m_e - масса электрона, e - заряд электрона, E - напряженность электрического поля,
- круговая частота радиоволны.

Выражение для плотности тока: N - электронная концентрация.

Связь плотности тока, напряженности электрического поля и диэлектрической
проницаемости :

В итоге получаем:

Схема отражения радиоволн от ионосферы:

Электронной концентрации не однородна по высоте: N = N(z), . Распространение радиоволн происходит в неоднородной ионосфере

Приближение геометрической оптики

Отражение происходит на высоте z = h, где , т.е. где f_p(z)=f.
Если везде или отражения не происходит.

Коэффициент отражения в приближении геометрической оптики

Квазимонохроматическое приближение

Действующая высота:

Параболический слой

N_m = 4.5x105 см-3 - максимальное значение электронной концентрации;
= 6 Мгц - критическая частота;
z_n = 100 км - высота начала; z_m = 300 км - высота максимума.

Ионограмма для модельного параболического слоя

Реальная ионограмма

Видно, что модель может интерпретировать только один след на ионограмме.

Двойное лучепреломление. Учет магнитного поля Земли.

где H₀ - напряженность магнитного поля Земли.

f_H - гирочастота электрона, для H₀ = 0.5эрст f_H = 1.4 МГц,
- угол между направлением распространения радиоволны и вектором H₀ ,
соответствует обыкновенной волне (о - волне),
соответствует необыкновенной волне (x - волне).
, при , т.е. при f=f_p, таким образом f_mo=f_m !!!
, при , т.е. при ,
таким образом ,
таким образом .