Волновод Земля–ионосфера

Волновод Земля –ионосфера ^[1] Это явление, при котором определенные радиоволны могут распространяться в пространстве между землей и границей ионосферы .Поскольку ионосфера содержит заряженные частицы , она может вести себя как проводник . Земля действует как заземляющая пластина , а образовавшаяся полость ведет себя как большой волновод .

Крайне низкая частота (ELF) (< 3 кГц) и очень низкая частота (VLF) В этом волноводе могут эффективно распространяться сигналы (3–30 кГц). Например, удары молний запускают сигнал, называемый радиоатмосферой , который может распространяться на многие тысячи километров, поскольку находится между Землей и ионосферой.Кругосветная природа волновода создает резонансы , подобные резонатору, с частотой ~ 7 Гц.

Введение

Волновод Земля–ионосфера
Рис. 1. Геометрия распространения лучей в волноводе Земля–ионосфера. Отображаются земная волна и две небесные волны.
Рисунок 2. Реальная и виртуальная высота отражения
Рисунок 3. Нормированная вертикальная напряженность поля E _z в зависимости от расстояния ρ по величине (сплошная линия, левая ордината) и фазе (пунктирная линия, правая ордината). ^{[примечание 1]}
Рис. 4. Величина передаточных функций нулевой моды и первой моды в зависимости от частоты на расстояниях 1000, 3000 и 10000 км в дневных условиях.

Распространение радио в ионосфере зависит от частоты, угла падения , времени суток, сезона, магнитного поля Земли и солнечной активности. При вертикальном падении волны с частотами, превышающими плазменную частоту электронов ( $f_{e}$ в Гц)максимума F-слоя

f_{e}=9{\sqrt {N_{e}}}

( 1 )

( $N_{e}$ в $m^{-3}$ — плотность электронов) могут распространяться через ионосферу почти беспрепятственно. Волны с частотами менее $f_{e}$ отражаются внутри D-, E- и F-слоев ионосферы. ^[2]^[3] $f_{e}$ в дневное время составляет порядка 8–15 МГц. При наклонном падении критическая частота становится больше.

Очень низкие частоты (ОНЧ: 3–30 кГц) и крайне низкие частоты (СНЧ: <3 кГц) отражаются от ионосферы D- и нижнего E-слоя . Исключением является свистовое распространение сигналов молний вдоль геомагнитного поля. линии. ^[2]^[4]

Длины волн ОНЧ (10–100 км) уже сравнимы с высотой D-слоя ионосферы (около 70 км днем и 90 км ночью). Следовательно, теория лучей применима только для распространения на короткие расстояния, а теорию мод необходимо использовать для больших расстояний. Таким образом, область между поверхностью Земли и D-слоем ионосферы ведет себя как волновод для ОНЧ- и СНЧ-волн.

При наличии ионосферной плазмы и поля геомагнитного существуют электромагнитные волны на частотах, превышающих гирочастоту ионов (около 1 Гц). Волны с частотами меньшими, чем гирочастота, называются гидромагнитными волнами. геомагнитные пульсации с периодами от секунд до минут, а также альфвеновские волны К этому типу волн относятся .

Передаточная функция

Прототипом короткой вертикальной стержневой антенны является вертикальный электрический диполь Герца , в котором протекают переменные электрические токи частоты f. Его излучение электромагнитных волн внутри волновода Земля-ионосфера можно описать передаточной функцией T(ρ,ω):

E_{z}(\rho ,\omega )=T(\rho ,\omega )E_{o}(\rho ,\omega )

( 2 )

где E _z — вертикальная составляющая электрического поля на приемнике на расстоянии ρ от передатчика, E _o — электрическое поле диполя Герца в свободном пространстве, а $\omega =2\pi f$ частота угловая . В свободном пространстве это $T=1$ . Очевидно, что волновод Земля–ионосфера является дисперсионным, поскольку передаточная функция зависит от частоты. Это означает, что фазовая и групповая скорости волн зависят от частоты.

Теория лучей

В ОНЧ-диапазоне передаточная функция представляет собой сумму земной волны, приходящей непосредственно на приемник, и многоскачковых небесных волн, отраженных от D-слоя ионосферы (рис. 1).

Для реальной поверхности Земли земная волна рассеивается и зависит от орографии на пути луча. ^[5] Однако для ОНЧ-волн на более коротких расстояниях этот эффект незначителен, и коэффициент отражения Земли равен $R_{e}=1$ , в первом приближении.

