Содержание к диссертации
Введение
Глава I Учет влияния отдельного дерева на распространение электромагнитных волн . 18
Глава II Учет влияния растительного покрова на распространение электромагнитных волн 39
Глава III Определение эффективных электрических свойств растительного покрова в модели однородного изотропного «леса- слоя» 59
Глава IV Особенности распространения электромагнитных волн вдоль залесенных трасс 78
Заключение 102
Приложение I Поведение плоской волны при наличии двухслойной структуры 106
Приложение II Способ измерения модуля и фазы функции ослабления 119
Список литературы
- Учет влияния отдельного дерева на распространение электромагнитных волн
- Учет влияния растительного покрова на распространение электромагнитных волн
- Определение эффективных электрических свойств растительного покрова в модели однородного изотропного «леса- слоя»
- Особенности распространения электромагнитных волн вдоль залесенных трасс
Введение к работе
Характер распространяющихся вдоль земной поверхности электромагнитных волн зависит от многих факторов, которые можно разделить на две основные группы: геолого-геофизические и физико-географические. К геолого-геофизическим факторам относятся электромагнитные параметры и структурное взаимоположение различных слоев и блоков горных пород, слагающих подстилающую поверхность вдоль трассы распространения (в пределах областей, существенных для распространения электромагнитных волн как по глубине, так и по площади). К физико-географическим факторам относятся рельеф местности и растительный покров.
Фундаментальные исследования Зоммерфельда [1], Вейля [2] и Фока [3] привели к решению задачи распространения электромагнитных волн вдоль плоской и сферической однородной подстилающей поверхности. Обобщением исследований Зоммерфельда, Вейля и Фока послужили работы Фейнберга, который в своей монографии [4] приводит решение задачи распространения электромагнитных волн вдоль плоских и сферических кусочно-однородных трасс. Другим обобщением в теории распространения электромагнитных волн явились исследования особенностей распространения электромагнитных волн для случая неоднородных по глубине слоистых трасс. Результаты указанных исследований представлены в монографии Макарова и др. [5,6], в которой показано, что в случае слоистых трасс могут появиться новые типы волн, в частности, боковая волна и поверхностная волна Ценнека [7], отсутствующая, как показано Фоком, в случае однородной по глубине трассы распространения.
В монографии Фейнберга [4] дается решение задачи о распространении электромагнитных волн для случая статистически равномерно распределенных неровностей рельефа в модели однородного изотропного слоя с эффективными значениями комплексной диэлектрической проницаемости. Следовательно, влияние кусочно-слоистой подстилающей поверхности с учетом равномерно распределенных неровностей рельефа местности может быть осуществлено в рамках единой кусочно-слоистой модели. Важным и еще не решенным вопросом является учет влияния растительного покрова на распространение электромагнитных волн. Основная цель настоящей диссертации заключается в учете влияния растительного покрова на распространение электромагнитных волн в модели однородного изотропного слоя с эффективными значениями комплексной диэлектрической проницаемости «леса-слоя», зависящими от температуры окружающей среды. С учетом вышеизложенного, представление растительного покрова в модели однородного изотропного «леса-слоя» позволяет решать задачу распространения электромагнитных волн вдоль земной поверхности с учетом как геолого-геофизических, так и физико-географических факторов в рамках единой модели кусочно-слоистых сред в одномерном трассовом приближении.
Хвойные, лиственные, смешанные и тропические леса занимают свыше 40% суши Земли, при этом степные районы на 70% покрыты посевами злаковых культур, фруктовыми садами, хлопковыми, кофейными и чайными плантациями, поэтому разработка моделей, которые позволяют качественно оценивать и количественно прогнозировать параметры электромагнитного поля в волноводном канале Земля-ионосфера при наличии растительного покрова является весьма актуальной задачей. Одновременно, учет влияния растительного покрова имеет самостоятельное значение для прогнозирования электромагнитных полей при эксплуатации различных радиотехнических систем с целью повышения надежности передачи информации радиотехническими средствами связи, повышения точности как стационарных, так и, особенно, мобильных радионавигационных систем, а также с целью повышения точности местоопределения очагов грозовой активности и прочих источников электромагнитного излучения по многопунктовым измерениям.
