Распространение радиоволн в тропосфере. Изучение электрических свойств тропосферы и закономерностей распространения радиоволн в ней

Лабораторная работа № 4

«Распространение радиоволн в тропосфере»

Радиоволны над поверхностью Земли в ее газообразной оболочке – атмосфере. Строение атмосферы изменчиво в пространстве и во времени. Обычно ее разделяют на тропосферу, стратосферу и ионосферу. Тропосфера – самый нижний слой атмосферы. Она лежит от поверхности Земли до высот порядка 15 км.

Цель работы

Целью работы является изучение электрических свойств тропосферы и закономерностей распространения радиоволн в ней.

Краткие теоретические сведения

Электрические свойства тропосферы зависят от температуры, давления и влажности воздуха. Нижние слои атмосферы нагреваются  рассеянной от земной поверхности солнечной энергией. С ростом высоты в тропосфере температура падает. Давление столба газа также падает с ростом высоты. Влажность тоже резко убывает с высотой. У верхней границы тропосферы облака не образуются. На частотах до 15-20 ГГц потери в тропосфере малы. Относительная диэлектрическая проницаемость тропосферы - e зависит от давления в газах - p, (миллибар), абсолютной влажности  воздуха (давление водяных паров) - , (миллибар), температуры (в градусах по шкале Кельвина). Эти метеорологические параметры претерпевают регулярные и случайные изменения. Наиболее существенные регулярные изменения диэлектрической проницаемости происходят по высоте. Эта зависимость близка к экспоненциальной.

Существует понятие «стандартной радиоатмосферы», для которой De₀ = 5,78 × 10^-4;

g = -7,85 × 10^-8 1/м. Стандартная радиоатмосфера характеризует среднестатистическое, наиболее вероятное  состояние тропосферы в умеренных климатических условиях и используется как некоторый эталон. Реально эти параметры претерпевают сезонные изменения. При определенных метеорологических условиях могут наблюдаться существенные отклонения от среднестатистических зависимостей.

Если диэлектрическая проницаемость атмосферы плавно меняется по высоте, то распространение радиоволны в ней сопровождается искривлением траектории – явлением рефракции.

Рефракция называется положительной, если траектория радиоволны изгибается в сторону Земли. Это происходит при убывании диэлектрической проницаемости с высотой (g<0).

Рефракция называется отрицательной, если траектория волны отклоняется от поверхности Земли. Это происходит при росте диэлектрической проницаемости с высотой (g>0).

Порядок выполнения лабораторных исследований

Виртуальная лабораторная установка позволяет варьировать величины электрических параметров тропосферы и угол траектории волны относительно горизонта у земной поверхности.

1.  Запустить лабораторную установку – папка РРВ-АФУ - файл VI-112, ознакомиться с органами управления, рисунок 1.1;

Рисунок 1.1 – Окно программы

2.  Выполнить исследования в соответствии с выбранным вариантом. Исходные параметры для каждого варианта исследования представлены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 – Исходные параметры для исследования распространения радиоволн в тропосфере

3.  Исследовать электрические свойства нормальной тропосферы и распространение радиоволны в ней:

-  установить переключатель задания свойств тропосферы в положение «Нормальная»;

-  перейти на страницу «Диэлектрическая проницаемость тропосферы» С помощью курсора измерить зависимость относительной диэлектрической проницаемости от высоты. Данные снести в таблицу 4.2.

Таблица 4.2 - Зависимость относительной диэлектрической проницаемости от высоты («Нормальная тропосфера»)

-  построить график измеренной зависимости;

-  перейти на страницу «Траектория волны в тропосфере». Изменяя направление волны регулятором «Угол горизонта», определить, при каком значении угла становится возможен возврат волны к поверхности Земли;

-  для двух значений угла от горизонта в соответствии с выбранным вариантом (таблица 4.1) с помощью курсора провести измерения траектории волны. Данные свести в таблицу 4.3.

Таблица 4.3 - Зависимость траектории волны от значений угла от горизонта