какие волны испытывают наибольшее поглощение в ионосфере

Изучаем распространение радиосигналов в ионосфере с помощью SDR

Читатели старшего поколения, заставшие дома радиоприемники средних, длинных и коротких волн, наверное помнят, что разные длины волн по-разному распространяются в различное время суток. Но как действительно это работает?

Я покажу как с помощью SDR-приемника и 50 строк кода на Python получить визуализацию сигналов радиостанций с точностью до долей герца, и увидеть довольно-таки любопытные атмосферные эффекты.

Продолжение под катом.

Общий принцип

Большинство АМ-радиостанций работает круглосуточно, что позволяет весьма наглядно изучить передаваемые ими радиосигналы. Для этого мы запишем сигнал радиостанции в формате WAV и построим его спектр при помощи FFT (Быстрого Преобразования Фурье). FFT позволяет из сигнала во «временной области» (time domain) получить изображение в «частотной области» (frequency domain), проще говоря, спектр сигнала. Чем больше размер окна преобразования, тем большее разрешение по частоте мы можем получить.

Как известно, сигналы АМ-станций выглядит в эфире следующим образом:

Собственно содержимое передачи нас интересовать не будет (кто-то еще слушает вообще радио?), для нас важна несущая — центр сигнала. Она является хорошим маркером, по которой удобно контролировать сигнал станции на спектре.

Запись

Для записи нам потребуется практически любой радиоприемник, умеющий принимать сигнал в формате боковой полосы (USB, Upper Side Band). SDR в этом плане наиболее удобен, но теоретически, даже обычный китайский Tecsun/Degen может подойти, если подключить его к линейному входу ПК.

Важный момент: станция передает в АМ, но но нам нужен сигнал до демодуляции, поэтому в настройках нужно выставить режим USB а не AM. Выберем ширину записи так, чтобы несущая радиостанции попадала в середину спектра. Это важно, т.к. при обработке мы будем вырезать из спектра именно середину.

Чем длиннее запись, тем интереснее результаты, основное ограничение тут в размере получаемого файла. Я использовал прием в режиме USB с полосой 4 КГц, формат записи WAV 8000 семплов/с, частоту SDR выбрал так, чтобы несущая частота радиостанции была в середине полосы фильтра. При таких настройках запись длительностью 24ч занимает в WAV около 1.3 ГБайт (на всякий случай напомню, что MP3 или другое сжатие с потерями для анализа сигналов использовать нельзя). Мои настройки HDSDR при записи выглядят так (важные моменты обозначены цифрами 1, 2, 3):

Обработка

Исходный код на языке Python приведен под спойлером. Мы последовательно читаем данные из WAV-файла, применяем к каждому блоку данных FFT + оконную функцию, и сохраняем результат в виде изображения. Яркость спектра можно варьировать в коде с помощью изменения параметра k_brightness, размер блока FFT передается в виде параметра командной строки. При использовании больших размеров FFT, например 4194304, мы не можем создать изображение такого же размера, поэтому из спектра сохраняется только центр (именно поэтому важно, чтобы несущая была по центру, хотя при желании смещение можно скорректировать вручную в коде).

Запуск программы производится из командной строки, в качестве параметров указываются имя файла и размер блока FFT, который должен быть равен степени двух. Например:

Чтобы читателям не считать степени двойки вручную, приведу значения здесь: 4096, 8192, 16384, 32768, 65536, 131072, 262144, 524288, 1048576, 2097152, 4194304, 8388608, 16777216,… Чем больше размер блока, тем выше разрешение по частоте, но ниже разрешение по времени, соответственно больше отсчетов требуется для отображения результата. Так, при размере блока FFT в 4194304, мы получаем разрешение по вертикали 0.002 Гц на пиксел, но всего лишь 70 пикселов спектра из 8-часовой записи. В коде нет никаких оптимизаций, возможно картинку можно улучшить перекрытиями спектра или варьированием вида оконной функции, но в разы лучше вряд ли будет, по сути все ограничивается длиной записи.

