XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Введение

Искривление траектории распространения электромагнитных волн в атмосференазывается радиорефракцией. Явление радиорефракции связано с изменением коэффициента (показателя) преломления электромагнитной волны n в атмосфере.Преломлениемназываетсяизменение направления луча, возникающее на границе двух сред, через которые этот луч проходит, или в одной среде, но с меняющимися свойствами, в которой скорость распространения волны неодинакова,. Явление преломления объясняется законами сохранения энергии и импульса.

Показатель преломления вещества — величина, равная отношению фазовых скоростей света в вакууме и в данной среде.

Коэффициент преломленияn в тропосфере обычно определяется с помощью полуэмпирической формулы[1]

гдеp- общее давление, t - температура, e – парциальное давление водяного пара. Величину N = (n- 1)×10⁶ называют индексом коэффициента преломления.

Локальные изменения давления, а также температурные инверсии приводят к колебаниям коэффициента преломления вблизи земной поверхности n = 1,00026 ¸ 1,00046.

Выше 10 км полагают n = сonst = 1,00011

Для характеристики вертикальной изменчивости коэффициента преломления атмосферы используют величину его вертикального градиента.

Вертикальный градиент коэффициента преломления атмосферы может быть определен с помощью соотношений вида

Или

где n₁( N₁) и n₂ (N₂) - соответствующие значения коэффициента преломления на высотах нижней и верхней границ рассматриваемого слоя ( h₁ и h₂).

В стандартной радиоатмосфере коэффициент преломления изменяется с высотой по линейному закону и его вертикальный градиент оказывается равным [1/м]

При отличных от стандартной радиоатмосферы изменения метеорологических величин с высотой в тропосфере можно закон изменения коэффициента преломления с высотой описать зависимостью вида

где a- коэффициент, величина которого может быть определена в соответствии с вертикальным распределением метеорологических величин.

Виды рефракции радиоволн в тропосфере

Рис. 1. Схематическое представления видов атмосферной рефракции в тропосфере Земли

[dn/dh] = м -1

а) dn/dh> 0

д) -4*10^-8<dn/dh< 0

б) dn/dh = -4*10^-8

в) -15.7*10^-8<dn/dh< -4*10^-8

г) dn/dh = -15.7*10^-8

е) dn/dh< -15.7*10^-8

Во всех представленных случаях луч первоначально посылается при угле возвышения антенны, равном 0⁰ (параллельно поверхности Земли).

Существует два вида рефракции:

-Отрицательная рефракция: на рисунке данная траектория соответствует литере а. В этом случае траектория радиолуча обращена выпуклостью вниз. Реализуется при dn/dh>0

-Положительная рефракция. В этом случае траектория радиолуча обращена выпуклостью вверх. Реализуется при dn/dh< 0

Различают также следующие частные случаи

- нормальная рефракция (на рисунке данная траектория соответствует литере б);

- повышенная рефракция (на рисунке данная траектория соответствует литере в);

- критическая рефракция (на рисунке данная траектория соответствует литере г);

- пониженная рефракция (на рисунке данная траектория соответствует литере д).

Практическая часть

По аэрологическим данным радиозондирования, представленным на сайтеhttp://weather.uwyo.edu/ [6], были высчитаны коэффициенты преломления для станций, находящихся на ЕТР и ближайшей территории. Данные были взяты за 2 ноября 2020 года за 00СГВ. Были построены графики вертикального распределения среднего коэффициента преломления и среднего градиента преломления. Были рассчитаны также коэффициент преломления и градиент преломления на этих же станциях до нижней тропосферы. Был построен и проанализирован график с изолиниями среднего коэффициента преломления. Результаты работы приведены ниже.

Рис. 2. Снимок отображающий выбранный район для исследования

В приведенной ниже таблице представлены средние значения коэффициента преломления и среднего градиента преломления

Номер и название станции	Средний коэффициент преломления	Средний градиент преломления	Для интерполяции
26038 Таллин	1,0001814	-2,2378E-08	-2,238
26075 СПб	1,0002037	-2,4709E-08	-2,471
26298 Бологое	1,0001985	-2,4322E-08	-2,432
26477 Великие Луки	1,0001977	-2,2943E-08	-2,294
26781 Смоленск	1,0001893	-2,1245E-08	-2,124
27707 Сухиничи	1,0001857	-2,1026E-08	-2,103
27713 Долгопрудный	1,0001914	-2,1545E-08	-2,154
27730 Рязань	1,0001901	-1,9044E-08	-1,904

Анализируя полученные данные, а также рисунок 1, мы можем определить вид рефракции. На всех станциях у нас наблюдается положительная пониженная рефракция (-4*10^-8<dn/dh< 0)

По данным этих таблиц были построены следующие графики

Рис. 3. Распределения среднего коэффициента преломления с высотой на различных станциях

Как мы видим из графика средний коэффициент преломления ведет себя на всех станциях одинаково и убывает с высотой.

Рис. 4. Распределение среднего градиента преломления с высотой на различных станциях

Анализируя график можно заметить, что практически на всех станциях наблюдается нестабильностьпрофиля градиента преломления с высотой.

По значениям среднего градиента в восьми точках выполнена интерполяция этого показателя на территорию ЕТР. Интерполяция проводилась методом обратных расстояний.

Рис. 5. Широтное и долготное распределение среднего градиента преломления выполненное в виде изолиний

Исходя из территориального распределения изолиний найденного показателя, можно сделать вывод, что средний градиент преломления имеет зональность и уменьшается с юго-запада, на северо-восток. Изменения среднего градиента преломления в атмосфере в этом направлении составили около 14 % на 5 градусов долготы. Поскольку преломление влияет на искривление радиолуча, полученные результаты исследования должны учитываться при оценке эффективности обнаружения метеорологических объектов и определении их высот сетью ДМРЛ, расположенных на рассматриваемой территории.

Список литературы

1. Киселев В.Н., Кузнецов А.Д. Методы зондирования окружающей среды (атмосферы). Учебник. - СПб.. изд. РГГМУ. 2004. - 429 с.

2. Портал данных аэрологического зондирования. [электронный ресурс]: –URL: http://weather.uwyo.edu/ (дата обращения 11.11.2020г)

Код для цитирования: Скопировать