Ионосфера. Ионизация. Соотношение между концентрацией свободных электронов и отрицательных ионов. Отражение радиоволн от ионосферы, страница 14

Величина диэлектрической проницаемости плазмы связана с критической частотой соотношением ε=1-ω_к²/ω². Если ω<ω_к,  диэлектрическая постоянная отрицательна. Именно в этом случае начинается отражение радиоволн. Коэффициент преломления излучения в среде равен квадратному корню из диэлектрической постоянной: .При отрицательной проницаемости коэффициент преломления становится мнимой величиной. А это означает, что электромагнитные волны не могут распространяться в такой среде и полностью отражаются от нее[11].

Мы рассматриваем движение только электронов ввиду их значительно большей, чем у тяжелых ионов, подвижности. Именно наличие свободных электронов  в плазме определяет ее способность отражать радиоволны.

Рис. 10.5. Схема радиозондирования ионосферы

Замечание. Обратите внимание, что отражение наступает при частотах излучения меньших критической частоты. Следовательно, последнюю нельзя отождествлять с частотой собственных колебаний гармонического осциллятора, с помощью которого мы пытались моделировать процесс взаимодействия электромагнитного излучения с плазмой.

Радиозондирование атмосферы

         До  появления ракет единственным способом исследования ионосферы являлось радиозондирование. Идея метода заключается в следующем.    Из пункта А посылается радиосигнал (короткий радиоимпульс). В пункте В принимаются два сигнала (один, прошедший вдоль поверхности Земли, второй – отразившийся от ионосферы). По разности моментов регистрации сигналов можно определить высоту, на которой произошло отражение.        

        На самом деле скорость света в воздухе слабо зависит от его плотности и меняется с высотой. Поэтому часто используется понятие эквивалентной высоты h', определенной в предположении постоянства скорости света на разной высоте в атмосфере. Зная, что отражение начинается при частоте излучения, равной ω_к, можно найти и концентрацию электронов на высоте h' по формуле n_e=m_e ω_k²/4πe².Постепенно увеличивая частоту, будем получать отражение со все бóльших высот (поскольку концентрация электронов и критическая частота растут с высотой), и находить зависимость n_e от высоты.

Замечание.   Средние радиоволны сильно поглощаются слоем D и отражаются слоем E. Ночью слой D практически пропадает и дальность связи на средних волнах сильно увеличивается из-за отражения от ионосферы. Более высокочастотные радиоволны коротковолнового диапазона неплохо отражаются и днем, не испытывая сильного поглощения в слое D. А ультракороткие радиоволны почти никогда не испытывают отражения от ионосферы. Поэтому дальность связи в этом диапазоне, как правило, ограничивается несколькими десятками километров. Электромагнитное излучение длинноволнового радиодиапазона сильно поглощается в нижних слоях ионосферы и никогда не отражается ею.

10.6. Измерение состава атмосферы

Первые ракетные исследования состава верхней атмосферы начали проводиться в США с 1947 г. - со времени запуска первых ракет, разработанных немецким конструктором Брауном[12]. Для этого использовался метод проб, когда пробы воздуха засасывались в стальные вакууммированные баллоны. Затем анализ состава проводился в лабораторных условиях. Практическое использование метода ограничивалось высотами 70-90 км из-за невозможности взятия достаточной для анализа массы газа на больших высотах. В Советском Союзе исследования верхней атмосферы методом взятия проб начались в 1949 г. Здесь уже применялись стеклянные баллоны, расположенные в спускаемом контейнере. Стеклянные баллоны лучше сохраняли нестойкие компоненты, однако все равно терялись такие составляющие как O, N, OH, NO и т.п. Благодаря увеличению объема баллонов и совершенствованию техники спектрального анализа состава, удалось повысить потолок исследований до 110 км при погрешности определения 5-8%.