Результаты

Несколько примеров работы программы.

Запись на частоте 894 КГц. Небольшой размер блока FFT (4096 отсчетов), файл с большой шириной полосы записи, мы видим сигналы АМ-станций практически в том виде, в каком они передаются в эфире. Собственно, на картинке можно наблюдать сразу две станции, стандартный шаг в АМ между станциями 9 КГц.

Если присмотреться, на спектре даже видны паузы между песнями. Но в целом, ничего необычного, похожий спектр наверно видели все, кто хоть раз открывал аудиоредактор.

Рассмотрим запись с большей детализацией. Та же частота, по центру картинки расположена несущая, размер FFT 262144 семпла. На экране

Запись производилась ночью, видно что к утру сигналы станции стали слабее и затем совсем пропали. Также видны другие, даже более интересные эффекты. Рядом с несущей, около нулевой частоты, видны другие линии, расположенные совсем близко по частоте. Что это, я не знаю. Могу предположить, что это сигналы радиостанций других регионов, которые слишком далеко для полноценного приема, но их несущая слегка «пробивается».

Одна такая линия начинается на отметке «1ч» и пропадает на отметке «4.4ч», при увеличении вполне четко виден симметричный спектр АМ-сигнала:

Скорее всего, здесь мы видим сигнал какого-то далекого передатчика, который принимался отражаясь от ионосферы, затем прохождение завершилось. Он расположен на той же частоте 894 КГц, но настройка не является идеальной, и реальная частота отличается от первого передатчика примерно на 20 Гц, что и позволило увидеть их раздельно. На слух уловить такое, разумеется, невозможно. Как и в астрономии, такие эффекты видны лишь при накоплении сигнала очень большой длительностьи.

И последний пример. Короткие волны, станция на частоте 6070 КГц. Запись продолжительностью сутки:

Как можно видеть, станция проходила наиболее сильно с 10 утра до 10 вечера, ночью сигнал сильно ослаб, а к утру на пару часов совсем исчез. Также интересен медленный дрифт частоты несущей в пределах 10Гц, но относится ли он к передатчику или к приемнику, мне неизвестно. Интересны также периодические моменты «раздвоения» несущей, возможно это какая-то турбулентность слоев ионосферы, отражение которых вызывает допплеровский сдвиг частоты. Возможно, это связано с текущей активностью Солнца и солнечного ветра. Теоретически, большое количество работающих АМ-станций представляет собой некое подобие «пассивного радара», что позволяет, зная частоты и местоположение станций, фактически «бесплатно», без затрат на излучение, анализировать состояние ионосферы. Проводились ли такие работы, мне впрочем, неизвестно.

Кстати, как бонус отображения спектра — по нему можно видеть моменты, когда станция проходила наиболее сильно. В связи с этим, у любителей DX может возникнуть вопрос, как же прослушать саму передачу. Для этого лучше записывать сигнал с большей частотой дискретизации, например 16 КГц, а центр несущей расположить на частоте 4 КГц. Далее, сдвинуть спектр в ноль несложно в GNU Radio с помощью такого графа соединений:

При запуске блок-схемы в GNU Radio будет создан сконвертированный WAV-файл, прослушать который можно любым плеером.

Заключение

Как можно видеть, обработка сигналов дальних станций с помощью спектрального анализа может быть довольно интересной. Любопытно и то, что метод не требует дорогостоящего оборудования. Основная сложность лишь в длительности записи, но наверное, чтобы не держать ПК постоянно включенным, хватит и ресурсов Raspberry Pi 4.

Общие закономерности распространения радиоволн разумеется, давно известны, но увидеть это «вживую» гораздо интереснее, чем просто прочитать в учебнике. Такой способ анализа практически не используется среди радиолюбителей (мне известна только одна ветка на сайте radioscanner, где похожим методом искали моменты прохождения сигнала дальних станций, но геофизические аспекты участников того форума не интересовали, да и исходники там не выложены), так что наверно здесь еще могут найтись любопытные закономерности.