На более коротких дистанциях важна только первая скачкообразная небесная волна. D-слой можно моделировать магнитной стенкой ( $R_{i}=-1$ ) с фиксированной границей на виртуальной высоте h, что означает скачок фазы на 180° в точке отражения. ^[2]^[5] В действительности плотность электронов D-слоя увеличивается с высотой, и волна ограничена, как показано на рисунке 2.

Сумма земной волны и первой скачкообразной волны отображает интерференционную картину с интерференционными минимумами, если разница между траекториями лучей земной и первой небесной волны составляет половину длины волны (или разность фаз 180 °). Последний минимум интерференции на земле (z = 0) между земной волной и первой небесной волной находится на горизонтальном расстоянии

\rho _{1}\approx {\dfrac {2fh^{2}}{c}}

( 3 )

с c скорость света. В примере на рисунке 3 это расстояние около 500 км.

Теория волнового режима

Теория лучевого распространения ОНЧ-волн не работает на больших расстояниях, поскольку в сумме этих волн участвуют последовательные многоскачковые небесные волны, и сумма расходится. Кроме того, возникает необходимость принять во внимание сферическую форму Земли. Теория режимов которая представляет собой сумму собственных мод в волноводе Земля–ионосфера, справедлива в этом диапазоне расстояний. ^[5]^[6] Волновые моды имеют фиксированную вертикальную структуру своих вертикальных компонент электрического поля с максимальными амплитудами внизу и нулевыми амплитудами вверху волновода. В случае основной первой моды это четверть длины волны. С уменьшением частоты собственное значение становится мнимым на частоте среза , где мода меняется на затухающую волну. Для первого режима это происходит при ^[2]

f_{co}={\dfrac {c}{4h}}\approx 1~kHz

( 4 )

ниже которого эта мода не будет распространяться (рис. 4).

Затухание мод увеличивается с ростом волнового числа n. Следовательно, в распространении волны участвуют по существу только первые две моды. Первый интерференционный минимум между этими двумя модами находится на том же расстоянии, что и последний интерференционный минимум лучевой теории ( уравнение 3 ), что указывает на эквивалентность обеих теорий. ^[7]Как видно на рисунке 3, расстояние между минимумами модовых помех постоянно и в этом примере составляет около 1000 км. Первая мода становится доминирующей на расстояниях более примерно 1500 км, поскольку вторая мода затухает сильнее, чем первая.

В диапазоне СНЧ-волн применима только теория мод. Основной модой является нулевая мода (рис. 4). D-слой становится здесь электрической стеной (R _i = 1). Его вертикальная структура представляет собой просто вертикальное электрическое поле, постоянное с высотой.

В частности, резонансная нулевая мода существует для волн, являющихся неотъемлемой частью окружности Земли и имеющих частоту

f_{m}={\dfrac {mc}{2a\pi }}kHz

(m=1,2,...)

( 5 )

с радиусом Земли. Первые резонансные пики находятся на частотах 7,5, 15 и 22,5 Гц. Это резонансы Шумана . Спектральные сигналы молнии усиливаются на этих частотах. ^[5]^[8]

Характеристики волновода

Приведенное выше обсуждение просто иллюстрирует простую картину теории мод и лучей. Более детальное лечение требует большой компьютерной программы. В частности, трудно решить проблему горизонтальных и вертикальных неоднородностей волновода. Эффект кривизны Земли заключается в том, что вблизи антипода напряженность поля немного увеличивается. ^[5] Из-за влияния магнитного поля Земли среда становится анизотропной, так что ионосферный коэффициент отражения фактически является матрицей. Это означает, что вертикально поляризованная падающая волна после отражения от D-слоя ионосферы преобразуется в вертикально и горизонтально поляризованную волну. Более того, геомагнитное поле приводит к невзаимности ОНЧ-волн. Волны, распространяющиеся с востока на запад, затухают сильнее, чем наоборот. На расстоянии глубокого интерференционного минимума ( уравнения) появляется проскальзывание фазы. 3 . Во время восхода и/или заката иногда происходит увеличение или потеря фазы на 360° из-за необратимого поведения первой небесной волны.