В приведенном ниже обзоре литературы дается достаточно подробный анализ немногочисленных экспериментальных данных и методов расчета электромагнитных полей при наличии растительного покрова в диапазонах средних, длинных и сверхдлинных волн, когда длина волны электромагнитного поля много больше высоты растительности.
Обширная литература, посвященная экспериментальным исследованиям и методам расчета электромагнитных полей в диапазонах коротких и ультракоротких волн рассматривается достаточно кратко, в основном с целью качественной оценки предлагаемых моделей применительно к интересующему нас диапазону частот.
Первые экспериментальные исследования по оценке влияния растительного покрова на характер распространения электромагнитных волн были проведены, по з
видимому, в Англии Барфильдом в середине 20-х годов прошлого века [8]. Барфильд исследовал влияние, оказываемое отдельно стоящим деревом, путем измерения ошибки радиопеленга с помощью вращающейся рамки в точках наблюдения, расположенных по окружности в непосредственной близости от дерева. В результате экспериментов, которые проводились в средневолновом диапазоне на частоте f = 824 кГц. (к - 364м.) было установлено, что дерево существенно искажает магнитное поле волны. При этом максимальная ошибка радиопеленга на расстоянии 3 м. от дерева высотою 25 м. с диаметром ствола в нижней части 0.9-1.0 м. составляет 7.5-11.5° зимой и возрастает летом еще на 30%. Характер поведения ошибки радиопеленга по окружности позволил автору сделать вывод о том, что дерево может быть представлено в модели вертикального электрического переизлучателя, создающего вторичное магнитное поле, которое и приводит к искажению радиопеленга на излучающую станцию. Одновременно производились измерения модуля нормальной составляющей электрического поля на расстояниях от 8км. до 160км. относительно Лондонских радиостанций, работающих на частотах 416кГц. ( X = 720м.) , 631 кГц. (к = 475м.) и 824кГц. (к = 364м.). В результате экспериментов по компарированию поля было установлено, что на трассах, частично заполненных лесными массивами, наблюдается существенное дополнительное ослабление ноля, которое в модели однородной земной поверхности эквивалентно уменьшению эффективной электрической проводимости залесенной трассы распространения в 2,0-2,5 раза по сравнению с незалесенными трассами.
В середине 50-х годов при эксплуатации разностпо-фазовой радионавигационной системы «Декка», работающей на кратных частотах в диапазоне длинных волн, было установлено, что отдельно стоящее дерево существенно искажает фазовую структуру электрического поля. В частности, в работе [9] Рейнольде приводит графики искажения разности фаз на кратных частотах в зависимости от расстояния до дерева, из которых следует, что влияние дерева заметно на расстояниях до 30м, т.е. на расстояниях меньших или равных его высоте. При этом максимальное искажение разности фаз на двух кратных частотах (79,83кГц. и 85кГц.; 85кГц. и 127,5кГц.) составляют соответственно 0.145 и 0.19 фазового цикла.
Таким образом, авторы монографии [13] вывели формулу (9), которая фактически оправдана для учета лесных массивов протяженностью в несколько тысяч километров, например, для Сибирской тайги. При этом формула (9) может оказаться некорректной для небольших лесных массивов протяженностью в несколько длин волн, когда влияние индукционно статических членов переизлученного деревьями электромагнитного поля может оказаться весьма заметным.
Тем не менее формула (9) позволяет качественно объяснить сезонные и суточные вариации напряженности электромагнитного поля на залесенных трассах. Экспериментально установлено, что нормальная составляющая электрического поля на одной и той же залесенной трассе зимой значительно больше, чем летом как для лиственных лесов Центральных [13] и Северо-Западных [14,15] районов России, так и для хвойных лесов Западной Сибири [16]. Это, по-видимому, связано с изменениями удельной электрической проводимости древесины стволов деревьев в соответствии с изменением их жизнедеятельности в зависимости от температуры окружающей среды.