Источник

Радиоволны и ионосфера

Хотя от любителей требуется только беглое знакомство с физикой ионосферы, более детальное представление о ней может значительно увеличить удовольствие от их хобби.

Радиосвязь через ионосферу — увлекательное и важное средство установления связей на большие расстояния. Тысячи любителей и коммерческих операторов каждый день используют ионосферу для установления контактов на обширных территориях. Однако чтобы полностью использовать возможности этого способа распространения, мы должны понимать ту физику, которая скрывается за этой магией. Знание того, когда нужно прослушивать, какую частоту лучше использовать и откуда можно ожидать прихода сигнала, позволяет опытному DX’epy работать с дальними станциями. Несомненно, знание физики распространения и “чувство” условий, существующих в каждом диапазоне — очень ценное качество любого радиооператора.

Атмосфера

Прежде чем рассматривать процесс отражения сигнала от ионосферы, необходимо сказать несколько слов о том, где это отражение происходит и как формируется зона отражения.

Всю атмосферу можно разделить на несколько различных слоев с разными свойствами. Наиболее часто используемые наименования этих слоев приведены на рис.1. Из него видно, что тропосфера — это ближайшая к Земле часть атмосферы, простирающаяся в высоту на расстояние около 10 км. На высотах между 10 и 50 км. мы находим стратосферу, в которой расположен пресловутый озоновый слой (на высоте около 20 км.).

В случае KB-связей наиболее важную роль играет ионосфера, в то время как тропосфера играет ключевую роль в связях на ОВЧ и УВЧ. Ионосфера охватывает несколько метеорологических слоев и простирается по высоте примерно от 50 до 650 км.

Ионосфера

Свое имя ионосфера получила потому, что в этой области атмосферы имеются ионы. В большей части атмосферы молекулы существуют в связанном состоянии и остаются электрически нейтральными. В ионосфере же солнечное излучение (в основном, ультрафиолетовая область) настолько интенсивно, что, попадая на молекулы, оно их расщепляет (ионизирует), и электроны оказываются свободными. В результате получается положительный ион (“недосчитывающаяся” электрона молекула) и свободный электрон. И хотя название этой области атмосферы дали ионы, основное влияние на распространение радиоволн оказывают, в действительности, электроны.

Число свободных электронов (рис.2) начинает нарастать с высоты примерно 30 км., однако плотность электронов становится достаточной для того, чтобы влиять на радиоволны, только начиная с высоты около 60 км. Мы часто представляем себе ионосферу состоящей из нескольких различных слоев. И хотя это удобно для объяснения некоторых явлений, это все же не совсем точно, поскольку ионизированные молекулы (и свободные электроны) имеются во всей ионосфере. В действительности слои лучше всего представлять как максимумы уровня ионизации.

Чтобы иметь возможность быстро указывать на отдельные слои, пики или области, мы их обозначаем буквами D, Е и F (имеется еще и слой С, однако уровень ионизации в нем так низок, что он не влияет на радиоволны).

