Преломление и отражение радиоволн в ионосфере

Рассмотрим преломление плоской радиоволны, падающей под углом ₀на границу ионосферы, которую для упрощения задачи считаем плоской (рис. 1.5). Мысленно разобьем ионосферу на тон­кие участки, считая, что в пределах каждого из них электронная концентрация N остается неизменной и изменяется скачком на гра­нице соседних участков. Применяя закон преломления последова­тельно к соседним участкам, получаем

n_osin ₀= n₁sin ₁₌ n₂sin ₂₌K₌ n_isin _i

где n₀, n₁, n_{2,… ,}n_i - коэффициенты преломления соответственно соседних участков ионосферы. Следовательно, траектория радио­волны в ионосфере определяется выражением nsin = const.

С высотой концентрация N увеличивается, достигая на некото­рой высоте максимума, а затем уменьшается (см. рис. 1.4). Для от­ражения радиоволны от ионосферы необходимо, чтобы ниже слоя с максимальной электронной концентрацией N_max фронт волны аб расположился перпендикулярно границе слоя (рис. 1.6, а). В этом случае верхняя часть фронта продолжает распространяться в об­ласти с меньшим значением n. Скорость распространения верхней части фронта V_a больше скорости нижней границы V_b. Вследствие этого фронт волны повернется в сторону Земли и радиоволна вер­нется на Землю. Условие отражения радиоволны в ионосфере мож­но записать в виде следующего соотношения:

n₀sin ₀ = n_отр sin 90°,

где n_отр - коэффициент преломления в области отражения. В ко­нечном случае

, (1.1)

где N_отр - электронная концентрация отражающего слоя ионосфе­ры; f-частота электромагнитных колебаний (радиоволн).

При этом также должно выполняться условие N_отр < N_mах. Если равенство (1.1) не выполняется до высоты, где N = N_mах, то фронт волны не повернется в сторону Земли и волна уйдет в мировое про­странство. Это объясняется тем, что верхняя граница фронта а (рис. 1.6, б) окажется в области с меньшей электронной концентрацией N, т.е. с большим значением n и меньшей фазовой скоростью V_ф.

Рис. 1.5. Схема преломления радиоволн в слоистой среде

Рис. 1.6. Траектории радиоволн, преломляющихся в ионосфере:

а - при отражении в сторону Земли; б — в случае отсутствия отражения

Если радиоволна падает на ионосферу перпендикулярно ее границе ( ), то отражение радиоволны происходит при выполнении условия

или

где – частота радиоволны, отражающейся при вертикальном падении на ионосферу.

Если известна частота , то можно найти частоту радиоволны , способной отразиться в этой же области ионосферы при наклонном падении, т.е. (закон секанса) [1].