Электромагнитные волны в атмосфере

В вакууме электромагнитные волны дисперсии не имеют, поскольку частота волны связана с волновым вектором линейно: w=ck, где c скорость света. В ионосфере, где высока концентрация заряженных частиц – ионов и электронов, существует собственная частота колебаний плазмы – это частота самой низкой моды колебаний свободных электронов. Плазменную частоту w_p легко получить из уравнения движения – флюктуации концентрации электронов N быстро компенсируются из-за появления электрического поля E в результате перераспределения зарядов в среде: E= 4 ps= 4 pNex. Здесь е – заряд, а x – смещение электрона. Уравнение движения электронов в этом поле приводит к следующему результату:

.

Для дневного времени типичное значение w_p= 10–30MHz, что соответствует плотности электронов N» 10⁶–10⁷см^–3. Поскольку в общем случае для электромагнитного поля w/k=c/e ^1/2, то для среды с одним резонансом на частоте w _о:

.

Свободный электрон имеет как бы " нулевую" резонансную частоту w _o=0. Поэтому

или

.

Здесь k чисто мнимая величина, т.е. волны таких частот затухают в дисперсивной среде. Дисперсионная зависимость такого типа показана на рис. 14. Очевидно, что для частот выше w_p= 10 – 30 MHz ионосфера дисперсивна, т.е. прозрачна.

Рис. 14. Дисперсионная зависимость w (k) электромагнитных волн в атмосфере происхождение которой связано с наличием электрических зарядов в ионосфере существованию колебаний зарядов на так называемой плазменной частоте w_р. Ниже этой частоты существует область затухания электромагнитных волн – реактивная область; выше этой частоты – дисперсивная область частот. Плазменная частота зависит от времени суток и равна 10–30 MHz.

Это типичные частоты TV передатчиков и радиостанций FM (УКВ). Очевидно, ионосфера дисперсивна и для частот видимого света (w» 10¹⁴Hz). В то же время для широковещательных радиостанций AM (частоты»10³ kHz) ионосфера ведет себя как реактивная среда. Электромагнитные волны экспоненциально затухают в ней (но не поглощаются) и отражаются от ионосферы снова к Земле. Это и создает возможность передачи длинных радиоволн на большие расстояния.