Ниже всего расположен слой D — на высоте между 50 и 80 км. Он существует в течение дня, когда на него падает излучение Солнца. Поскольку плотность воздуха на таких высотах еще достаточно велика, ионы и электроны рекомбинируют здесь относительно быстро. После захода Солнца, когда солнечное излучение блокируется Землей, уровень свободных электронов быстро падает, и слой D, по сути дела, исчезает. Следующий слой, лежащий выше слоя D, называется слоем Е. Его можно обнаружить на высотах между 100 и 125 км. Поскольку и здесь электроны и ионы рекомбинируют достаточно быстро, после захода Солнца уровень ионизации быстро падает. И хотя при этом некоторый остаточный уровень ионизации остается, фактически, ночью слой Е исчезает. Для дальних связей наиболее важную роль играет слой F. В течение дня он часто распадается на два субслоя, которые мы обозначаем как F1 и F2 (рис.3). Ночью оба слоя снова сливаются в один слой F. Высота слоя F сильно варьируется и зависит от времени суток, сезона и состояния Солнца. Летом слой F1 может располагаться на высоте 300 км., а слой F2 — на высоте 400 км. или выше. Зимой эти цифры могут быть, соответственно, 100 км. и 200 км. Ночью слой F располагается, как правило, на высотах 250 – 300 км. Однако все эти цифры очень относительны, и их нужно рассматривать только как оценочные. Как и в слоях D и F, уровень ионизации в слое F падает ночью. Однако поскольку этот слой располагается гораздо выше, и плотность воздуха в нем гораздо меньше, рекомбинация происходит здесь гораздо медленнее. Так как ионизация сохраняется всю ночь, этот слой может оказывать влияние на распространение радиосигналов.

Солнце и ионосфера

Вряд ли неожиданно, что солнечная активность влияет на ионосферу. Главным фактором является число видимых солнечных пятен. Пятна выглядят как темные (относительно) зоны, которые можно видеть, если спроектировать изображение Солнца на экран или кусок бумаги. Они влияют на ионосферу по той причине, что зоны вокруг них излучают большое количество ультрафиолетового излучения — основного фактора ионизации.
Число солнечных пятен меняется с 11-летним периодом (хотя это и достаточно приближенная закономерность). А это означает, что и ионосферные условия (а значит, и распространение радиоволн) меняются синхронно с этим циклом. В нижней точке цикла в диапазонах ВЧ выше примерно 20 МГц ионосферное распространение может и не возникнуть. Вблизи пика 11-летней активности, могут быть активными частоты от 50 МГц и выше.

Поверхностная и воздушная волны

Сигналы в диапазонах средних и коротких волн распространяются двумя основными способами — поверхностной и пространственной волнами.

Поверхностная волна возникает, когда сигнал распространяется от передатчика по всем направлениям. Вместо того чтобы распространяться по прямой линии (и не быть слышимым за пределами видимого горизонта), радиосигнал стремится следовать кривизне Земли (рис.4). Это происходит вследствие того, что в земной поверхности индуцируются токи, которые замедляют волновой фронт вблизи поверхности. В результате этого волновой сигнал наклоняется книзу, что дает ему возможность следовать кривизне Земли и распространяться за горизонт.

За некоторыми исключениями, связь с помощью поверхностной волны обычно используется для сигналов с частотами ниже 2…3 МГц. На более высоких частотах она не используется вследствие роста затухания с частотой; в результате, связь становится ненадежной. Это хорошо демонстрирует тот факт, что радиовещательные коротко-волновые станции, использующие поверхностную волну, слышны только на коротких расстояниях. В то же время средневолновые станции слышимы на гораздо больших расстояниях — типичная мощная радиовещательная станция AM охватывает зону в сотню миль, а то и больше. На полную зону охвата влияют многие факторы, включая мощность передатчика, тип антенны и характер поверхности, над которой распространяются сигналы.

Сигналы могут также отрываться от земной поверхности и распространяться по направлению к ионосфере. Как мы увидим ниже, некоторые из них возвращаются назад к земле.

Слой D

Первый слой, который встречается на пути сигнала — это слой D. Он действует как аттенюатор, особенно на низких частотах, поскольку затухание изменяется обратно пропорционально квадрату частоты. Это означает, что при удвоении частоты уровень затухания уменьшается в четыре раза. Именно поэтому стремятся препятствовать попаданию низкочастотных сигналов на более высокие слои, за исключением ночного времени, когда слой D исчезает.

