ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ ПОГЛОЩЕНИЕ И ОТРАЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

В этой главе рассмотрены данные и некоторые теоретические вопросы отражения и поглощения радиоволн, связанные с изучением в ионосфере числа упругих столкновений электронов с нейтральными частицами и ионами. Исследования числа столкновений важны не только для определения потерь энергии радиоволн в ионосфере. Оно регулирует тепловой баланс в ионосфере, определяет ее температуру, от него зависит характер установления различных колебательных процессов в плазме и, таким образом, роль его велика для понимания физических процессом в ионосфере.

Одним из основных методов определения числа столкновений в ионосфере - измерение амплитуд отраженных или проходящих через нее радиоволн. При этом, однако, затухание амплитуды радиоволи зависит и от их рассеяния па неоднородных образованиях. Кроме того, на характер изменения амплитуды во время опыта влияет множество других факторов, поэтому результаты соответствующих измерений часто нельзя считать достаточно точными Определение числа столкновений - весьма сложная экспериментальная задача; до настоящего времени нет других физически более прозрачных и точных методов соответствующих измерений, поэтому некоторые вопросы, играннцие существенную роль для понимания самого характера процесса упругих столкновений в ряде областей ионосферы, остаются еще неопределенными. Так, в последнее время, основываясь на результатах лабораторных измерений для азота, для расчетов поглощения радиоволн в нижних областях ионосферы (областях D ж Е) используется не обычная г.чзокинетическая формула (т. е. линейная зависимость числа соударений от скорости электронов) v - у, а квадратичная зависимость v - v,. Теоретически эта формула еще ш! обоснована и требуется ее эксперименталышн проверка. Вопрос этот имеет принципиальное значение, как и некоторые другие неясные вопросы, связанные со столкновениями частиц в ионосф(!ре. По-видимому, липтг. дальнейшие качественно новые эксперименты позволят глубже исследовать эти важные вопросы

§ 21. КОЭФФИЦИЕНТ ОТРАЖЕНИЯ ОТ ИОНОСФЕРЫ

Расчет коэффициента отражения электромагнитных волн от ионосферы в общей своей постановке - .задача сложная, требующая решения волнового уравнения для анизотропной, поглощающей, неоднородной среды. В ряде случаев, например jcpn расчетах волноводпого распространения НЧ волн, иеобходиАто учитывать сферичность Земли и ионосферы. В итоге полное решение задачи описывается с помощью матрицы

(21. 1)

включающей четыре коэффициента отражения для различных комбинаций поляризации падающей (значок слева около р) и отраженной (значок справа) волн .

Значки и X. обозначают соответственно поляризацию волны параллельно и перпендикулярно плоскости падения.

Естественно, что для получения достаточно точных как количественпых, так и качественных данных об изучаемых свойствах поля общие расчеты коэффициента отражения часто совсем пе нужны. Например, в задаче о волно-водном распространении УНЧ и СНЧ волн во многих случаях можно рассматривать ионосферу как среду с резкой плоской границей и использовать в (21. 1) соответствующие коэффициенты отражения Френеля. На средних и коротких волнах, в зависимости от длины волны, уже необходимо описывать отражепие от ионосферы, анпроксимируя со неоднородность по высоте моделью переходного или симметричного слоя. В некоторых условиях >шжно вообще пренебречь анизотропией иопосферы или даже влиянием числа соударений. Широко используется также приближешяе геометрической оптики для определения поглощения радиоволн, коэффициента их отражения от ионосферы. Это объясняется пе только простотой метода расчетов, но и пригод-ностыо этого приближения в широком классе случаев, встречаемых при анализе и интерпретации экспериментальных данных. Таким образом, задача об отражении радиоволн от иопосферы решается разнообразными методами. Этот вопрос довольно хорошо освещен в литературе [19, 20, 144, 166, 244, 248, Г)93-6011.

Переходя к рассмотрению некоторых наиболее применимых для расчётов в иопосфере формул коэффициента отражетгая, необходимо обратить внимание еще па следуюхцие обстоятельства. При точных расчетах коэффициента отражения не всегда пригодны элементарные формулы коэффициентов преломления и затухания {п и у) для холодной плазмы без учета теплового движения частиц.

В гл. 1 мы уже рассматривали влияние прострапствепной дисперсии на коэффициент преломления, а также черенковское и циклотронное хд затухания, нолучасмыс при кинетическом рассмотрении соответствующей задачи для бесстолкновительной плазмы. Было показано, что соответствующие эффекты играют роль в области F2 ионосферы унсе на высотах Z > 300-400 км.

Однако в ряде случаев кинетическое рассмотрепие необходимо даже в области D ионосферы при расчете коэффициентов затухания и преломления с учетом влияния соударений. Например, метод частичного отражения радиоволн для определения высотных профилей N (z) области D иопосферы (см. § 10) требует для достаточно точного анализа экспериментальных данных использования при расчетах коэффициента отражения формул коэффициентов преломления, полученных с учетом теплового движения частиц [602]. Иоэтому в дополнение к приведенным в гл. 1 формулам тг м х рассмотрим результаты соответствующих расчетов с учетом числа столкновений.

1. Обобщенные коэффициенты преломления и затухания. Влияние электричесБого поля

Для произвольного направления магнитного поля Земля Hq общие формулы комплексного коэффициента преломления весьма сло?киы (см. ниже). Однако часто пригодны и могут быть использованы формулы для продольного распространения, когда 6=0 (О-угол между волновым вектором и If о) и квазипоперечпого распространения, когда б=л/2.

Для продольного распространения (О-0), без учета теплового разброса частиц для обыкновенной и необыкновенной волн, как мы видели (см. гл. 1):

И + я) 1 1 cogv 1

О) [(со + шя)2 -1 - v21 j I to [(ш + ш,)2 -1- v2] j >

где V- число столкновений электронов (рассматриваются юЙ, 0,н).

Глава четвертая. Поглощение и отражение электромагнитных волн

Кипетическое рассмотрение для максвелловского распределения нейтральных частиц, при учете столкновений мегкду электронами и нейтральными частицами [см. (7. 11), (7. 12) и (21. 18)], приводит к следуюпщм формулам [526, 602]. Если принять, что v - y что рекомендуется в настоящее время для области D [603], то

/ -42 L о( + л) /

en /

Т{р-\-Ц J г2- ж

5wg

, (21.3)

(21.4)

i Vfuf, - скорость электронов; интеграл (х) приводится к асимптотической формуле

р{-)-~Г {p-[-i) жй r(p-i-l) ж* (р + 1)

(21.5)

[Г (. . .) -гамма-функция]. В папюм случае большие .значения аргумента х означают, что число столкновений мало. Из (21. 3) и (21. 5) видно, что в пределе, когда со, формулы (21. 3) переходят в (21. 2).

Для случаи V - необхо;:о в (21. 3)

Cbf {х) заменить па -- (ж), Сзд Ix) заменить на -Kj (ж).

(21.6)

(21.7)

и асимптотически

{р-\-ц , т I-2) , т{р+Л)

I У I

[5 ~Г

(21.8)

В случае поперечного распространопия (О 7г/2) для обыкновенной волны соответствующие значения комплексного коэффициента нреломлепия равны

й2 v3 J

(21.9) (21.10)

а для необыкновеппой полны

(21. И)