Радиоволны и электромагнитные волны естественного происхождения, используемые как средство связи, навигации и радиолокации или для научных исследований {в частности, для диагностики приземной плазмы - ионосферы), имеют диапазон частот от единиц и даже долей герц и достигают 10 -10 гц и более, т. е. они уже близки к онти-ческим волнам.

Во всех примепе1шях волны передаются через окружающую сроду на расстояния, которые в земных условиях изменяются от нескольких десятков метров до 10 ООО- 20 ООО км. В последние годы эти расстояния достихш многих сотен тысяч и даже миллионов километров (различные исследования с помощью ИСЗ и ракет или отражспия радиоволн от Луны, изучение свойств радиоизлучения Солнца, Галактики и т. п.).

Процесс передачи электромагнитных волн лишь очень редко можно рассматривать как распространение в свободном пространстве. Обычно мы сталкиваемся с большим многообразием явлений, усложняющих структуру электромагнитного поля в точке наблюдения и обусловленных различными причинами: близостью источника и точки наблюдения к земной поверхности и влиянием ее кривизны; влиянием тропосферы на распространение прямой волны, огибающей земную поверхность; волноводным распрострапе-пием мелду Землей и ионосферой; отражением и рассеянием алектромагнитных волп от ионосферы; гидированисм волн во внешних областях ионосферы вдоль силовых линий магнитного поля Земли и влиянием ориентированных вдоль них вытянутых нео дни родных образований и др.

На разных частотах все ути обстоятельства ра.чличпым обра.чом проявляются не только количественно, но иногда и качественно. Поэтому при анализе суиества физических явлений и различных практических применений часто рассматривают свойства распространения радиоволн соответственно в различных участках частот. Целесообразно следующее разделение всеш дианазона частот:

сверхдлинные волны (X > 30 ООО лг), ультракороткие волны (0,й-10 м),

длргапые волны (2000-30 ООО м), микрорадиополны (0,5 м и меньше, санти-

срсдние волны (200-2000 м), метровые и миллиметровые волны) короткие волпы (10-200 м).

Однако ряд явлений, например распространение прямой hojiihji над земной поверхностью или отражение средних и коротких радиоволн от ионосферы, рассеяние на неоднородпостях и другие нроцессы, на различных частотах, но существу, одинаковы Их отличие, можпо сказать, - лишь масштабноio типа и связано с изменением таких безразмерных величин, как /q/X, с или глубина проникновения волны в отражающую среду; в различных участках диапазона частот эти явления проявляются лишь в иной мере.

Поэтому мы сочли наиболее правильным всю совокупность вопросов, связанных с распространением электромагнитных волн около Земли, объединить в отдельные главы по принципу одинаковости или общности физического характера изучаемых явлений или свойств сред , а не по диапазонам частот.

Большая часть рассматриваемых в этой части книги результатов экспериментальных и теоретических работ имеет у?кс запсриюнный харакиф. Однако имеется ряд вопросов еще недостаточно исследованных. Например, влияние неоддюродпости ионосферы и магнитного ноля Земли Fia вол1Юводное расиространепио СНЧ и НЧ волп, вопросы выхода этих волн за пределы волновода и их трансформации в переходной области на верхней границе волновода. Распространение алектромагнитных волп по В1юшнсй иопосфсфе вдоль магнитного поля Земли или их рассеяние на неоднородных образованиях, а также захват волн а локальные неод1и)родиости или в различные части ионосферы етце мало изучен. Этот круг вопросов представляет большой интерес и дальнейшее развитие этой области физики, вероятно, будет связано с изучением именно этих вопросов.

ГЛАВА ШЕСТАЯ

РАСПРОСТРАНЕНИЕ ВОЛН РАЗЛИЧНОЙ ЧАСТОТЫ ОКОЛО РОВНОЙ И ОДНОРОДНОЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

В этой главе изложены главным образом теоретические результаты исследований распространения электромагаитных волн радиодиапазона около гладкой, электрически однородной земной поверхности без учета влияния тропосферы и ионосферы. Рассмотрены два предельных случая, зависящие от длины волны:

1) Высоты источника и точки наблюдения над земной поверхностью достаточно велики по сравнению с длиной волны, и в точке набдюдеггая принимаются прямая волна и волна, отраженная от поверхпости Земли. В этом процессе участвует аффективно лишь некоторан область пространства между точками излучения и приема и эффективная область отражения от поверхпости Земли. Теория этого случая распространения проста, была давно полностью разработана в оптике и осуществляется главным образом на ультракоротких и микроволнах (198, 643-646].