Затухание сигналов при прохождении через слой D обусловлено тем, что они вызывают колебания свободных электронов. Когда это происходит, электроны сталкиваются с молекулами, расходуя при этом некоторое небольшое количество энергии и диссипируя пропорциональное ему количество энергии радиосигнала.
Легко видеть, что уровень затухания зависит от количества происходящих столкновений. А это количество, в свою очередь, зависит от многих других факторов. Одним из наиболее очевидных является число имеющихся молекул газа. Большее количество молекул газа означает больше столкновений и рост затухания.
Важны также уровень ионизации и частота радиосигнала. С ростом частоты длина волны убывает, и число столкновений между свободными электронами и молекулами газа убывает. Поэтому низкочастотные сигналы затухают гораздо сильнее высокочастотных.

Слои Е и F

Когда сигнал попадает в слои Е и F, он вызывает в них, как и в слое D, колебания свободных электронов. Однако здесь плотность воздуха гораздо ниже, и столкновений гораздо меньше. Поэтому здесь теряется гораздо меньше энергии, и эти слои влияют на радиосигналы совершенно другим способом. Меньше сталкиваясь с молекулами газа и меньше теряя энергию, электроны ее переизлучают. Поскольку сигнал распространяется в зону с нарастающей плотностью электронов, то чем дальше проникает в слой сигнал, тем больше он преломляется от зоны с высокой плотностью к зоне с низкой плотностью. На ВЧ этого преломления часто достаточно для того чтобы направить сигнал обратно к Земле. В результате все выглядит так, как если бы слой “отражал” сигнал. Эти “отражения” зависят от частоты радиосигнала и его угла падения. С ростом частоты величина преломления убывает, и наконец, достигается частота, для которой сигналы проходят через слой и достигают следующего. В конце концов, достигается такая частота, когда сигналы проходят через все слои и уходят в космическое пространство (рис.5).

Изменения частоты

В течение дня сигналы средних волн распространяются только посредством поверхностной волны, поскольку слой D поглощает сигналы, достигающие ионосферы. С ростом частоты затухание убывает, вплоть до уровня, когда сигналы проходят через слой D и достигают слоя Е. Здесь сигналы отражаются и, проходя еще раз через слой D, возвращаются к Земле на значительном расстоянии от передатчика. С дальнейшим ростом частоты отражение от слоя Е становится все менее эффективным. И, наконец, сигналы достигают слоя F1, где они могут отразиться обратно и, пройдя через слои Е и D, снова достичь Земли. Поскольку слой F1 расположен выше слоя Е, расстояния, проходимые сигналами, отраженными от слоя F, будут гораздо больше. Если частота возрастает еще больше, сигналы, в конце концов, пройдут через слой F1 до слоя F2. Поскольку это — самый высокий из отражающих слоев, расстояние, перекрываемое сигналами, отраженными от него, будет наибольшим. Максимальное “скачковое” расстояние для слоя Е примерно равно 2000 км. Для слоя F2 оно возрастает примерно до 4000 км. — выигрыш значителен (рис.6).

Несколько скачков

Хотя при отражении от слоев Е и F перекрываются значительные расстояния, это не объясняет, каким образом сигнал может доходить на вторую половину земного шара. Охватывающее весь мир распространение требует нескольких отражений. Земная повер-хность действует как отражатель для вернувшихся к Земле от ионосферы сигналов, она возвращает их обратно к ионосфере, где они снова отражаются к Земле (рис.7). Таким способом сигнал может распространяться вокруг всего земного шара (и даже в нескольких направлениях). Свойства земной поверхности имеют большое значение. Пустыни — плохие отражатели, зато океаны очень эффективны. Это означает, что сигналы, отраженные от Атлантического океана, например, будут гораздо сильнее, чем сигналы, отраженные от таких зон как пустыня Сахара. Кроме потерь, вызванных отражением от земной поверхности, сигналы испытывают затухание каждый раз, когда они проходят через слой D. И действительно, затухание в слое D очень существенно, особенно если вспомнить, что сигналы дважды проходят через слой D при каждом “путешествии” их к слою Е или F. Помимо того, что высокие частоты более удобны для использования, так как они отражаются от слоя F2 и поэтому требуют меньшего числа отражений, они же испытывают и меньшее поглощение в слое D. Это означает, что, при прочих равных условиях, сигнал на частоте 28 МГц, например, будет сильнее сигнала частоты 14 МГц (если связь установлена на обеих частотах).

