§ 3.3. Методы и результаты измерения диэлектрической проницаемости тропосферы

Диэлектрическую проницаемость тропосферы можно определить путем измерения температуры, давления и влажности воздуха при помощи самолетных и аэростатных метеорографов и последующих расчетов по формуле (3.12). Недостатком этого метода является инерционность приборов - термометра, барометра и психрометра, что не дает возможности измерить быстрые флуктуации диэлектрической проницаемости или мелкие неоднородности тропосферы при перемещении приборов на самолете.

Метеорологические параметры атмосферы измеряют также радиозондами. Радиозонд представляет собой прибор, поднимаемый на воздушном шаре на высоту до 30÷35 км над поверхностью Земли и автоматически передающий по радио результаты измерений температуры, давления и влажности воздуха. Высоту радиозонда вычисляют по давлению и температуре с помощью барометрической формулы (3.2).

Недостатком метода является то, что термометр и барометр - составные части радиозонда - инерционны, а полет воздушного шара неуправляем.

Возможно и прямое измерение диэлектрической проницаемости тропосферы радиорефрактометром. Преимуществами метода прямых измерений являются высокая точность, большая чувствительность, высокая разрешающая способность по времени и пространству, быстрота получения данных о состоянии тропосферы, запись непосредственно коэффициента преломления, не требующая дополнительных расчетов.

Метод измерения диэлектрической проницаемости основан на сравнении собственных частот двух резонаторов:

1) эталонного, откачанного и герметизированного и 2) измерительного, продуваемого воздухом, диэлектрическая проницаемость которого измеряется.

Собственные частоты резонаторов - измерительного f_и и эталонного f_э - обратно пропорциональны коэффициентам преломления заполняющих их диэлектриков [1]:

где А - коэффициент, определяемый геометрическими размерами и формой резонатора.

Разность собственных частот резонаторов прямо пропорциональна индексу преломления тропосферы:

откуда

Рассмотрим один из типов рефрактометра [19], структурная схема которого изображена на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Структурная схема рефрактометра: Г - генератор; М - модулятор; ЭР - эталонный резонатор; ИР - измерительный резонатор; У - усилитель; О - ограничитель; Р - электронное реле; П - преобразователь модуляции; ШО - шлейфовый осциллограф

Напряжение клистронного генератора Г трехсантиметрового диапазона, модулированное по частоте напряжением пилообразной формы с частотой следования 400 Гц, подается на волноводный тройник, плечи которого соединены с проходными резонаторами - эталонным ЭР и измерительным ИР. Частота клистрона изменяется линейно. В момент совпадения частоты клистрона с собственными частотами резонаторов в последних возникают импульсы высокочастотных колебаний, которые детектируются и поступают на входы двух каналов измерительной схемы. После преобразований в каналах измерительной схемы импульсы становятся более острыми и перебрасывают электронное реле именно в те моменты времени, когда частота клистрона совпадает с собственной частотой одного из резонаторов. Длительность импульсов на выходе электронного реле пропорциональна разности собственных частот измерительного и эталонного резонаторов. В преобразователе модуляции П импульсы, модулированные по ширине, преобразуются в импульсы, модулированные по амплитуде, и после усиления подаются на шлейфовый осциллограф ШО.

Такой прибор, будучи установлен на самолете, может измерять неоднородности, линейные размеры которых лежат в пределах от 0,5 м до сотен метров. Чувствительность прибора, ограниченная уровнем шумов, достигает 0,5 N.

Измерения показали, что часто индекс преломления атмосферы изменяется с высотой по закону, отличному от закона, свойственного нормальной тропосфере.

На рис. 3.4 приведена экспериментальная кривая изменения индекса преломления атмосферы с высотой.

Рис. 3.4. Зависимость индекса преломления от высоты: 1 - при нормальной рефракции; 2 - при отклонении от нормальной рефракции (экспериментальная кривая)

Из кривой видно, что индекс преломления уменьшается с высотой не плавно: на отдельных участках убывание N оказывается более резким, на других наблюдается возрастание N с высотой. Особенно велики отклонения от нормальной тропосферы на высотах до 2÷3 км в летний период, когда часто образуются температурные инверсии и облачные слои, представляющие собой области повышенной влажности.

В тропосфере происходит непрерывное перемещение воздуха как вертикальными, так и горизонтальными потоками. Скорости движения воздуха при этом часто оказываются значительными, так что движение носит вихревой, турбулентный характер.

При турбулентном движении скорость потока воздуха на отдельных участках отличается от средней скорости. Поэтому и плотность воздуха в отдельных местах отличается от среднего значения, а следовательно, имеются местные отклонения температуры и давления газа. Эти отклонения приводят к местному отклонению индекса преломления тропосферы от среднего значения. Величины отклонений непрерывно меняются, флуктуируют с изменением скорости воздушных течений.

Схематично неоднородную тропосферу можно представить следующим образом. Весь объем тропосферы заполнен мелкомасштабными неоднородностями (флуктуациями диэлектрической проницаемости) сравнительно малой интенсивности. Размеры и интенсивности этих неоднородностей описываются статистически. Измерения показали, что отклонение N от среднего значения составляет примерно ΔN = (1÷2). С удалением от поверхности Земли степень неоднородности уменьшается. Линейные размеры неоднородностей лежат в пределах от метра до десятков метров. Более мелкие неоднородности находятся при этом ближе к земной поверхности, где перемешивание воздуха сильнее, в результате чего происходит дробление крупных неоднородностей на мелкие.

Мелкомасштабные неоднородности пересекаются горизонтальными непрерывными и разрываемыми слоями значительно больших размеров и интенсивности. Нижняя поверхность слоев слегка волнистая. Интенсивность слоев вблизи земной поверхности (до высот 2500÷3000 м) несколько выше, чем в верхней тропосфере.

Изучение неоднородного строения тропосферы важно потому, что присутствие неоднородностей обусловливает возможность дальней УКВ связи.