Дисперсионные характеристики Земно-ионосферного волновода могут быть использованы для локализации грозовой активности путем измерения разности групповой временной задержки сигналов молний ( сфериков ) на соседних частотах до расстояний до 10000 км. ^[7] Резонансы Шумана позволяют определить глобальную грозовую активность. ^[9]

См. также

Ссылки и примечания

Примечания

^ Передатчик представляет собой вертикальный электрический диполь Герца, излучающий частоту 15 кГц. Высота виртуального отражения волновода Земля-ионосфера составляет 70 км, что соответствует дневным условиям в средних широтах. Минимум амплитуды вблизи ρ = 500 является последним минимумом интерференции между земной волной и первой небесной волной (лучевая теория). Это также первый минимум помех между первой и второй модой (теория мод).

Цитаты

^ Спайс, Кеннет П. и Джеймс Р. Уэйт, Расчеты режимов распространения ОНЧ в волноводе Земля-ионосфера (июль 1961 г.). Национальное бюро стандартов США. QC100 .U5753 №114 1961 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Дэвис, К., «Ионосферное радио», Peregrinus Ltd, Лондон, 1990 г.
^ Равер, К., «Распространение волн в ионосфере», Kluwer Publ., Дордрехт, 1993.
^ Роберт А. Хелливелл (2006). Свисты и связанные с ними ионосферные явления . Dover Publications, Inc. ISBN 978-0-486-44572-4 . Первоначально опубликовано издательством Stanford University Press, Стэнфорд, Калифорния (1965).
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Уэйт, младший, Электромагнитные волны в слоистых средах, Макмиллан, Нью-Йорк, 1979.
^ Бадден, К.Г., «Распространение радиоволн», Кембридж, University Press, Кембридж, 1985.
^ Jump up to: ^а ^б Волланд Х., «Атмосферная электродинамика», Springer Verlag, Гейдельберг, 1984 г.
^ Николаенко А.П.; М. Хаякава (2002). Резонансы в полости Земля–ионосфера . Kluwer Academic Publishers, Дордрехт-Бостон-Лондон.
^ Хекман С.Дж.; Э. Уильямс (1998). «Полная глобальная молния, полученная на основе измерений резонанса Шумана» . Дж. Геофиз. Рез . 103(Д24) (Д24): 31775–31779. Бибкод : 1998JGR...10331775H . дои : 10.1029/98JD02648 .

[2] Передатчик представляет собой вертикальный электрический диполь Герца, излучающий частоту 15 кГц. Высота виртуального отражения волновода Земля-ионосфера составляет 70 км, что соответствует дневным условиям в средних широтах. Минимум амплитуды вблизи ρ = 500 является последним минимумом интерференции между земной волной и первой небесной волной (лучевая теория). Это также первый минимум помех между первой и второй модой (теория мод).

[1] Спайс, Кеннет П. и Джеймс Р. Уэйт, Расчеты режимов распространения ОНЧ в волноводе Земля-ионосфера (июль 1961 г.). Национальное бюро стандартов США. QC100 .U5753 №114 1961 г.

[Davies-3] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Дэвис, К., «Ионосферное радио», Peregrinus Ltd, Лондон, 1990 г.

[4] Равер, К., «Распространение волн в ионосфере», Kluwer Publ., Дордрехт, 1993.

[RAH1965-5] Роберт А. Хелливелл (2006). Свисты и связанные с ними ионосферные явления . Dover Publications, Inc. ISBN 978-0-486-44572-4 . Первоначально опубликовано издательством Stanford University Press, Стэнфорд, Калифорния (1965).

[Wait-6] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Уэйт, младший, Электромагнитные волны в слоистых средах, Макмиллан, Нью-Йорк, 1979.

[7] Бадден, К.Г., «Распространение радиоволн», Кембридж, University Press, Кембридж, 1985.

[Volland-8] Jump up to: ^а ^б Волланд Х., «Атмосферная электродинамика», Springer Verlag, Гейдельберг, 1984 г.

[Nick_2002-9] Николаенко А.П.; М. Хаякава (2002). Резонансы в полости Земля–ионосфера . Kluwer Academic Publishers, Дордрехт-Бостон-Лондон.

[Heckman-10] Хекман С.Дж.; Э. Уильямс (1998). «Полная глобальная молния, полученная на основе измерений резонанса Шумана» . Дж. Геофиз. Рез . 103(Д24) (Д24): 31775–31779. Бибкод : 1998JGR...10331775H . дои : 10.1029/98JD02648 .

[1]

[примечание 1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]