Elektromagnetinių bangų slopinimas troposferoje
Troposferoje slopinamos elektromagnetinės bangos, kurių ilgis l <10 cm. Elektromagnetinių bangų slopinimo troposferoje klausimai aktualūs, nes vis plačiau radijo ryšiui bei radiolokacijai taikomos centimetrinės, milimetrinės ir optinio diapazono elektromagnetinės bangos. Šios bangos troposferoje slopinamos dėl jų absorbcijos hidrometeorituose (lietus, rūkas, sniegas, kruša), molekulinės absorbcijos, dėl elektromagnetinių bangų sklaidos, susidūrus su dujų molekulėmis bei jų dariniais, ir dėl jų absorbcijos troposferoje plaukiojančiose kietosiose dalelytėse. Elektromagnetinių bangų slopinimą troposferoje apibūdina slopinimo koeficientas a, dB/km.
Elektromagnetinių bangų absorbcija hidrometeorituose. Hidrometeoritais vadinami lietaus bei rūko vandens lašeliai. Lietaus lašų spindulys labai įvairus: nuo 60 mm iki 7 mm. Dažniausiai pasitaiko 0,25–2 mm spindulio lietaus lašai. Kitas troposferos parametras yra absoliutusis drėgnumas, t. y. kondensuotosios drėgmės kiekis gramais kubiniame metre oro. Lietaus intensyvumą apibūdina per valandą iškritusio vandens sluoksnio storis (mm/val.).
Rūko lašelių spindulys yra 2–60 mm. Nuo vandens lašelių skaičiaus kubiniame centimetre priklauso rūko tankis. Rūkas silpnas, kai kubiniam centimetrui tenka nuo 5 iki 100 vandens lašelių, o stiprus – kai šis skaičius yra 500–600. Esant silpnam rūkui, matomumas siekia iki 1 km, o stipriam rūkui – sumažėja iki kelių metrų. Debesys – tai tam tikrame aukštyje susidaręs rūkas.
Elektromagnetinių bangų absorbciją lietaus ir rūko lašeliuose sukelia dvi priežastys. Pirmoji priežastis – šiluminiai nuostoliai vandens lašeliuose. Elektromagnetinės bangos vandens lašelyje sužadina slinkties srovę. Kadangi vandens dielektrinė skvarba didelė (er = 80), tai ir sužadintos srovės tankis didelis ir didėja augant dažniui. Lietaus lašo laidis nelygus nuliui Todėl, tekant srovei, susidaro šiluminiai nuostoliai. Kita priežastis – elektromagnetinių bangų sklaida. Lietaus ar rūko lašeliuose tekanti srovė yra antrinio spinduliavimo šaltinis. Antrinė banga spinduliuojama į visas puses. Todėl sumažėja elektromagnetinės bangos intensyvumas reikiama kryptimi. Slopinant centimetrinio ir milimetrinio diapazonų elektromagnetines bangas, dalyvauja abu minėtieji mechanizmai. Optinio diapazono elektromagnetinių bangų slopinimas praktiškai priklauso tiktai nuo jų sklaidos, o šiluminius nuostolius hidrometeorituose galima ignoruoti.
Molekulinė elektromagnetinių bangų (l < 1,5 cm) absorbcija troposferoje susidaro dėl tiesioginės elektromagnetinių bangų sąveikos su troposferos sudėtyje esančių dujų molekulėmis. Didžiausias vaidmuo tenka absorbcijai deguonyje ir vandens garuose. Molekulinė elektromagnetinių bangų absorbcija pastebima, kai jos nemaskuoja stipresnė absorbcija hidrometeorituose, t. y. nėra rūko, lietaus, sniego ar krušos. Elektromagnetinių bangų slopinimas dėl molekulinės jų absorbcijos yra selektyvusis – rezonansinis. 8.13 pav. pavaizduotos slopinimo vandens garuose ir deguonyje dažninės priklausomybės. Matome, kad centimetrinių ir milimetrinių bangų diapazonuose yra tokie rezonansiniai absorbcijos dažniai: vandens garuose f = 22,2 GHz (l = 1,35 cm), f = 200 GHz (l = 0,15 cm), f = 400 GHz (l = 0,075 cm) ir deguonyje – f = 60 GHz (l = 0,5 cm), f = 120 GHz(l = 0,25 cm). Molekulinė absorbcija deguonyje yra daugmaž pastovi, o vandens garuose ji keičiasi priklausomai nuo drėgmės.
Analizuodami 8.13 pav. pateiktus grafikus pastebime, kad tarp rezonansinių absorbcijos maksimumų troposferoje susidaro langai. Plačiai žinomas langas tarp f = 60 GHz (l = 0,5 cm) ir f = 22,2 GHz (l =0,135 cm). Šiame lange, kai f = 35 GHz(l = 0,86 cm), slopinimo koeficientas sumažėja iki 0,5 dB/km. Galima nurodyti ir kitus mažiau populiarius troposferos skaidrumo langus. Optinio diapazono elektromagnetinių bangų molekulinė absorbcija itin didelė. Ypač didelė absorbcija vandens garuose. Rezonansiniai dažniai taip arti vienas kito, kad sudaro ištisinę absorbcijos sritį. Tačiau ir šiame bangų diapazone yra langų. Pirmiausia reikia paminėti langą 0,4–0,85 mm diapazone, į kurį pakliūna visas matomas šviesos spektras (0,4–0,75 mm). Dėl absorbcijos vandens garuose troposfera yra nepermatoma ilgesnėms negu l = 14 mm bangoms.
Tad, kai nėra lietaus, rūko bei kitų kritulių, per troposferos skaidrumo langus įmanomas ryšys ir optinio diapazono elektromagnetinėmis bangomis. Molekulinė absorbcija ir absorbcija hidrometeorituose visiškai netrukdo kosminiam ryšiui, nes tada siųstuvas ir imtuvas yra virš troposferos.
Elektromagnetinių bangų slopinimas dėl jų sklaidos troposferos dujų molekulėmis. Molekulių matmenys (3.10-4 mm) yra daug mažesni už optinio diapazono elektromagnetinių bangų ilgį. Todėl skaičiuojant slopinimą, galima taikyti klasikinę Relėjaus sklaidos teoriją. Pagal šią teoriją slopinimo koeficientas a =0,173l4 10 22, dB/km; čial – bangos ilgis metrais.
Matome, kad, augant virpesių bangos ilgiui, labai greitai mažėja slopinimo koeficientas. Drėgname ore slopinimo koeficientas yra atvirkščiai proporcingas bangos ilgiui 1,75 laipsnyje. Taigi drėgname ore, didėjant bangos ilgiui, slopinimas mažėja ne taip sparčiai, kaip sausame ore.