Волновод Земля – ионосфера - Earth–ionosphere waveguide

В Волновод Земля – ионосфера^[1] относится к явлению, при котором определенные радиоволны могут распространяться в пространстве между землей и границей ионосфера.Поскольку ионосфера содержит заряженные частицы, он может вести себя как дирижер. Земля действует как плоскость земли, и образовавшаяся полость ведет себя как большая волновод.

Чрезвычайно низкая частота (ELF) (<3 кГц) и очень низкая частота (VLF) (3–30 кГц) сигналы могут эффективно распространяться в этом волноводе. Например, удары молнии вызывают сигнал, называемый радиоатмосфера, которые могут перемещаться на многие тысячи километров, поскольку находятся между Землей и ионосферой. Кругосветный характер волновода создает резонансы, как резонатор, которые находятся на ~ 7 Гц.

Вступление

Волновод Земля – ионосфера
Рисунок 1. Геометрия распространения лучей в волноводе Земля – ионосфера. Отображаются земная волна и две небесные волны.
Фигура 2. Реальная и виртуальная высота отражения
Рисунок 3. Нормализованная вертикальная напряженность поля Ez в зависимости от расстояния ρ по величине (сплошная линия, левая ордината) и фазе (пунктирная линия, правая ордината).[примечание 1]
Рисунок 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 пределах ионосфера зависит от частоты, угол падения, время суток, сезон, Магнитное поле Земли, и солнечная активность. При вертикальном падении волны с частотами больше плазменной частоты электронов (${displaystyle f_{e}}$ в Гц) максимума F-слоя

${displaystyle f_{e}=9{sqrt {N_{e}}}}$

(1)

(${displaystyle N_{e}}$ в ${displaystyle m^{-3}}$ - электронная плотность) может распространяться в ионосфере практически без возмущений. Волны с частотами меньше ${displaystyle f_{e}}$ отражаются в ионосферных D-, E- и F-слоях.^[2][3] ж_е составляет порядка 8–15 МГц в дневных условиях. Для наклонного падения критическая частота становится больше.

Очень низкие частоты (VLF: 3–30 кГц) и чрезвычайно низкие частоты (ELF: <3 кГц) отражаются на ионосферный D- и нижний E-слой. Исключением является свистун распространение молния сигналы вдоль силовых линий геомагнитного поля.^[2][4]

Длины волн ОНЧ (10–100 км) уже сопоставимы с высотой ионосферного D-слоя (около 70 км днем ​​и 90 км ночью). Следовательно, теория лучей применима только для распространения на короткие расстояния, тогда как теория мод должна использоваться для больших расстояний. Таким образом, область между поверхностью Земли и ионосферным D-слоем ведет себя как волновод для ОНЧ- и СНЧ-волн.

При наличии ионосферной плазмы и геомагнитное поле, электромагнитные волны существуют для частот, превышающих гирочастота ионов (около 1 Гц). Волны с частотами меньше гирочастоты называются гидромагнитными волнами. Геомагнитные пульсации с периодами от секунд до минут, а также Альфвеновские волны принадлежат к этому типу волн.

Функция передачи

Прототипом короткой вертикальной стержневой антенны является вертикальная электрическая Герц диполь, в котором протекают электрические переменные токи частоты f. Его излучение электромагнитных волн в волноводе Земля-ионосфера можно описать передаточной функцией T (ρ, ω):

${displaystyle E_{z}(ho ,omega )=T(ho ,omega )E_{o}(ho ,omega )}$

(2)

где E_z - вертикальная составляющая электрического поля в приемнике на расстоянии ρ от передатчика, E_о - электрическое поле диполя Герца в свободном пространстве, а ${displaystyle omega =2pi f}$ то угловая частота. В свободном пространстве это ${displaystyle T=1}$. Очевидно, волновод Земля – ионосфера является дисперсионным, так как передаточная функция зависит от частоты. Это означает, что фаза и групповая скорость волны зависят от частоты.

Теория лучей

В диапазоне ОНЧ передаточная функция представляет собой сумму земной волны, которая достигает непосредственно приемника, и многозвенных космических волн, отраженных от ионосферного D-слоя (рисунок 1).

На реальной поверхности Земли земная волна рассеивается и зависит от орографии вдоль траектории луча.^[5] Однако для ОНЧ волн на более коротких расстояниях этот эффект не играет особой роли, и коэффициент отражения Земли равен ${displaystyle R_{e}=1}$, в первом приближении.

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

Сумма земной волны и первой скачковой волны отображает интерференционную картину с интерференционными минимумами, если разность между лучевыми траекториями 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 расстоянии по горизонтали

${displaystyle ho _{1}approx {dfrac {2fh^{2}}{c}}}$

(3)

со скоростью света. В примере на Рисунке 3 это расстояние примерно 500 км.

