Распространение радиоволн в тропосфере

11. Распространение радиоволн в тропосфере

Обсуждаются физические и электромагнитные свойства тропосферы. Обосновываются причины ее неоднородности. Рассматривается явление рефракции лучей в тропосфере и ее учет при расчете поля земных радиоволн. Дается анализ явления тропосферного рассеяния радиоволн и обсуждаются вопросы использования этого явления для организации тропосферных радиолиний на УКВ. Рассмотрены механизмы поглощения радиоволн в тропосфере.

11.1. Строение, состав и физические свойства тропосферы

Исследуются строение и физические свойства тропосферы.

Тропосфера является частью атмосферы Земли, которая простирается от поверхности Земли до высоты в среднем 14 км. По своей сути это тот воздух, которым мы дышим. Вследствие центробежных сил, возникающих в результате вращения Земли, атмосфера "сплющена" у полюсов, как и сама Земля. Поэтому в полярных областях высота тропосферы существенно меньше, чем в экваториальной области. Из-за своей относительной прозрачности тропосфера нагревается не непосредственно солнечными лучами, а за счет тепла Земли, в которой рассеивается солнечная энергия. Поэтому температура тропосферы уменьшается с ростом высоты. Однако на некоторой высоте температура перестает убывать, и эту высоту принято называть верхней границей тропосферы. Установлено, что в приполярных областях высота тропосферы составляет около 8-10 км., а в экваториальной области - около 18 км. При дальнейшем росте высоты температура остается неизменной на протяжении около 20 км. Эта область атмосферы называется тропопаузой. На больших высотах изменение температуры связано с процессами образования ионизированной области (ионосферы).

     Вследствие непрерывного вертикального и горизонтального перемещения воздушной массы тропосфера представляет собой практически однородную газовую смесь, основными компонентами которой являются  молекулярный азот, кислород и пары воды. Средний вертикальный градиент температуры тропосферы составляет 6 . Среднегодовая температура воздуха в полярных областях у верхней границы тропосферы равна минус 55°С, а в области экватора минус 80°С.

В тропосфере сосредоточено около  всей массы воздуха. Среднее давление атмосферы у поверхности Земли составляет 1014 мбар, на высоте 5 км оно уменьшается примерно в два раза, а на высоте 11 км не превышает 225 мбар. У верхней границы тропосферы давление воздуха составляет около 90 мбар. Напомним, что 1 мбар соответствует давлению, примерно равному 1 технической атмосфере. Миллибар связан с давлением, которое  обычно выражается в мм ртутного столба, соотношением: 1 мм рт.ст. = 1,332 мбар.

Пары воды в атмосфере образуются в результате испарений влаги с поверхности океанов, морей и иных водоемов. Поэтому тропосфера над океаном всегда имеет более высокую влажность, чем над сушей. Градиент влажности тропосферы весьма высок. Так, на высоте 1,5 км количество водяного пара в воздухе в два раза, а у верхней границы тропосферы – в сотни раз меньше, чем у поверхности Земли.

 Основными параметрами тропосферы принято считать давление р (мбар), абсолютную температуру Т, измеряемую в градусах шкалы Кельвина, Т°К = t°С + 273°, и абсолютную влажность е (также в мбарах). Абсолютной влажностью воздуха называется масса водяного пара, находящаяся в 1 см³. Часто влажность воздуха характеризуют относительной влажностью, которая определяется как отношение абсолютной влажности к максимальной абсолютной влажности. В свою очередь, максимальной абсолютной влажностью называется масса насыщенного водяного пара в 1 см³.

В 1925 г. Международной комиссией по аэронавигации было введено понятие  так называемой международной стандартной атмосферы, или, как ее теперь называют, нормальной тропосферы. Это условно принятая тропосфера, свойства которой отображают среднее состояние окружающей земной шар реальной тропосферы. Нормальная тропосфера имеет следующие параметры: у поверхности Земли давление р = 1013 мбар, температура t = 15°С, относительная влажность S = 60%. С увеличением высоты на каждые 100 м давление воздуха уменьшается на 12 мбар, а температура – на 0,55°. Относительная влажность сохраняет свое значение на всех высотах. Высота нормальной тропосферы определена величиной 11 км. Понятие нормальной тропосферы, как будет показано ниже, удобно пользоваться при исследовании распространения тропосферных радиоволн.

11.2.  Коэффициент преломления тропосферы

Дается общее представление об оптической плотности тропосферы.

По своим свойствам тропосфера практически является идеальным диэлектриком. Диэлектрическая проницаемость у поверхности Земли имеет значение порядка  1,0006, а коэффициент преломления соответственно равен  1,0003.