Электрические параметры ионосферы

Закономерности распространения радиоволн в ионосфере определяются ее электрическими параметрами — диэлектрической проницаемостью и удельной проводимостью. Отличительной особенностью ионосферы является плазменное (электронно-ионное) состояние ее вещества.

При прохождении радиоволны через ионосферу все заряженные частицы начинают двигаться в такт с изменением поля волны. Это упорядоченное полем волны движение заряженных частиц можно рассматривать в качестве тока. Преобладающими среди всех заряженных частиц являются электроны. Поэтому возникающий ток можно считать электронным током с плотностью

где — заряд электрона; — скорость электрона.

Помимо электронного тока полем волны возбуждается и ток смещения в вакууме с плотностью . Тогда плотность полного тока в ионизированном газе составит

Движение электрона в поле волны описывается уравнением

,

где − средняя скорость движения электрона, − его масса, − эффективная частота соударений электронов с ионами и молекулами, измеряемая в 1/с. Значение зависит от расстояния между частицами и скорости их движения. С увеличением высоты над земной поверхностью уменьшается.

Решая уравнение движения электрона относительно скорости

,

получим плотность электронного тока в виде

.

Сравнение выражений плотности полного тока в ионизированном газе и в любой полупроводящей среде показывает, что ионизированный газ можно рассматривать в качестве полупроводящей среды с параметрами:

, ,

где − относительная диэлектрическая проницаемость ионизированного газа, − проводимость. После подстановки постоянных значений

, .

Из приведенных следует, что диэлектрическая проницаемость и проводимость ионосферы зависят от частоты, и по мере ее повышения приближаются к соответствующим значениям в свободном пространстве: при , . Это объясняется инерцией электронов, которые не успевают следовать за изменением поля волны. Необходимо также иметь в виду изменение диэлектрической проницаемости и проводимости ионосферы в результате изменения концентрации электронов с высотой.

На достаточно высоких частотах, когда , выражения упрощаются:

, ,

где , , , .

Учитывая, то максимальное значение наблюдается в слое и имеет порядок , то упрощенные формулы могут быть использованы на частотах примерно выше 3 МГц.

При некоторой максимальной частоте диэлектрическая проницаемость ионосферы становится равной нулю. Частота является той предельной частотой, которая отражается от ионосферы при данной электронной концентрации. На частотах выше относительная диэлектрическая проницаемость ионосферы и радиоволна распространяется в ней как в неионизированной ионосфере. На частотах меньше относительная диэлектрическая проницаемость ионосферы становится отрицательной величиной ( ). В этом случае волновой процесс невозможен — происходит сильное затухание радиоволн.