Радиоволны представляют собой электромагнитные колебания с длинами волн от единиц миллиметров до десятков километров. Их распространение в атмосфере подчиняется общим законам электродинамики, однако взаимодействие с ионосферой, тропосферой и земной поверхностью придает этому процессу особую специфику. Атмосфера Земли не является однородной средой: наличие слоев с различной плотностью, температурой и степенью ионизации определяет как затухание радиоволн, так и их отражение, преломление или рассеяние.
Принято выделять несколько диапазонов радиочастот, каждый из которых имеет специфическое поведение в атмосфере:
Длинные и сверхдлинные волны (λ > 1 км, f < 300 кГц). Эти волны способны огибать кривизну Земли благодаря дифракции и распространяются вдоль поверхности на тысячи километров. Они слабо поглощаются тропосферой и хорошо проходят через ионосферу, поэтому используются в навигации и связи с подводными лодками.
Средние волны (300–3000 кГц). Днем они в основном поглощаются нижними слоями ионосферы, а ночью отражаются от слоя F, что обеспечивает дальнюю радиосвязь.
Короткие волны (3–30 МГц). Их главное свойство – многократное отражение между ионосферой и земной поверхностью, что позволяет осуществлять межконтинентальную связь. Этот диапазон чувствителен к солнечной активности и геомагнитным возмущениям.
Ультракороткие волны (30–300 МГц). Практически не отражаются от ионосферы, распространяются по прямой видимости. Используются в телевидении, радиовещании и авиационной связи.
Микроволны (300 МГц – 300 ГГц). Сильнее всего взаимодействуют с водяным паром, дождем и кислородом, что ограничивает дальность их распространения. Применяются в радиолокации, спутниковой связи и радиоинтерферометрии.
Тропосфера является важнейшим слоем для распространения радиоволн ультракороткого и микроволнового диапазонов. Ее свойства определяются температурной стратификацией и содержанием водяного пара:
Рефракция радиоволн. Из-за плавного изменения показателя преломления атмосферы радиоволны искривляются, что увеличивает зону радиовидимости. В стандартных условиях дальность связи превышает геометрическую линию горизонта примерно на 15%.
Тропосферное рассеяние. Наличие флуктуаций плотности воздуха приводит к рассеянию радиоволн, что позволяет организовывать связь на расстояния до 1000 км при использовании мощных передатчиков.
Поглощение микроволн. Основные полосы поглощения связаны с вращательными спектрами молекул водяного пара (22,2 ГГц) и кислорода (60 ГГц). Это свойство используется в радиозондировании атмосферы.
Ионосфера — это область атмосферы на высотах от 60 до 1000 км, содержащая свободные электроны и ионы. Ее основные физические эффекты в отношении радиоволн заключаются в следующем:
Отражение коротких волн. Радиоволны в диапазоне до 30 МГц могут отражаться от слоев E и F, формируя так называемые «радиоволновые каналы» для связи на тысячи километров.
Критическая частота. Для каждого слоя ионосферы существует максимальная частота, выше которой волна проходит сквозь слой в космос. Эта частота зависит от концентрации электронов и варьируется в зависимости от времени суток и солнечной активности.
Ионосферные возмущения. Во время магнитных бурь и вспышек на Солнце в ионосфере возникают резкие изменения плотности электронов, что приводит к исчезновению радиосигналов в определенных диапазонах.
Диссипативные процессы. На частотах ниже 1 МГц ионосфера действует как поглощающий слой, особенно в дневное время.
Земное магнитное поле оказывает значительное воздействие на распространение радиоволн в ионосфере:
Радиоволны подвержены воздействию различных помех:
Физические свойства распространения радиоволн в атмосфере лежат в основе современных технологий: