§ 3.4. Затухание напряженности поля радиоволн в тропосфере

При распространении в тропосфере напряженность поля радиоволн сантиметрового и более коротковолновых диапазонов испытывает затухание, связанное с частичным преобразованием электромагнитной энергии в другие виды энергии и с рассеянием.

Основной причиной затухания радиоволн в тропосфере является наличие капель воды, присутствующих здесь в виде тумана или дождя. При рассмотрении процесса затухания различают два явления: поглощение радиоволн каплями воды и рассеяние их в скоплении капель воды.

Поглощение радиоволн капельками воды происходит благодаря тому, что при прохождении радиоволн в каждой капельке наводятся токи поляризации. Диэлектрическая проницаемость воды велика (см. табл. 2.1), поэтому плотность токов поляризации имеет значительную величину, увеличивающуюся с повышением частоты проходящей радиоволны. Вода не является идеальным диэлектриком, и образующиеся в каплях воды токи поляризации вызывают тепловые потери, которые увеличиваются с повышением частоты.

Рассеяние радиоволн капельками воды также приводит к затуханию поля проходящей волны. Физика процесса заключается в том, что токи, наведенные радиоволной в капельках, излучают электромагнитные волны, причем каждая капелька излучает равномерно во все стороны. Это приводит к рассеянию мощности радиоволны, поскольку не вся мощность движется в первоначальном направлении: часть ее оказывается направленной в сторону или в обратном направлении. Рассеяние тем больше, чем крупнее капля и чем короче длина волны.

Кроме рассмотренных видов затухания, миллиметровые волны испытывают добавочное поглощение в молекулах водяного пара и кислорода. Это поглощение связано с тем, что молекулы Н₂О обладают постоянными электрическими моментами, а молекулы О₂ - магнитными моментами. Электромагнитное поле проходящей волны воздействует на электронную оболочку молекул, причем когда частота волны совпадает с собственной частотой молекул, возникают резонансные явления и энергия волны переходит во внутримолекулярную энергию. Это обусловливает селективное поглощение волн определенной частоты.

Для учета влияния ослабления в формулы, выражающие зависимость напряженности поля от расстояния, вводится экспоненциальный множитель

где Е_0m - амплитуда напряженности поля без учета затухания; α_тр - коэффициент затухания радиоволн в тропосфере.

Коэффициент затухания радиоволн (в децибелах) связан с α_тр соотношением

и является суммой коэффициента затухания (поглощения и рассеяния) в каплях воды (Г_тр') и коэффициента селективного поглощения молекулами Н₂O и O₃ (Г_тр"):

Коэффициент затухания Г_тр' находят расчетным путем и проверяют экспериментально [5].

Расчетная зависимость коэффициента затухания Г_тр' от длины волны для прохождения радиоволн в дожде и тумане различной интенсивности представлена на рис. 3.5, а.

Рис. 3.5. Зависимость коэффициента затухания радиоволн от длины волны: а - затухание в дожде и тумане; б - селективное поглощение

Из графика видно, что затухание резко уменьшается с увеличением длины волны и становится ничтожно малым для воли длиннее 10 см.

Зависимость коэффициента селективного поглощения Г_тр" от длины волны представлена на рис. 3,5, б. Из рисунка видно, что интенсивное поглощение происходит на волнах 0,25 и 0,5 см - в молекулах кислорода, на волнах 1,35 см и волнах, короче 0,2 см - в молекулах водяного пара.

Радиоволны, испытывающие интенсивное селективное поглощение, не применимы для передачи сигналов в тропосфере.