ГЛАВА ВОСЬМАЯ

ВОЛНОВОДНОЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ МЕЖДУ ПОВЕРХНОСТЬЮ ЗЕМЛИ И ИОНОСФЕЮЙ. ДЛИННЬШ И СВЕРХДЛИННЫЕ ВОЛНЫ

Диапазон частот рассматриваемых здесь волн начинается от единиц герц и простирается до нескольких десятков килогерц. Приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований поля внутри полости, именуемой волноводом и образуемой поверхностью Земли н началом ионосферы, т. е. переходной ее областью. Если иметь в виду частоты радио диапазона, нревышающие 5-10 кг1/, то можно действительно говорить о волноводе и о волновом процессе распространения электромагнитных колебаний. Высота волновода и особенно расстояния, на которых исследуется поле в этом случае, часто намного больше используемых длин волн. На частотах же ниже 2-Зкгу, особенно в области частот в сотни и единицы герц, когда длина волн значительно больше всех линейных размеров полости и часто превышает намного даже полную окружность Земли, волнового процесса, как такового, фактически нет. Можно лишь говорить о процессе установления электромагнитных колебаний в по.чости. ЭтотТяроцесс, естественно, происходите определенной релаксацией (скоростью распространения ) и зависит от расстояния до источника излучаемых или захватываемых в полость электромагнитных колебаний. Естественно, что в этом диапазоне частот должны проявляться собственные резонансные частоты всей колебательной системы Земляионосфера, если они лежат в области частот источника внешних колебаний. Эти резонансы и наблюдались в различных опытах. Оговорив эти обстоятельства, мы в дальнейшем не будем подчеркивать это отличие различных участков рассматриваемого диапазона частот.

Ббльшая часть данных этой главы относится к СНЧ волнам, для которых высота начала ионосф1фы составляет несколько длин волн, а переходная область основания моносферы, где быстро возрастает электронная концентрация и проводимость, - порядка или много меиыш; длины волны. Поэтому область!) ионосферы для длинных волн не является поглощающим слоем, как для всех остальных волн радиодиапазона, а служит проводящей стенкой волновода, направляющей поток их излучения, итем самым способствующей их распространению. Вследствие указанных причигг в волноводе Земля-ионосфера возбуждается спектр волн, и уже вблизи от излучателя наблюдается интерференционный характер структуры поля в зависимости от расстояния, обусловленный суперпозицией этих волн. На достаточно удаленных от источника расстояниях по.проявляются прямая и отраженные от ионосферы волны по отдельности. Так, на расстоянии свыше 2000-3000 км практически остается лишь одна достаточно интенсивная волна чисто волноводной природы, которая не является прямой волной. Таким образом, классический подход на основе строгого решения дифракционной задачи, как и лучевая трактовка картины распространения при учете влияния ионосферы, уже не пригодны для описания распространения этих волп па больших расстояниях. В зоне расстояний, меньших 1000-2000 км, целесообразно рассматривать поле как суперпозицию прямой волны, распространяющейся вдоль поверхности Земли, и волн, отраженных от ионосферы. Показано, что строгое решение волноводной задачи переходит здесь в соответствующее решение в приблия№нии геометрической оптики.

Теория волноводпого распространения достаточно полно разработана с учетом сферичности Земли как д.гя модели однородной ионосферы, так и ш!ОД1юродной ионосферы [162-168, 9, 665-078, Ь7>[)-865], хотя последний случай еще мало проанализирован с количественной стороны, и сто не созданы методы расчета, удобные для практического ис-

пользования. Решены некоторые задачи также с учетом влияния магнитного поля Земли, однако в еще меньшей степени, чем для неоднородпой ионосферы, проанализированы область и характер его влияния. G экспериментальной стороны основные закономериости и свойства волноводяого поля также хорошо изучены [678-706]. Прогрессу экспериментальных исследований способствовало, в частности, использование источников низкочастотных электромагнитных колебаний естественного происхождения - молниевых разрядов, что и позволило изучить Болноводное поле, начиная от волп частотой в единицы герц 1171-173]. Таким образом, можно считать, что раздел волноводпого распространения, как и рассмотренные выше разделы, в значительной своей части завершен.

§ 37. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ПОЛЯ

Расчеты поля длинных радиоволн в общем случае требуют решения волно-водной задачи для сферической Земли, окруженной неоднородной анизотропной ионосферой, свойства которой существенно изменяются с частотой.

В таком общем виде эта задача очень сложна и ее решение трудно привести к достаточно обозримым результатам. Вместе с тем для анализа экспериментальных данных не во всех случаях необходимо знать общее решение. Можно ограничиться, как мы увидим ниже, рассмотрением лишь идеализированных задач, которые, нравда, сами по себе тоже весьма сложны. Для ряда таких задач получены достаточно полные решения, они хорошо изучены и широко используются. Прежде всего - это волноводная задача для сферической Земли с однородной поверхностью Земли и однородной ионосферой; затем более простое приближение - решение для плоского волновода.

1. Сферический и плоский волноводы с однородными границами

(метод модов)

В сферическом приземпом волноводе, для которого принимается, что комплексные диэлектрические про1шцаемости однородной Земли и однородной, изотропной ионосферы соответствсппо равны:

4э1УУе2

m (w- v2) o)

когда удовлетворяется условие

радиальная составляющая электрического поля равна [664]

r=h-n {\ +1) (v + (Vo) К (V) X

(37.1)

(37.2)

Р, [COS

(37.3)

где п = Оу 1, 2,...; у -комплексные числа, корни уравнения полюсов

Формулу (37.3) принято называть рядом модов. В ней использованы следующие обозначения:/Го= )/<? =-27г/Х;/с = /сое*; к - к&*; I - ток излучае-

Рис. 37.1. К формулам сферического волновода

Ионосфера

мого диполя; dl - его длина; г = Н-\- z,r z\ R~R-\- h (рис. 37.1);

сферические функции Ханкеля; Р - полиномы Лежандра;

с (M) fevMVo)J

.{2)

(37. 5)

In [л;/ (АгоЛ)] - in (А.л)]

In [kkil (M)1-t1 лг.гл (А,Д)]

Исследование зависимости поля от высот источника и точки наблюдения показало, что в ряде случаев максимального значения ее амплитуда достигает на некоторой высоте внутри волновода. Этот эффект выражен заметно только на более высоких частотах рассматриваемого диапазона и возникает за счет влияния скольжения волн вдоль вогнутой поверхности волновода, приводящего к своеобразной фокусировке поля. Это явление аналогично открытому Рэлеем в акустике эффекту шепчущей галереи .

Работать с формулой (37. 3) весьма трудно. Однако при выполнении условий

2 (оо)

(37. 6)

можно использовать асимптотические представления сферических функций Ханкеля. В итоге получается [6741

Р [-cosCol

sm v u

(37. 7)