Тропосфера

Тропосфера простирается от поверхности Земли до высоты 10—15 км. Состояние тропосферы характеризуется давлением воздуха, температурой, влажностью. С увеличением высоты над поверхностью Земли плотность воздуха уменьшается. Обычно уменьшаются влажность и температура воздуха. Это объясняется тем, что в пределах тропосферы воздух нагревается за счет излучения тепла поверхностью Земли. Поэтому параметры тропосферы меняются в зависимости от времени года, суток, метеорологических условий.

Коэффициент преломления воздуха принято считать равным 1. Но это справедливо только в первом приближении. В действительности коэффициент преломления тропосферы зависит от давления, температуры и влажности воздуха и незначительно отличается от 1. При нормальных давлении, влажности и температуре коэффициент преломления составляет примерно 1,00034. Зависимость коэффициента преломления от давления p, температуры Т и давления водяных

паров pп определяется следующей формулой, коэффициенты в которой подобраны опытным путем:

$$
\begin{equation}
n=1+\frac{78,5}{T}\left(p+\frac{4800p_\text{п}}{T}\right)\cdot{10^{-8}}
\tag{7}
\end{equation}\label{eq.7}
$$

где n — коэффициент преломления воздуха (величина безразмерная); T — абсолютная температура, К (T = 273 + t °С); р и рп — давления, Па.

Коэффициент преломления с увеличением высоты над поверхностью Земли уменьшается, стремясь к 1. Поэтому нижние слои тропосферы являются неоднородной средой, причем параметры ее меняются в зависимости от времени суток, года и погоды. Неоднородности изменения коэффициента преломления тропосферы существенны до высоты примерно 10 км. Уже на этой высоте значение п—1 = 109·10-6 и постоянно на всем земном шаре.

Как видно из приведенных цифр, абсолютное значение коэффициента преломления тропосферы изменяется мало. Но на распространение радиоволн оказывает влияние не абсолютное значение коэффициента преломления, а закон его изменения с высотой. Многочисленные наблюдения показали, что в средних широтах среднее состояние тропосферы характеризуется равномерным изменением ее коэффициента преломления с высотой. Тропосфера, в которой коэффициент преломления уменьшается на 4·10-8 на каждый метр изменения высоты, называется нормальной тропосферой.


Рис. 11. Изменение коэффициента преломления воздуха в зависимости от высоты.

Закон изменения коэффициента преломления тропосферы в зависимости от высоты часто сильно отличается от линейного. Бывают случаи, когда коэффициент преломления сначала убывает при увеличении высоты, затем с некоторого уровня начинает возрастать и затем снова убывает. Иногда вблизи поверхности Земли коэффициент преломления возрастает при увеличении высоты, а затем начинает уменьшаться. На рис. 11 приведен график изменения коэффициента преломления воздуха в зависимости от высоты.

Как отмечалось, неоднородность атмосферы в вертикальном направлении приводит к искривлению траектории волны, т. е. к рефракции. С изменением коэффициента преломления меняется и траектория распространения волны. Следовательно, всякое изменение метеорологических условий влияет на распространение радиоволн, особенно УКВ. Поэтому для изучения условий распространения УКВ весьма важно иметь достаточно полные метеорологические данные.

Тропосфера неоднородна и в горизонтальном направлении. В ней имеются местные неоднородности. Так, например, в некоторых местах воздух имеет сравнительно высокую температуру или влажность. Поэтому в отдельных точках тропосферы коэффициент преломления может заметно отличаться от среднего значения. Таким образом, в тропосфере имеются объемные неоднородности. Причиной их появления является турбулентное движение воздуха в атмосфере, т. е. движение с завихрениями. Отдельные участки поверхности земли нагреваются различно. От этого в тропосфере появляются восходящие и нисходящие воздушные потоки, и в разных участках плотность воздуха оказывается различной. Объемные неоднородности тропосферы также оказывают большое влияние на распространение УКВ, вызывая рассеяние радиоволн.

Проводимость воздуха очень мала, поэтому при распространении в тропосфере радиоволны длиннее 30 см практически не испытывают поглощения. Более короткие волны поглощаются в капельках воды. Поле радиоволн высокой частоты наводит в капельках воды токи смещения, а за счет проводимости воды происходит поглощение энергии радиоволн при прохождении через зону дождя и тумана.