2) Высоты источника и точки наблюдения малы (практически равны нулю) и происходит как бы скольжение волхш вдоль границы раздела. В этом процессе участвует в ряде случаев весь участок земной поверхности между точками излучения и приема, и теория расиространения (дифракции волн) вдоль Земли значительно сложнее. Она была разработана главным образом в радиофизике для расчетов поля на всех длинах волн радио диапазона [141-145, 647, 648]. Естественно, что на различных частотах результаты расчетов поля в обих случаях, без учета влияния тропосферы или ионосферы, имеют лишь ограличсппую применимость.

§ 29. ПОЛЕ ПРИПОДНЯТОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ {гфЩ В ПРИБЛИЖЕНИИ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИКИ

Если в точке иаблтодепия, помещенной над земной поверхностью, рассматривать поле как результат суперпозиции прямой и отраженной волн, то, естественно, имеется в виду, что общая дифракционная задача дана в нри-ближении геометрической оптики. Показано [1441, что если точка наблюдения находится песколько выше видимого горизонта и отражепная волна, излучаемая приподнятым источником, пе касается поверхности Земли, то строгое решение задачи действительно принимает вид

(29.1)

о

т. е. является суперпозицией двух волп (рис. 29.1). При этом в формуле (29.1) p((f)-функция, характеризующая коэффициент отражения сферической волны от сферической поверхпости Земли; опа зависит как от геометрических величин, описывающих взаимное положение источника и точки наблюдения, так и электрических свойств Земли и, естественно, длипы волпы. Коэффициент а можно назвать коэффициентом расходимости волны; он зависит только от геометрических величин и является мерой дополнительной расходимости отраженного от сферической поворхности пучка волн по сравнению с расходимостью этого пучка при отражении от плоскости (рис. 29.2).

Коэффициент отражения сферической волны от сферы имеет довольно сложный вид; для вертикально поляризованной волны он равен [1441

р(ф) .-Г й-zr,---r-d--(-2)

где Hoso () и i/ icos6 () -- функции Ханкеля относительно аргумента х;

k = :t, u = ft ]/s .-==; (29,3)

i?o - радиус Земли. Для горизонтально поляризованной волны также пригодна формула (29.2), в которой х всюду заменяется на \ix.

Однако за исключением случаев, близких к касате.пьному падению волны, т. е. во псех случаях, когда удовлетворяется соотношение

V<o,i>l, (29.4)

формула (29.2) близко совпадает с формулой коэффициента отражения Френеля для плоской волны, которая является пределом (29.2) при Rq- со. Поэтому, им[ея в виду довольно легкое ограничение (29.4), можно в (29.1) подставить хорошо известные формулы Френеля.

Для вертикально поляризованной волны (электрический вектор лежит в плоскости падения), как известно, коэффициент отра-гкепия Френеля равен

(г - i sin ф - 1/ (е - г --) - co.s- ф

Р/- - --- =1- , (29. 5)

а при горизонтальной по.яяризации волны (электрический вектор лежит нормально к плоскости падения)

лП 4twN

a. = - . (29.6)

.sm у + ( £ - i - j - o()s 2 Ф

Что же касается коэффициента расходимости а, то геометрически он интерпретируется как корень квадратный из отношения сечения S, образуемого в точке наблюдения бесконечно узким пучком, исходящим от излучателя (см. рис. 29.2) и отраженным от сферы, к сечению iS , образуемого, если в точке отражения заменить сферу касательной плоскосгью. Как мы видим, появление в формуле (29.1) коэффициепта а обусловлено тем, что ослабление амплитуды волны пропорционально квадратному Koj)ino из поверхности, пересекаемой ее потоком. Соотвстствуюп1,ие расчетьс приводят к форму.пе

rr - l/I 0 + М 29 7)

г v(i?o-fi)(o2)sin&[rj(/o + 2}cos7.2 + -2(<r-!-2i)eosXi] или приближенно

УГо (Г cos Хз + Г2 COS Xi)

в итоге мы видим, что при вычислении поля в освегценпой зоне можпо использовать формулу (29.1) с коэффициентом отражепип Френеля с поправочным коэффициентом (29.7).