Теория волнового режима

Теория лучевого распространения ОНЧ-волн не работает на больших расстояниях, потому что в сумме этих волн участвуют последовательные многокомпонентные пространственные волны, а сумма расходится. Кроме того, возникает необходимость учитывать сферическую Землю. Теория мод, которая является суммой собственных мод в волноводе Земля – ионосфера, справедлива в этом диапазоне расстояний.^[5][6] Волновые моды имеют фиксированную вертикальную структуру 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 частота среза, где мода переходит в затухающую волну. Для первого режима это происходит при^[2]

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

(4)

ниже которого этот режим не будет распространяться (рисунок 4).

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

В диапазоне волн КНЧ уместна только теория мод. Основная мода - это нулевая мода (рисунок 4). D-слой становится здесь электрической стенкой (R_я = 1). Его вертикальная структура представляет собой просто вертикальное электрическое поле, постоянное с высотой.

В частности, резонансная нулевая мода существует для волн, которые являются неотъемлемой частью окружности Земли и имеют частоту

${displaystyle f_{m}={dfrac {mc}{2api }}kHz}$   ${displaystyle (m=1,2,...)}$

(5)

с радиусом Земли. Первые резонансные пики находятся на частотах 7,5, 15 и 22,5 Гц. Эти Шумановские резонансы. На этих частотах усиливаются спектральные сигналы молнии.^[5][8]

Характеристики волновода

Приведенное выше обсуждение просто иллюстрирует простую картину теории мод и лучей. Для более детального лечения требуется большая компьютерная программа. В частности, трудно решить проблему горизонтальных и вертикальных неоднородностей волновода. Эффект кривизны Земли состоит в том, что вблизи антипода напряженность поля несколько увеличивается.^[5] Из-за влияния магнитного поля Земли среда становится анизотропной, так что коэффициент отражения от ионосферы на самом деле представляет собой матрицу. Это означает, что вертикально поляризованная падающая волна после отражения от ионосферного D-слоя преобразуется в вертикально и горизонтально поляризованную волну. Кроме того, геомагнитное поле приводит к невзаимности ОНЧ волн. Волны, распространяющиеся с востока на запад, ослабляются сильнее, чем наоборот. Появляется проскальзывание фазы вблизи расстояния от глубокого интерференционного минимума Уравнение 3. Во время восхода и / или заката иногда наблюдается усиление или потеря фазы на 360 ° из-за необратимого поведения первой небесной волны.

Дисперсионные характеристики волновода Земля-ионосфера могут быть использованы для локализации грозовой активности путем измерения разности групповой временной задержки сигналов молнии (сферики ) на соседних частотах до расстояний до 10000 км.^[7] Резонансы Шумана позволяют определять глобальную грозовую активность.^[9]

Смотрите также

• Резонатор Альфвена
• Атмосферный канал
• Коротковолновое радио
• Skywave
• Тропосферные воздуховоды

Ссылки и примечания

Примечания

1. Передатчик представляет собой вертикальный электрический диполь Герца, излучающий на частоте 15 кГц. Высота виртуального отражения волновода Земля-ионосфера составляет 70 км, что соответствует дневным условиям на средних широтах. Минимум амплитуды около ρ = 500 - это последний минимум интерференции между земной волной и первой небесной волной (лучевая теория). Это также первый минимум помех между первой и второй модами (теория мод).

Цитаты

1. Шпионы, Кеннет П. и Джеймс Р. Уэйт, Расчеты мод для ОНЧ-распространения в волноводе земля-ионосфера (Июль 1961 г.). Национальное бюро стандартов США. QC100 .U5753 № 114 1961.
2. Дэвис, К., "Ионосферное радио", Peregrinus Ltd, Лондон, 1990 г.
3. Роуэр, К., "Распространение волн в ионосфере", Kluwer Publ., Dordrecht, 1993
4. Роберт А. Хелливелл (2006). Вистлеры и связанные с ними ионосферные явления. Dover Publications, Inc. ISBN  978-0-486-44572-4. Первоначально опубликовано издательством Stanford University Press, Стэнфорд, Калифорния (1965).
5. Уэйт, Дж. Р., Электромагнитные волны в стратифицированных средах, Макмиллан, Нью-Йорк, 1979.
6. Бадден, К.Г., "Распространение радиоволн", Кембридж, University Press, Кембридж, 1985.
7. Волланд, Х., "Атмосферная электродинамика", Springer Verlag, Гейдельберг, 1984 г.
8. Николаенко А.П .; М. Хаякава (2002). Резонансы в полости Земля – ионосфера.. Kluwer Academic Publishers, Дордрехт-Бостон-Лондон.
9. Хекман С. Дж .; Э. Уильямс (1998). «Полная глобальная молния, полученная из измерений резонанса Шумана». J. Geophys. Res. 103 (D24) (D24): 31775–31779. Bibcode:1998JGR ... 10331775H. Дои:10.1029 / 98JD02648.