Взаимодействие электромагнитного излучения с атмосферой земли, страница 10

3 • 10¹⁷ м^-2, так что второй член в правой части уравнения (4.23) имеет величину 4,0 • 10 ^-10 с. Таким образом, импульс запаздывает на 0,40 не (что соответствует 0,12 м) по сравнению с импульсом, проходящим то же самое расстояние в свободном пространстве. Импульс на частоте 5 ГГц задержится на величину в четыре раза больше предыдущей. Мы вновь вернемся к рассмотрению этих задержек, когда будем обсуждать радиолокационные высотомеры в гл. 8 и Глобальную навигационную систему GPS в приложении 1.

            Концентрация электронов в ионосфере очень изменчива как во времени, так и в пространстве. Процесс ионизации происходит значительно сильнее на освещенной солнцем стороне Земли, чем на ночной; большое влияние на него оказывают колебания солнечной активности, а пространственное распределение ионизации зависит от высоты и геомагнитной широты. На рис. 4.8 показаны типичные значения концентрации электронов на средних широтах в зависимости от высоты в дневное время и ночью. Как мы уже видели при выводе уравнения (4.23), интегральная концентрация электронов по всей ионосфере   является очень важной величинои для оценки времени распространения микроволновых импульсов. Эту  величии ну часто называют общей электронной концентрацией (ТЕС). В дневное время она составляет 3 • 10 ^-17 м ² и примерно в 10 раз меньше ночью.

Ранее мы отметили, что на частотах ниже частоты плазмы диэлектрическая постоянная ионосферы отрицательна. Это означает, что показатель преломления приобретает чисто мнимое значение и, следовательно, излучение должно поглощаться. Ионосфера становится все более непроницаемой по мере того, как частота уменьшается до 10 МГц, и это нижний предел частот для дистанционного зондирования со спутника. (Разумеется, это не относится к космической технике как таковой, поскольку она не опирается на данные наблюдений сквозь ионосферу.) Но, между прочим, отметим, что непроницаемость атмосферы на очень низких частотах приносит и определенную пользу, так как дает возможность передавать коротковолновые радиосигналы на большие расстояния вокруг всей Земли, используя эффект их многократного переотражения между земной поверхностью и ионосферой.

4.6. Атмосферная турбулентность

            Еще одним потенциально важным воздействием, которое может оказывать атмосфера на распространение электромагнитных волн, является атмосферная турбулентность. Она всегда присутствует в нижней атмосфере в большей или меньшей степени, приводя к изменению плотности воздуха, а следовательно, и коэффициента преломления. В результате таких изменений фаза электромагнитной волны искажается, а это неблагоприятно сказывается на поведении системы обработки изображений.

Самый удобный способ описания такого рода нерегулярностей фазовых колебаний, носящих скорее вероятностный, нежели детерминированный характер, состоит в применении структурной функции. Она обычно определяется как вариация разности фаз в двух точках, в которых колебания оставались бы в фазе при отсутствии возмущений. Размерность структурной функции — радиан в квадрате. Она зависит от длины волны излучения, а также от расстояния между двумя точками. Важное значение имеет также время, на протяжении которого измеряются вариации фазы.

Чтобы как-то учесть возмущения, оказывающие влияние на разрешающую способность системы формирования изображений, можно воспользоваться приближенной моделью, состоящей в замене турбулентной среды воображаемым отверстием, размер которого равен расстоянию, на котором структурная функция достигает значения 1 радиан в квадрате. У видимого света, проходящего через всю атмосферу Земли, такое расстояние обычно равно 0,2 м, что соответствует угловому разрешению (вычисленному по формуле дифракции (2.42)) примерно 3 • 10 ^-6 радиан или порядка 1 секунды дуги. Этот угол рассеяния, который обозначим через , представляет собой предельное угловое разрешение, которое можно получить при направлении наблюдений вверх сквозь всю атмосферу (как при астрономических наблюдениях). Но и при наблюдениях сверху вниз также придется учитывать эффективную высоту, на которой появляется рассеяние. Мы примем в качестве нее высоту масштабирования (порядка 8 км), обозначив Н, и будем считать, что сами измерения ведутся с гораздо большей высоты, чем Н.