Глава третья. Тропосфера и ее влияние на распространение радиоволн

§ 3.1. Состав и строение атмосферы

С точки зрения распространения радиоволн атмосферу разделяют на три области: тропосферу (от поверхности Земли до 10÷15 км), стратосферу (от 10÷15 до 60 км) и ионосферу (от 50÷60 км примерно до (15÷20)·10³ км) [10].

В состав атмосферы входят молекулярный азот (78% по объему), молекулярный кислород (21% по объему), пары воды и другие примеси (водород, аргон, углекислый газ, озон).

Состав атмосферы до высоты 100 км такой же, как у поверхности Земли. Только содержание паров воды резко убывает с высотой и зависит от метеорологических условий.

На высотах более 100 км под действием солнечной радиации происходит диссоциация кислорода и азота и появляются атомарные составляющие этих газов. Здесь газы не перемешиваются и располагаются по высоте в соответствии с их молекулярным весом (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Схема газового состава атмосферы

Кроме того, начиная с высоты примерно 60 км, газы в атмосфере ионизированы, имеется значительное количество свободных электронов и ионов.

Плотность атмосферы N_M характеризуется числом молекул, содержащихся в 1 м³ воздуха на данной высоте над уровнем моря, и связана с давлением р в паскалях и абсолютной температурой Т соотношением

где k = 1,38·10^-23 Дж/град - постоянная Больцмана. При постоянной температуре плотность атмосферы изменяется с высотой так же, как атмосферное давление. В однородной по составу атмосфере при постоянной температуре давление меняется с высотой по барометрической формуле

где p₀ - давление вблизи поверхности Земли, Па; М - масса грамм-молекулы газа; g - ускорение силы тяжести; R = 8,32 Дж/град × моль - универсальная газовая постоянная; Т - абсолютная температура.

В действительности температура и состав атмосферы меняются с высотой, что приводит к отклонению распределения давления и плотности по высоте от барометрической формулы. График изменения температуры и плотности атмосферы с высотой приведен на рис. 3-2.

Рис. 3.2. График изменения температуры и плотности атмосферы с высотой

В тропосфере температура убывает с высотой, так как в этой области нагревание воздуха происходит за счет нагретой солнцем Земли. Обычно температура убывает на 5÷6°С на километр. Но иногда на небольших интервалах высот наблюдается местное возрастание температуры с высотой, называемое температурной инверсией. Прекращением падения температуры и характеризуется верхняя граница тропосферы. Вплоть до высоты порядка 25 км температура остается постоянной, равной примерно 220°К (-53°К). Начиная с этой высоты, температура повышается, достигая максимума на высоте 50÷60 км, затем снова понижается вплоть до высоты около 80 км и после этого второго минимума плавно возрастает, достигая значений 1000÷1200°К на высоте 500÷600 км. Возрастание температуры с высотой в области ионосферы объясняется тем, что молекулы газа приобретают кинетическую энергию непосредственно за счет излучения Солнца. Максимум в кривой распределения температур, соответствующий высоте 50÷60 км, объясняется присутствием озона на этой высоте. Озон интенсивно поглощает ультрафиолетовое излучение Солнца в диапазоне волн около 0,2 мкм, что и приводит к повышению температуры в этой части атмосферы.

Влажность атмосферы определяется содержанием водяных паров. Абсолютной влажностью атмосферы называют парциальное давление водяных паров р_п. Относительная влажность атмосферы S пропорциональна абсолютной влажности и выражается в процентах:

где E_s - давление водяных паров, насыщающих пространство при заданной температуре, определяемое по специальным таблицам [16].

Электрические параметры тропосферы определяются давлением, температурой и влажностью, которые меняются с изменением метеорологических условий. Для удобства проведения расчетов распространения радиоволн в тропосфере вводят понятие нормальной тропосферы. Параметры нормальной тропосферы соответствуют среднему состоянию тропосферы:

атмосферное давление у поверхности Земли р₀ = 0,10 МПа, с увеличением высоты уменьшается на 12 к Па/км;

температура у поверхности Земли T = 288°К, с увеличением высоты уменьшается на 5,5 град/км;

относительная влажность S = 60% и не меняется с высотой.

Высота нормальной тропосферы принята равной 11 км.