지구-이온권 도파관

지구-이온권 도파관은^[1] 지상과 전리권 경계 사이의 공간에 특정 전파가 전파될 수 있는 현상을 말한다.전리층에는 전하 입자가 포함되어 있기 때문에 도체로서 동작할 수 있다.지구는 지면으로 작용하고, 그 결과 생긴 공동은 큰 도파관 역할을 한다.

이 도파관에서는 초저주파(ELF) (< 3 kHz)) 및 초저주파(VLF)(3~30 kHz) 신호가 효율적으로 전파될 수 있다.예를 들어, 번개는 지구와 전리층 사이에 국한되어 있기 때문에 수천 킬로미터를 이동할 수 있는 전파 대기라는 신호를 발사한다.도파관의 세계 일주 성질은 충치처럼 공명을 일으키는데, 그 공명은 ~ 7Hz에 달한다.

소개

지구-이온권 도파관
그림 1.지구-이온권 도파관 내의 광선 전파 기하학.지상과 두 개의 하늘 물결이 표시된다.
그림 2.실제 및 가상 반사 높이
그림 3.정규화된 수직 자기장 강도 Ez 대 크기(고체선, 왼쪽 세로좌표) 및 위상(눈금선, 오른쪽 세로좌표)[note 1] ρ.
그림 4.주간 조건을 사용하는 1000, 3000 및 10000 km 거리에서 제로 모드와 첫 번째 모드의 전송 기능 대 주파수 크기.

전리층 내의 전파 전파는 주파수, 발생 각도, 하루 중 시간, 계절, 지구 자기장 및 태양 활동에 따라 달라진다.수직 발생 시 F-계층 최대치의 전자 혈장 주파수(${\displaystyle f_{}}$ e ${\$ Hz$$)보다 큰 주파수를 가진 파동

${\displaystyle f_{e}=9{\sqrt{N_{e}}}}}}$

(1)

($m{\displaystyle {}^{}}$- ${\displaystyle 3^{}}$의 N ${\displaystyle e_{}}$ ${\$ ${\$는 전자 밀도) 거의 방해받지 않고 전리층을 통해 전파될 수 있다.${\displaystyle f_{}}$ ${\$보다 작은 주파수를 가진 파형은 전리권 D-, E-, F-레이어 내에 반사된다$$.^[2][3] f는_e 주간 시간 조건 중 8–15 MHz의 순이다.사선 발생의 경우 임계 빈도가 커진다.

극저주파수(VLF: 3–30kHz)와 극저주파수(ELF: <3kHz)는 전리권 D-와 하부 E-레이어에 반영된다.예외는 지구자기장 선을 따라 번개 신호의 휘슬러 전파다.^[2][4]

VLF 파장(10~100km)은 이미 전리권 D층 높이(낮에는 약 70km, 밤엔 90km)와 비교가 가능하다.따라서, 광선 이론은 단거리에 걸친 전파에만 적용되는 반면 모드 이론은 더 큰 거리에 적용되어야 한다.지구 표면과 전리권 D층 사이의 영역은 VLF와 ELF파를 위한 도파관처럼 작용한다.

전리권 플라즈마 및 지자기장이 존재하는 경우, 전자파는 이온의 자이로주파수(약 1Hz)보다 큰 주파수에 대해 존재한다.자이로주파수보다 작은 주파수를 가진 파동을 자전파라고 한다.알펜 파동뿐만 아니라 몇 초에서 몇 분 사이의 지자기 펄스도 그러한 파동에 속한다.

전달함수

짧은 수직 로드 안테나의 프로토타입은 주파수 f의 전기 교류가 흐르는 수직 전기 헤르츠 디폴이다.지구-대기권 도파관 내의 전자파 복사는 전달 함수 T(ρ,Ω)로 설명할 수 있다.

${\displaystyle E_{z}(\rho ,\omega )=T(\rho ,\omega )E_{o}(\rho ,\omega )}$

(2)

여기서 E는_z 송신기에서 distance 거리인 수신기에서 전기장의 수직 구성 요소, E는_o 자유 공간에 있는 헤르츠 쌍극자의 전기장이며${\displaystyle ,}$ $\Omega {\displaystyle }$ = ${\displaystyle 2}$ ${\displaystyle f}$ f ${\displaystyle \omega =2\pi$ f$}$ 각 주파수.자유 공간에서는 $T{\displaystyle }$= ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle T=1}$이다$.$ 분명히 지구-이온권 도파관은 전달 기능이 주파수에 따라 달라지기 때문에 분산되어 있다.이것은 파동의 위상 및 그룹 속도가 주파수에 따라 다르다는 것을 의미한다.

레이 이론

VLF 범위에서 전달 함수는 수신기에 직접 도달하는 지상파와 전리권 D층(그림 1)에 반사되는 멀티홉 하늘파의 합이다.

실제 지구 표면의 경우, 지상파는 소멸되고 광선 경로를 따라 오로그래피에 의존한다.^[5]그러나 더 짧은 거리에서 VLF 파형의 경우 이 영향은 미미한 것이며 지구의 반사 계수는 첫 번째 근사치에서$$${\displaystyle \mathrm{R}}$ e${\displaystyle {}_{}}$= 1 ${\displaystyle R_{e}=1}$이다.