Опубликовано значительное число работ, посвященных изучению влияния растительного покрова на распространение радиоволн KB и УКВ диапазонов. Интерес к этим диапазонам связан с необходимостью прогнозирования распространения радиосигналов, обеспечивающих радиолокацию, телевидение и радиотелефонную сотовую связь.
Большинство исследователей по распространению электромагнитных волн в лесу использовало модели, которые не касались электромагнитных свойств растительного покрова, а рассматривали вместо этого плоскую или сферическую Землю, где особенности распространения электромагнитных волн связывали с влиянием неоднородности Земли или дифракционными явлениями [20,21]. Соответственно использовались эмпирически или статистически полученные поправки для учета влияния леса [22,23].
Приведенный выше обзор литературных данных позволяет сделать следующие выводы:
1. Представление отдельного дерева в модели активного переизлучателя ( Z = Rg ) [8,9] и решение задачи рассеянного такими деревьями электромагнитного ноля [13] получено только при учете волновых членов переизлучения. Последнее обстоятельство позволяет использовать полученные результаты только для обширных лесных массивов (например, Сибирская тайга) и может оказаться некорректным для относительно небольших лесных массивов протяженностью в несколько длин волн в связи с неучетом индукционных и статических членов иереизлученного деревьями электромагнитного поля. Одновременно, полученные результаты даже качественно не объясняют уменьшение нормальной составляющей электрического поля при приближении точки наблюдения к отдельно стоящему дереву и существенное влияние волны Ценнека, которое приводит к тому, что модуль функции ослабления в СВ-СДВ диапазонах на некоторых расстояниях от источника излучения оказывается больше единицы.
2. Экспериментальные исследования в KB и УКВ диапазонах [20-24] позволяют представлять лесные массивы в модели однородного изотропного слоя с эффективными значениями є1 и т7 . В гипотезе отсутствия частотной дисперсии сл и ст., можно качественно объяснить значительное влияние поверхностной волны Ценнека в СВ-СДВ диапазонах. Однако большой разброс в экспериментально измеренных значениях а., на два порядка и ., в полтора раза не позволяют количественно прогнозировать искажения электромагнитного поля при наличии растительного покрова. При этом остается открытым вопрос о зависимости єч и т.( от температуры окружающей среды, т.к. измерения в KB и УКВ диапазонах производились в джунглях при температуре воздуха около 20-30°С.
Таким образом, к настоящему времени отсутствует удовлетворительная модель, позволяющая прогнозировать искажения электромагнитного поля СВ- СДВ диапазонов в присутствии отдельного дерева, которое является основным элементом лесного массива.
Предварительный анализ представленных в литературе теоретических исследований и экспериментальных данных, который мы приводили выше, показывает, что представление дерева в модели вертикального электрического переизлучателя с емкостной нагрузкой, т.е. с учетом мнимой составляющей комплексного сопротивления дерева, в принципе может объяснить как уменьшение нормальной составляющей электрического поля при приближении к отдельно стоящему дереву, так и существенное влияние поверхностной волны Ценнека.
Поэтому в I главе подробно рассматриваются теоретические и экспериментальные исследования но изучению искажений электромагнитного поля в присутствии отдельно стоящего дерева. Анализ указанных исследований позволил представить отдельное дерево в модели вертикального переизлучателя с емкостной нагрузкой. При этом, что существенно, получены формулы, по которым комплексное сопротивление дерева может быть определено по геометрическим характеристикам ствола дерева и его кроны, с учетом удельной электрической проводимости ствола дерева. Показано, что представление отдельного дерева в модели вертикального электрического переизлучателя с емкостной нагрузкой позволяет не только качественно объяснить, но и количественно прогнозировать искажения электромагнитного поля в непосредственной близости от дерева.
