Основы радиолокации

Атмосфера Земли

Известно, что атмосфера Земли оказывает существенное влияние на электромагнитные волны, распространяющиеся в ней. Учет такого влияния на функциональные характеристики радиолокационных систем и устройств достаточно сложен из-за неоднородности земной атмосферы.

В атмосфере Земли выделяют три отдельных слоя:

• тропосфера;
• стратосфера;
• ионосфера.

Тропосфера

Тропосферой называют слой земной атмосферы, простирающийся от поверхности Земли до высот около 6 км на Северном или Южном полюсе и до высот около 18 км на экваторе.

Практически все погодные явления происходят именно в тропосфере. Температура воздуха в этом слое быстро понижается с ростом высоты, в нем формируются облака, а также может возникать сильная турбулентность из-за изменений температуры, плотности и давления. Перечисленные факторы оказывают существенной влияние на распространение электромагнитных волн.

Тропопауза представляет собой пограничный слой между тропосферой и стратосферой и имеет среднюю высоту от десяти до двенадцати километров в средних широтах. Этот слой отделяет тропосферу, на которую влияет погода, от вышележащей, более спокойной стратосферы. В тропопаузе преобладают сильные ветры, называемые струйными течениями, которые часто могут достигать скорости до 400 км/ч. В этом слое авиаперелеты могут осуществляться очень экономично.

Стратосфера

Стратосфера простирается между тропосферой (около 11 км) и ионосферой (около 80 км). Принято считать, что температура во всем этом слое почти постоянна, а водяного пара мало. Стратосфера оказывает на распространение радиоволн меньшее влияние из-за относительной стабильности температуры и других параметров. В стратосфере формируется озоновый слой, максимальная плотность которого приходится на высоты около 25 км.

В озоновом слое происходит поглощение большей части вредного для здоровья человека ультрафиолетового излучения Солнца.

Ионосфера

Ионосфера простирается примерно от высоты 50 км до высоты около 400 км. Она содержит четыре облакоподобных слоя электрически заряженных ионов, отражаясь от которых радиоволны могут распространяться на большие расстояния вокруг Земли.

Слои ионов возникают вследствие явления ионизации, которое происходит, когда ультрафиолетовое излучение высокой энергии от Солнца входит в ионосферную область атмосферы. При этом из атомов газа выбиваются электроны. В обычном состоянии атом электрически нейтрален, поскольку он содержит как положительный протон в своем ядре, так и отрицательный электрон, вращающийся по орбите ядра. Когда отрицательный электрон выбивается из атома, атом становится положительно заряженным (положительным ионом) и остается в пространстве вместе со свободным электроном, который заряжен отрицательно. Этот процесс нарушения электрической нейтральности называют ионизацией.

Свободные отрицательные электроны впоследствии поглощают часть ультрафиолетовой энергии, которая первоначально выбила их из атомов. Поскольку ультрафиолетовая световая волна продолжает производить положительные ионы и отрицательные электроны, ее интенсивность уменьшается из-за поглощения энергии свободными электронами, и формируется ионизированный слой. Скорость, с которой происходит ионизация, зависит от плотности атомов в атмосфере и интенсивности волны ультрафиолетового света, которая меняется в зависимости от активности Солнца.

Так как атмосфера бомбардируется ультрафиолетовыми световыми волнами разной частоты, на разных высотах образуется несколько ионизированных слоев. Низкочастотные ультрафиолетовые волны меньше всего проникают в атмосферу; поэтому они создают ионизированные слои на больших высотах. И наоборот, ультрафиолетовые волны более высоких частот проникают глубже и создают ионизированные слои на более низких высотах.

Слой D располагается на высотах от 55 до 100 км. Ионизация в слое D низкая, так как это самая нижняя область ионосферы. Этот слой обладает способностью преломлять радиоволны на низких частотах. Высокие частоты проходят сквозь него и затухают. После заката Солнца слой D исчезает из-за быстрой рекомбинации ионов.

Слой E имеет границы от 100 до 160 км. Этот слой также известен как слой Кеннелли-Хевисайда, поскольку они первыми предположили его существование. Скорость ионной рекомбинации в этом слое довольно высока после захода Солнца, и к полуночи слой почти исчезает. Этот слой способен преломлять радиоволны частотой до 20 Мегагерц. По этой причине он важен для радиосвязи на расстояниях до 3000 км.

Слой F простирается на высотах примерно от 160 до 450 км. В светлое время суток слой F разделяется на два слоя: F₁ и F₂. Уровень ионизации в этих слоях достаточно высок и сильно меняется в течение суток. В полдень эта часть атмосферы наиболее близка к Солнцу и степень ионизации максимальна. Поскольку на этих высотах атмосфера разрежена, после захода солнца рекомбинация происходит медленно. Поэтому всегда присутствует достаточно постоянный ионизированный слой. Слои F обеспечивают возможность радиосвязи на большие расстояния на более высоких частотах.