§ 49. Обрезание еолн и их прохождение через ионосферу 52)

Эффекты канализации и захвата волн во внешней ионосфере и магнитосфере могут быть довольно сложными и разнообразными, что часто усложняет интерпретацию и понимание окспериментальных данных. Еще раз под-черкпом, что эта область исследований находится в стадии развития и, по нашему мнению, представляет собой одно из наиболее современных и интересных направлений раздела распространения электромагнитных волн.

§ 49. ОБРЕЗАНИЕ ВОЛН И ИХ ПРОХОЖДЕНИЕ ЧЕРЕЗ ИОНОСФЕРУ

Как мы видели, БЧ и СВЧ волны захватываются при благоприятных условиях во внешней ионосфере продолговатыми неоднородностями и распространяются вдоль силовых линий магнитного поля. Однако этот побочный вид распространения представляет лишь ограниченный интерес. Основной тип распространения БЧ волн осуществляется, как в изотропной среде, пока их частота шд, и описывается без учета числа соударений v коэффициентом преломления

n = i-i. (49.1)

Распространение НЧ волн вдоль силовых линий магнитного поля является основным видом распространения в приземной плазме (см. §3). Верхний предел, при котором еще возможно распространение НЧ волн во внешней ионосфере и магнитосфере, регулируется гирорезопансным обрезанием НЧ волн. Таким образом, максимальные значения частот этих волн определяются из резонансного условия (см. § 3).

где Ve\\ - продольная вдоль IIq составляющая скорости электронов. Из (52, 2) следует

(49. 3)

1 -Ь й COS е

а п определяется при ЬО формулой (48, 6).

В реальных условиях максимальные значения частот изменяются в зависимости от высоты апогея траектории (например, свистящих атмосфериков над экватором) в пределах 15-20 кгц.

Гирорезонансное обрезание УНЧ волн происходит при выполнепии условия

o) = /cv, - 2д (49.4)

и, соответственно,

Гирорезонансное обрезание электронных и ионных свистов во внешней ионосфере, как и гирорезонанспое возбуждение плазмы - хороню известные явления, которые наблюдались в различных опытах. Гирорезонансное возбуждение электронных волн, как мы видели в гл. 1, зарегистрировано в опытах на ИСЗ, причем было обнаружено гирорезонанспое возбуждение высокой кратности шц. В последнее время наблюдалось гирорезонансное об-резарше и излучение СНЧ волн на частотах, кратных протонной гирочастоте Qh, зарегистрированы полосы излучения до частот 1л=80,н [821, 822].

(см. § 3) 1307-309].

Еще один вид обрезания УНЧ волны, который также обнаружен в опытах на ИСЗ [298], обусловлен влиянием многокомпонентности иопов и происходит в области перехода коэффициента преломления на различные ветви, между которыми < О (см. § 3). Обрезание ионных волн определяется при Щи~0 и, например, для трехкомпонентпой среды, состоящей из ионов Н, Не и Oj приводит к следующему условию:

где 0,11 - гирочастота протонов; /Ун, и /Уне-концентрации ионов и протонов и гелия. Предполагается что концентрация ионов кислорода No,~ - Nue - Лнь т. е. что плазма квазинейтральна. Формула (49. 7) определяет соответствующую частоту обрезания УР1Ч волн. В опытах, описанных в работе [298], было обнаружено обрезание между гирочастотами протонов и гелия.

В области частот (о Йн, ,шп (я, min - минимальное значение гирочастоты), в приземной плазме никакие эффекты обрезания волн больше не наблюдаются. Коэффициенты преломления в этом случае равны

(49.8)

тде nA=QJQ,H - альфеновский коэффициент преломления; индексы 2,1 и знаки + относятся соответственно к электронной и ионной волнам. В этом диапазоне частот - это так называемая быстрая и медленная магнито-зву-ковые волны (см. § 3). В пределе ш < fimin это модифицированная быстрая и медленная альфеновские волны.

Таким образом, ВЧ и СВЧ волны распространяются во внешней ионосфере и магнитосфере и могут выходить за их пределы в межпланетную среду с наименьшими препятствиями , когда их частоты

f > Щ. max, < > <Н, max. (9. 9)

а УНЧ волны, когда их частота

(о< или <ji.inin. (49.10)

Приход извне, из граничных областей магнитосферы и межпланетной среды волн во внешнюю ионосферу или на поверхность Земли также ограничивается условиями (49.9), (49. 10).

В табл. 49.1 приведены значения гирочастот электронов и ионов jh~iij2iz, F=Qj2n:, ленгмюровских частот электронов и ионов

/о~%/2,о=о/27г и нижней гибридной частоты Fl=4>tJ2tz на различных

уровпях ионосферы и магнитосферы для значений параметров этих сред, характерных для ряда случаев на средних широтах.

Из таблицы видно, что только УНЧ волны частотой / < 0,5--1 гц, т. е. в доли герц, хорошо проходят извпе до поверхности Земли, На окраине же магнитосферы (20 J?) можно наб.людать прохождение извне НЧ волн только частотой / 30 кгЦу а на земной поверхности-только ВЧ волн частотой />910 Мгц.

Наряду с гирорезонансами во внешней ионосфере играет роль и обрезание (и возбуждение) СНЧ волн в области нижней гибридной частоты

§ 50. Рефракция ультракоротких (ВЧ и СВЧ) волн

Таблица 49.1 Характерные частоты во внешней ионосфере и магнито сфере

§ 50. РЕФРАКЦИЯ УЛЬТРАКОРОТКИХ (ВЧ И СВЧ) ВОЛН ОТ ИСТОЧНИКА, УДАЛЕННОГО ОТ ЗЕМЛИ

Рассчитаем рефракцию волны, излучаемой в ионосфере или далеко за пределами главного ее максимума, т. е. разность между истинным направлением прихода волны в точку наблюдения (нормально к фронту волны) и углом оптической его видимости (рис. 50.1)

(50.1)

Измерения рефракции радиоизлучения дискретных источников Галактики используются для определения интегрального числа электронов в вертикальном столбе атмосферы. При исследованиях с помощью радиоволн, отраженных от Луны, решается, в частности, подобная же задача. В последние годы необходимость в знании рефракции при использовании для различных радиоисследований ИСЗ или космических ракет еще больше возросла.

Обычно во всех этих опытах речь идет практически о частотах, превышающих критическую частоту ионосферы, когда она прозрачна также для волн, падающих на нее наклонно. Хотя на этих частотах меньше сказывается влияние нерегулярной неоднородности ионосферы, все же они часто могут играть большую роль и, в частности, обусловливают непостоянство угла рефракции.

Однако наблюдаемый спектр углов рефракции в ряде случаев должен распределяться около центрального его значения, которое близко определяет угол рефракции, обусловленный главным образом влиянием регулярной неоднородности ионосферы по высоте. Этот случай мы и рассмотрим. Имея в виду, что частота волны >с2, можно принять, что в ионосфере всюду хорошо выполняются условия 0) v2 и (1) о)й, т. е. можно пренебречь как затуханием волны, так и влиянием магнитного поля Земли и использовать для коэффициента преломления формулу

(50.2)

где N=N (R) или NN (z).

Допустим теперь, что траектория волны AzC составляет у земной поверхности угол ср с нормалью к точке Л (см. рис. 50.1). Тогда центральный угол х, под которым виден излучатель, помещенный в точке (z-hBo)=R, равен

с dR Х=] tg9H

(50. 3)