Во II главе рассматривается теоретическое решение задачи по определению электромагнитного поля, рассеянного всеми деревьями лесного массива, в модели вертикального электрического переизлучателя с емкостной нагрузкой. Анализ полученного решения показывает, что основной вклад в рассеянное деревьями электромагнитное поле вносят квазистатические члены переизлучеиия, т.е. необходимо учитывать деревья, расположенные внутри окружности с радиусом относительно точки наблюдения. В этом случае одновременно показано, что влияние растительного покрова может быть учтено в модели однородного изотропного «леса-слоя» с эффективной комплексной диэлектрической проницаемостью с, , которая не зависит от густоты лесных массивов.
В Заключении изложены основные выводы и научная новизна результатов диссертационной работы.
Учет влияния отдельного дерева на распространение электромагнитных волн
Характер распространяющихся вдоль земной поверхности электромагнитных волн зависит от многих факторов, которые можно разделить на две основные группы: геолого-геофизические и физико-географические. К геолого-геофизическим факторам относятся электромагнитные параметры и структурное взаимоположение различных слоев и блоков горных пород, слагающих подстилающую поверхность вдоль трассы распространения (в пределах областей, существенных для распространения электромагнитных волн как по глубине, так и по площади). К физико-географическим факторам относятся рельеф местности и растительный покров.
Фундаментальные исследования Зоммерфельда [1], Вейля [2] и Фока [3] привели к решению задачи распространения электромагнитных волн вдоль плоской и сферической однородной подстилающей поверхности. Обобщением исследований Зоммерфельда, Вейля и Фока послужили работы Фейнберга, который в своей монографии [4] приводит решение задачи распространения электромагнитных волн вдоль плоских и сферических кусочно-однородных трасс. Другим обобщением в теории распространения электромагнитных волн явились исследования особенностей распространения электромагнитных волн для случая неоднородных по глубине слоистых трасс. Результаты указанных исследований представлены в монографии Макарова и др. [5,6], в которой показано, что в случае слоистых трасс могут появиться новые типы волн, в частности, боковая волна и поверхностная волна Ценнека [7], отсутствующая, как показано Фоком, в случае однородной по глубине трассы распространения.
В монографии Фейнберга [4] дается решение задачи о распространении электромагнитных волн для случая статистически равномерно распределенных неровностей рельефа в модели однородного изотропного слоя с эффективными значениями комплексной диэлектрической проницаемости. Следовательно, влияние кусочно-слоистой подстилающей поверхности с учетом равномерно распределенных неровностей рельефа местности может быть осуществлено в рамках единой кусочно-слоистой модели. Важным и еще не решенным вопросом является учет влияния растительного покрова на распространение электромагнитных волн. Основная цель настоящей диссертации заключается в учете влияния растительного покрова на распространение электромагнитных волн в модели однородного изотропного слоя с эффективными значениями комплексной диэлектрической проницаемости «леса-слоя», зависящими от температуры окружающей среды. С учетом вышеизложенного, представление растительного покрова в модели однородного изотропного «леса-слоя» позволяет решать задачу распространения электромагнитных волн вдоль земной поверхности с учетом как геолого-геофизических, так и физико-географических факторов в рамках единой модели кусочно-слоистых сред в одномерном трассовом приближении.
Хвойные, лиственные, смешанные и тропические леса занимают свыше 40% суши Земли, при этом степные районы на 70% покрыты посевами злаковых культур, фруктовыми садами, хлопковыми, кофейными и чайными плантациями, поэтому разработка моделей, которые позволяют качественно оценивать и количественно прогнозировать параметры электромагнитного поля в волноводном канале Земля-ионосфера при наличии растительного покрова является весьма актуальной задачей. Одновременно, учет влияния растительного покрова имеет самостоятельное значение для прогнозирования электромагнитных полей при эксплуатации различных радиотехнических систем с целью повышения надежности передачи информации радиотехническими средствами связи, повышения точности как стационарных, так и, особенно, мобильных радионавигационных систем, а также с целью повышения точности местоопределения очагов грозовой активности и прочих источников электромагнитного излучения по многопунктовым измерениям.
