В іонізованому повітрі швидкість поширення радіохвиль залежить від частоти і концентрації вільних електронів, і вона буде менше швидкості світла в порівнянні з неіонізованому повітрям, де групова швидкість.
Чим вище концентрація електронів, тим менше.
Ступінь іонізації атмосфери змінюється з висотою, тому іоносфера являє для радіохвиль оптично неоднорідне середовище (з змінюється діелектричної постійної), що викликає їх переломлення.
Якщо в повітрі показник заломлення. . то в іоносфері він менше одиниці. тому що менше одиниці.
Вплив неоднорідності іоносфери проявляється в тому, що радіохвилі поширюються не по прямолінійних траєкторіях, а по криволінійних. У певних умовах радіохвилі буде відчувати повне внутрішнє віддзеркалення від іоносфери і повертаються на Землю.
Розглянемо випадок поширення радіохвиль в «плоскою іоносфері», тобто в такому іонізованому газі, у якого поверхні однакових значень електронної концентрації - паралельні один одному площині.
Вважаємо, що товщина шарів - мала, в межах якого електронна концентрація буде мати постійні значення.
На самий нижній шар з неионизированного повітря падає промінь частотою під кутом. коефіцієнт заломлення
При переході з одного середовища в іншу радіохвилі, як і світлові хвилі заломлюються тим більше, чим менше діелектрична проникність другого середовища і пов'язаний з нею показник заломлення. Якщо вважати, що радіохвиля-промінь, то такий промінь поступово заломлюючись буде викривлятися і відбиватися до Землі (рис.6). Фронт хвиль так само буде поступово повертатися.
Малюнок 6 - Заломлення і відображення радіохвиль в шарах іоносфери
Поворот хвиль в вершині траєкторії відбувається в силу явища повного внутрішнього відображення, тобто при переході з оптичних більш щільних в оптично менш щільне середовище.
Діелектрична проникність концентрованого шару визначається як
- електронна щільність (ел / см 3);
(Кул) - заряд електрона;
(Кг) - маса електрона;
Якщо підставити ці числові значення в формулу, то отримаємо
З формули видно, що діелектрична постійна концентрованої середовища тим менше, а переломлення тим більше. чим більше щільність іонізації і нижче частота коливань радіохвилі (). На більш низьких частотах переломлення сильніше.
Тобто відображення радіохвиль від іоносфери характеризуються такими закономірностями:
1) чим більша щільність концентрації даного шару, тим сильніше заломлення і віддзеркалення;
2) чим коротше довжина хвиль. тим більша потрібна щільність іонізації для відображення і тим більше шлях, який чинять поступово переломлюються хвилею в іоносфері.
Тому довші хвилі відбиваються від нижніх шарів іоносфери, коротші - від верхніх шарів, а ультракороткі, для яких недостатня щільність іонізації, пронизують іоносферу і не відбиваючись йдуть в простір.
Відображаються радіохвилі за тим же законом, що і світлові хвилі: кут падіння дорівнює куту відбиття. Тому справжній процес поступового заломлення хвилі іоносфери можна уявити як відображення від деякої дзеркальної поверхні, що знаходиться на висоті. яку називають діючої висотою шару, що відображає. Величину (рис. 7) можна визначити шляхом геометричної побудови, якщо відомі кути, під якими йде в простір і повертається на Землю радіохвиля, і відстань між пунктами передачі і прийому.
Малюнок 7 - Заломлення радіохвиль різних частот в іоносфері
Власна частота концентрованого газу
Очевидно, що при значній електронної щільності діелектрична проникність газу може виявитися рівною нулю. З виразу для відносної діелектричної проникності іоносфери можна знайти кругову частоту при якій при вертикальному падінні хвиль на іоносферний шар:
- називається власною частотою іонізованого газу або частотою Лангмюр, або критичної частотою.
Фазова і групова швидкість іонізованого газу.
Для концентрованого газу, без урахування втрат фазова швидкість
тобто фазова швидкість в іоносфері більше швидкості світла.
В іонізованому газі сигнал поширюється зі швидкістю, меншою швидкості світла ().
Відображення радіохвиль залежить від кута падіння радіохвилі на іонізований шар. Існує критичний кут, при якому хвиля, послана до даного шару іоносфери відчуває відображення. При кутах більше критичного радиолуч пронизує даний шар і проходить до наступного. Він визначається:
Малюнок 8 - Залежність критичного кута від частоти
З виразу для критичного кута можна визначити максимальну робочу частоту (МРЧ) при якій, хвилі відіб'ються від іоносфери для заданих електронної щільності і куті падіння.
Якщо. то при нормальному падінні хвилі на іоносферу відображення не відбувається і хвиля йде в космічний простір, і коефіцієнт відбиття дорівнює нулю.
Якщо. то коефіцієнт відбиття від іоносфери міняється залежно від частоти стрибком.
Якщо, то відбувається повне відображення хвилі від іоносферного шару і коефіцієнт відбиття дорівнює одиниці.
При похилому падінні хвилі іоносфера прозора для частот, що перевищують
Малюнок 9 - До визначення максимального кута падіння хвилі на іоносферу
З малюнка видно, що промінь, спрямований по дотичній поверхні Землі, падає на іоносферу під найбільшим можливим при даній висоті шару кутом
З трикутника АОВ маємо
де радіус Землі;
-висота нижньої Гранц відбиває шару іоносфери.
Так як хвиля не може бути послана під кутом, більшим ніж це говорить про обмеження робочого діапазону. Від іоносфери можуть відображатися хвилі довше 10 метрів.