더 짧은 거리에서는 첫 번째 홉 스카이 웨이브만 중요하다.D 레이어는 반사점에서 180°의 위상 점프를 의미하는 가상 높이 h에 고정된 경계를 가진 자기벽(${\displaystyle {Ri}_{}}$=${\displaystyle }$- ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle R_{i}=-1$으로 시뮬레이션할 수 있다.^[2][5]실제로 D층의 전자 밀도는 고도에 따라 증가하며, 파동은 그림 2와 같이 경계한다.

지면파 및 1홉파의 합은 지면파선과 1차 스카이파의 광선경로 간 차이가 절반 파장(또는 위상차 180°)이면 간섭 미니마와의 간섭 패턴을 나타낸다.지상과 첫 번째 하늘파 사이의 지상의 마지막 간섭 최소값(z = 0)은 수평 거리에 있다.

${\displaystyle \rho _{1}\reason {\dfrac {2fh^{2}}{c}}$

(3)

c 빛의 속도로.그림 3의 예에서, 이것은 약 500 km 거리에 있다.

웨이브 모드 이론

VLF 파장의 광선 전파 이론은 이러한 파동의 합계에 연속적인 멀티홉 하늘 파동이 관여하고, 합이 분산되기 때문에 더 큰 거리에서 분해된다.게다가 구형의 지구를 고려할 필요가 있게 된다.지구-이온권 도파관에서 고유모드의 합인 모드 이론은 이 거리 범위에서 유효하다.^[5][6]파동 모드는 수직 전기장 구성요소의 고정된 수직 구조를 가지며, 바닥은 최대 진폭이고, 도파관 상단은 0 진폭이다.기본 제1모드의 경우 4분의 1 파장이다.주파수가 감소하면 고유값은 컷오프 주파수에서 상상이 되며, 여기서 모드는 반사파로 변한다.첫 번째 모드의 경우 다음과^[2] 같이 하십시오.

${\displaystyle f_{co}={\dfrac {c}{4h}\약 1~kHz}$

(4)

해당 모드가 전파되지 않는 아래(그림 4).

모드의 감쇠는 wavenumber n에 따라 증가한다.따라서, 본질적으로 유일한 첫 두가지 모드 이 두 모드 간의 최초의 간섭 최소에 같은 거리에 그 전파 이론의 지난 간섭 최소로(방정식 3)그림 3에서 보는 모드 간섭 최소의 공간은 c은 theories[7]의 등가는지 여부를 나타내는 값은 파도가 전파에 포함된다에이 예에서 스텐트 및 약 1000km.첫 번째 모드는 첫 번째 모드보다 더 강하게 감쇠되기 때문에 약 1500km 이상의 거리에서 지배적이 된다.

ELF 파동의 범위에서는 모드 이론만 적합하다.기본 모드는 제로 모드(그림 4)이다.D층은 여기에 전기벽(R_i = 1)이 된다.그것의 수직 구조는 단순히 고도와 일정한 수직 전기장이다.

특히 공진 제롯 모드는 지구 원주의 필수적인 부분이며 주파수를 갖는 파동에 대해 존재한다.

${\displaystyle f_{m}={\dfrac {mc}{2a\pi }}}kHz}$ ${\displaystyle(m=1,2,...)}$

(5)

지구 반지름과 함께 말이야첫 번째 공명 봉우리는 7.5, 15, 22,5 Hz이다.이것들은 슈만 공진이다.번개로부터의 스펙트럼 신호는 그러한 주파수에서 증폭된다.^[5][8]

도파관 특성

위의 논의는 단지 모드와 레이 이론의 단순한 그림을 보여준다.좀 더 세밀한 치료에는 큰 컴퓨터 프로그램이 필요하다.특히 도파관의 수평적·수직적 불균형 문제를 해결하기 어렵다.지구의 곡률의 영향은, 대척점에 가까운 전계 강도가 약간 증가하는 것이다.^[5]지구 자기장의 영향으로 매체는 비등방성이 되어 현실의 전리권 반사계수가 매트릭스가 된다.이는 전리권 D층에서 반사된 후 수직 편광 입사파가 수직 편광 파동과 수평 편광 파동으로 대화하는 것을 의미한다.게다가, 지자기장은 VLF 파동의 비호환성을 발생시킨다.동쪽에서 서쪽으로 전파되는 파도는 그 반대보다 더 강하게 감쇠한다.Eq. 3의 깊은 간섭 최소값의 거리 부근에 국면이 미끄러지는 현상이 나타난다. 일출 및/또는 일몰 시간에는 제1의 하늘 파동의 되돌릴 수 없는 행동 때문에 위상 이득이나 360° 손실이 발생하는 경우가 있다.

지구-대기권 파동의 분산 특성은 최대 10000km 거리까지의 인접 주파수에서 번개 신호(진동)의 그룹 시간 지연 차이를 측정하여 뇌우 활동을 찾는 데 사용할 수 있다.^[7]슈만 공명은 전지구적 번개 활동을 결정하게 한다.^[9]

참고 항목

• 알펜 공진기
• 대기 덕트
• 단파 라디오
• 스카이웨이브
• 대류권 덕트

참조 및 참고 사항

메모들

인용구