В приведенном ниже обзоре литературы дается достаточно подробный анализ немногочисленных экспериментальных данных и методов расчета электромагнитных полей при наличии растительного покрова в диапазонах средних, длинных и сверхдлинных волн, когда длина волны электромагнитного поля много больше высоты растительности.
Учет влияния растительного покрова на распространение электромагнитных волн
Обширная литература, посвященная экспериментальным исследованиям и методам расчета электромагнитных полей в диапазонах коротких и ультракоротких волн рассматривается достаточно кратко, в основном с целью качественной оценки предлагаемых моделей применительно к интересующему нас диапазону частот.
Первые экспериментальные исследования по оценке влияния растительного покрова на характер распространения электромагнитных волн были проведены, по з
видимому, в Англии Барфильдом в середине 20-х годов прошлого века [8]. Барфильд исследовал влияние, оказываемое отдельно стоящим деревом, путем измерения ошибки радиопеленга с помощью вращающейся рамки в точках наблюдения, расположенных по окружности в непосредственной близости от дерева. В результате экспериментов, которые проводились в средневолновом диапазоне на частоте f = 824 кГц. (к - 364м.) было установлено, что дерево существенно искажает магнитное поле волны. При этом максимальная ошибка радиопеленга на расстоянии 3 м. от дерева высотою 25 м. с диаметром ствола в нижней части 0.9-1.0 м. составляет 7.5-11.5 зимой и возрастает летом еще на 30%. Характер поведения ошибки радиопеленга по окружности позволил автору сделать вывод о том, что дерево может быть представлено в модели вертикального электрического переизлучателя, создающего вторичное магнитное поле, которое и приводит к искажению радиопеленга на излучающую станцию. Одновременно производились измерения модуля нормальной составляющей электрического поля на расстояниях от 8км. до 160км. относительно Лондонских радиостанций, работающих на частотах 416кГц. ( X = 720м.) , 631 кГц. (к = 475м.) и 824кГц. (к = 364м.). В результате экспериментов по компарированию поля было установлено, что на трассах, частично заполненных лесными массивами, наблюдается существенное дополнительное ослабление ноля, которое в модели однородной земной поверхности эквивалентно уменьшению эффективной электрической проводимости залесенной трассы распространения в 2,0-2,5 раза по сравнению с незалесенными трассами.
В середине 50-х годов при эксплуатации разностпо-фазовой радионавигационной системы «Декка», работающей на кратных частотах в диапазоне длинных волн, было установлено, что отдельно стоящее дерево существенно искажает фазовую структуру электрического поля. В частности, в работе [9] Рейнольде приводит графики искажения разности фаз на кратных частотах в зависимости от расстояния до дерева, из которых следует, что влияние дерева заметно на расстояниях до 30м, т.е. на расстояниях меньших или равных его высоте. При этом максимальное искажение разности фаз на двух кратных частотах (79,83кГц. и 85кГц.; 85кГц. и 127,5кГц.) составляют соответственно 0.145 и 0.19 фазового цикла.
