Электрические свойства тропосферы и стратосферы. Диэлектрическая проницаемость тропосферы и стратосферы. Коэффициенты преломления

17.2. Электрические свойства тропосферы и стратосферы

17.2.1. Диэлектрическая проницаемость тропосферы и стратосферы

Электрические свойства атмосферы, как и любой среды, характеризуются диэлектрической проницаемостью, магнитной проницаемостью и удельной проводимостью. Магнитная проницаемость атмосферы с достаточно высокой степенью точности принимаются величиной постоянной и равной магнитной проницаемости вакуума. Остальные два параметра испытывают значительные изменения в зависимости от положения точки наблюдения, времени, солнечной активности, частоты распространяющейся волны и т. д.

Приведем вывод формул, связывающих электрические параметры атмосферы с ее физическими параметрами, имея в виду, что этот вывод поможет лучше уяснить физические процессы, происходящие в атмосфере при распространении в ней радиоволн.

Согласно представлениям макроскопической электродинамики диэлектрическая проницаемость и проводимость определяются совокупностью токов, возникающих в среде под действием внешнет поля. В неионизированных областях атмосферы (тропосфере и стратосфере) плотность полного тока, наводимого внешним полем, имеет две составляющие:

        ] —Јсм0                                                                              (17.1)

Здесь      — плотность тока смещения в свободном пространстве:

смо E0dE/dt ioep.          (17.2)  — плотность тока поляризации (см. также гл, 1):

        Лол = EoX,.dE/dt = ioeox,E.                                                (17.3)

В (17.3) — относительная диэлектрическая восприимчивость вещества, зависящая от электрической и магнитной структур молекул и атомов, термодинамических условий, а также от частоты воздейству-

югцего поля. В общем случае Х — комплексная величина, однако на частотах ниже 15...20 ГГц, когда потери в тропосфере и стратосфере малы (см. 18.3.1), Х можно считать действительной величиной:

          хк = ар/Т+                                                                        (17.4)

где а 1 и — постоянные коэффициенты; р — давление газа; (1) — абсолютная влажность воздуха, т.е. давление водяных паров; Т — температура. из =    + арт + +0/T ²)i.

Напомним [18], что в среде без потерь (б 0)ј = i0EoErE. Следовательно,

           Е = 1 + ар/Т+                                                                   (17.5)

Постоянные и определяются экспериментально; наиболее вероятные значения = 1,52 • 10-4 ' а = 0,745, поэтому

                1+1,552-10—4       48100)

(17.6)

где р и о выражены в миллибарах; Т — в градусах по шкале Кельвина.

Из полученных формул следует, что чем большер и о, тем больше Е . Это связано с тем, что при возрастании р и о увеличивается число молекул в единице объема и, следовательно, ток поляризации, При увеличении Т возрастает скорость хаотического теплового движения молекул, препятствующего упорядоченному смещению связанных зарядов, т.е. ток поляризации уменьшается.

В стратосфере р и 0) на несколько порядков меньше, чем в тропосфере, а Т больше (см. рис. 17.1 и 17.2), поэтому относительная диэлектрическая проницаемость стратосферы гораздо меньше отличается от единицы, чем Е тропосферы (Е п). Обычно считают, что свойства стратосферы близки к свойствам свободного пространства, т.е. принимают Е 1. Исходя из этого в дальнейшем будем рассматривать только тропосферу.

Наряду с диэлектрической проницаемостью во многих случаях пользуются коэффициентом преломления тропосферы, который, учи-