Расстояние скачка и “мертвая” зона

Расстояние скачка и “мертвая’ зона — очень важные понятия ионосферного распространения. Расстояние вдоль поверхности Земли, на которое распространяется сигнал при отражении от ионосферы, называют расстоянием скачка (рис.8). Имеется также область, которую называют “мертвой” зоной. Сигналы поверхностной волны из-за затухания будут слышимы только на определенном расстоянии от передатчика. Сигналы, распространяющиеся к ионосфере, не могут отразиться раньше, чем они достигнут ионосферы. При этом они проходят расстояния, которые гораздо больше тех, на которых полностью исчезает поверхностная волна. Это приводит к возникновению области, где сигналы не могут быть услышаны. Эта зона и называется “мертвой’ зоной. Она особенно ярко выражена для высокочастотных сигналов, для которых поверхностная волна затухает очень быстро, а расстояние скачка может иметь величину в тысячу миль или больше.

Источник

Влияние ионосферы на распространение радиоволн

Выше стратосферы располагается ионосфера – слой земной атмосферы, простирающийся до высот порядка 800 км, а за ней – экзосфера, переходящая в ближний космос, которая не оказывает влияния на радиоволны.

Ионосфера существенно влияет на распространение радиоволн. Благодаря ионосфере радиоволны распространяются вокруг поверхности Земли на весьма большие расстояния, даже при очень малых мощностях передатчиков. Предположение о влиянии верхней части атмосферы на распространение радиоволн впервые было высказано в 1902 г. после осуществления трансатлантической радиосвязи. Почти одновременно Кеннели (Америка) и Хевисайд (Англия) предположили, что в верхних областях атмосферы имеется большое количество положительных и отрицательных ионов. Эти ионы образуют проводящий слой атмосферы, так называемую ионосферу, от которой и происходит отражение радиоволн.

Рисунок 7.1 – Зависимость плотности свободных электронов от высоты Н

и времени суток. Зимнее время, средние широты

Ход кривой электронной концентрации можно пояснить следующим образом. В самых верхних слоях атмосферы ионизирующие факторы действуют сильнее всего, но плотность газов чрезвычайно мала. Поэтому, хотя в этих слоях почти все частицы ионизированы, величина Nневелика. В нижних слоях, наоборот, плотность атмосферы достаточно велика, но ионизирующее действие излучений, ослабленных при прохождении через всю толщу атмосферы мало, поэтому и число электронов в 1 см 3 тоже мало. В соответствии с уровнем электронной концентрации различают четыре области ионизации, которые обозначают буквами D, Е, F₁, F₂ и называют слоями.

Наиболее существенное влияние на распространение радиоволн оказывает слой F_2, имеющий наибольшую электронную концентрацию.

Электронная концентрация N существенно зависит от времени суток, времени года, 11-летнего периода изменения солнечной активности, географической широты, степени возмущенности Солнца и магнитного поля Земли, а также интенсивности действия внешних факторов.

Суточные изменения электронной концентрации в ионосфере примерно соответствуют изменению высоты Солнца (рис. 7.1). При этом максимум высоты Солнца соответствует максимуму электронной концентрации. Сезонные изменения в состоянии ионосферы выражаются как в изменении величины электронной концентрации, так и высоты ионизированных слоев. Так, например, слой F₂, располагающийся днем в летнее время на высотах 300 – 450 км, в зимнее время опускается до высот 250 – 350 км.

При распространении пространственных радиоволн в ионосфере ее электрические заряды под воздействием электромагнитной волны сами начинают совершать колебательное движение и становятся источниками вторичных волн. При взаимодействии вторичных волн с первичными возникает результирующая волна. Скорость ее распространения зависит от электронной концентрации. Основными параметрами ионосферы будем считать ее диэлектрическую проницаемость Ɛ и проводимость Ϭ.

Диэлектрическую проницаемость ионизированного разреженного газа с электронной плотностью N без учета магнитного поля Земли, можно определить по формуле

, (7.1)

где – частота собственных колебаний электронов (плазменная частота);

N– концентрация электронов в плазме ионосферы;

– заряд электрона;

– масса электрона;

– частота столкновений электронов с ионами и нейтральными молекулами (частота релаксации).

Подставляя числовые значения в формулу (7.1) и приравнивая частоту релаксации нулю ( =0), получим формулу для определения относительной диэлектрической проницаемости ионизированного газа

(7.2)

Из (7.2) видно, что при значительной электронной концентрации диэлектрическая проницаемость газа может равняться нулю. Условие выполняется на частоте .

(7.3)

С учетом собственной частоты ионизированного газа выражение (7.2) можно переписать.

, (7.4)

где f– частота радиоволны, кГц.

Из этих соотношений видно, что электрические свойства ионосферы неоднородны. Экспериментально установлено, что неоднородности ионосферы имеют размеры от нескольких метров до нескольких километров. На высоте 60. 80 км, т. е. в области D, преобладают более мелкие неоднородности размером до десятков метров, в слое E – неоднородности размером 200. 300 м, а в слое F – неоднородности размером в несколько километров. Неоднородности слоя F имеют продолговатую форму, вытянутую вдоль силовых линий магнитного поля Земли. Отклонения неоднородностей электронной плотности от среднего значения электронной плотности окружающей ионизированного газа могут составлять (0,1. 1)%. Скорость движения неоднородностей не превышает 1. 10 м/с.

Как видно соотношений (7.2 – 7.4) диэлектрическая проницаемость ионосферы Ɛ всегда меньше единицы и тем меньше, чем ниже рабочая частота f. Это означает, что преломление радиоволн в ионосфере тем сильнее, чем больше длина радиоволн. Наоборот, для очень коротких радиоволн (высокие частоты) диэлектрическая проницаемость ионосферы очень мало отличается от единицы, и они почти не испытывают в ионосфере преломления.

Кроме того, установлено, что ионосфера является нестационарной анизотропной средой.

Нестационарность означает изменение во времени параметров ионосферы, а свойство анизотропии обусловлено наличием магнитного поля Земли. За счет влияния магнитного поля на ионосферу при распространении линейно поляризованных радиоволн (особенно метровых и дециметровых) наблюдается вращение плоскости поляризации (эффект Фарадея), что вызывает поляризационные замирания радиосигнала.

Учитывая наличие в ионосфере слоев с различными Ɛ, можно представить себе траектории радиолучей в виде, показанном на рисунке 7.2.

Рисунок 7.2 – Траектории радиолучей в ионосфере для различных длин волн

При некоторых условиях Ɛ= 0 преломленная в ионосфере радиоволна может возвратиться на землю. Такую волну называют отраженной.

Максимальную частоту электромагнитной волны, которая еще отражается при вертикальном падении на ионизированный слой, называют критической частотой. Она определяется:

(7.5)

гдеN –электронная концентрация данного слоя.

Поэтому ионизированным слоям D, Е, F₁, F₂ расположенным на различных высотах, соответствуют свои критические частоты. Если частота радиоволн выше критической, соответствующей данному ионизированному слою, то падающая на ионосферу волна не отражается, а лишь преломляется в ней и уходит в космическое пространство. Ионосфера для таких радиосигналов становится прозрачной.

Чтобы этого не произошло, необходимо рабочую частоту радиоэлектронного средства выбирать так, чтобы обеспечивалось условие

_РЭС

Источник