Для объяснения наблюдаемого эффекта Рейнольде предложил представлять дерево в модели конденсатора, в котором идеально проводящая подстилающая поверхность и ветви кроны дерева образуют пластины конденсатора, а ствол дерева эквивалентен сопротивлению, включенному между пластинами. При воздействии на дерево вертикальной составляющей падающего электрического поля Еп\ (зависимость от времени принимается е""" ) в эквивалентной цепи дерева с эффективной высотой h , сопротивлением ствола Rg и емкостью кроны Cg (при условии khg «1, т.е. A»h ) возникает практически равномерно распределенный ток I [9]: где Z -эффективное комплексное сопротивление дерева, к = 0)1 с, со - круговая частота, Я - длина электромагнитной волны, с - скорость света в вакууме. В квазистатическом приближении (kpg «1, pg- расстояние от дерева до точки наблюдения) переизлученная деревом нормальная составляющая электрического поля Еп2 имеет вид [10]: и2=_ Л„1 (2) oocu2nZK{pl+h])v2 (3) Обозначим угол между направлениями от излучателя на дерево и от дерева на точку наблюдения, находящуюся на расстоянии р от дерева, через 0, тогда изменение фазы поля у дерева, относительно фазы поля у точки наблюдения определяется выражением A/? cos0. Полное поле En(L) в точке наблюдения Т, расположенной в непосредственной близости от дерева, складывается из падающего в эту точку первичного поля „](Г)и вторичного поля Еп2, рассеянного деревом. Учитывая, что крК cos0«l, а поле медленно меняется в пределах длины волны, то есть остается практически постоянным при р « Я, получаем E„(l) = En](T)-(\+Akpgcose-iA). (4) 1 Рейнольде, без каких-либо обоснований и оценок, предположил, что R » соСК т.е. А в формуле (4) вещественная величина, так как Z = R , и в результате получил, что в точке наблюдения нормальная составляющая суммарного электрического поля в присутствии дерева сдвинута по фазе относительно нормальной составляющей падающего электрического поля на угол ср 1 + Akp cosQ Не располагая значением сопротивления ствола дерева R Рейнольде путем минимизации фазовой ошибки в присутствии дерева на расстоянии около 15 м. от последнего получил следующую оценку R «2.5-103ом. Сравнение фазовых ошибок экспериментальных измерений и теоретических расчетов по формуле (5) показывают, что расчетные кривые достаточно хорошо совпадают с экспериментом при Rg = 2.5-103Ом для всех расстояний рк от 8 м. до 30 м. относительно дерева. На расстояниях от дерева меньше 8м. (р 0.5/г, h - высота дерева) экспериментальные данные и теоретические кривые резко расходятся.
Определение эффективных электрических свойств растительного покрова в модели однородного изотропного «леса- слоя»
Заметим, что амплитуда нормальной составляющей суммарного электрического ноля в соответствии с формулой (4) возрастает при приближении к дереву. Однако, это противоречит известному экспериментальному факту, что амплитуда суммарного поля в диапазонах СВ и ДВ существенно (в 1,5 - 2,0 раза) уменьшается при приближении к дереву [11,12]. Указанные выше обстоятельства ставят под сомнение эффективность представления дерева в модели вертикального электрического переизлучателя с преимущественно активным сопротивлением (Z = Rg) Однако, по нашему мнению, в случае R « (дерево - вертикальный переизлучатель, обладающий реактивным сопротивлением) А в формуле (4) становится отрицательной мнимой величиной и тогда E„(Z) = EJT).(l-\A\-i\A\kpgcosQ), т.е. \Е„(Ц \Е„(Т)\ в согласии с результатами экспериментов, приведенными в работах [11,12]. Поэтому, и это будет показано в 1 главе настоящей работы, целесообразно представлять дерево в модели вертикального электрического переизлучателя с комплексным сопротивлением Z и с существенным влиянием его мнимой части, т.е. в модели вертикального электрического переизлучателя с емкостной нагрузкой.
В монографии Кашпровского и Кузубова [13] приведена оценка влияния лесных массивов на распространение электромагнитных волн в СВ диапазоне в случае пренебрежения взаимным влиянием деревьев. Со ссылкой на Рейнольдса [9] авторы монографии приняли за основу модель дерева в виде вертикального электрического переизлучателя с преимущественно активным сопротивлением (Z„ =RS)- Кроме этого авторы решали задачу, пренебрегая конечной проводимостью подстилающей поверхности и взаимным влиянием деревьев, а также пренебрегая влиянием индукционных и статических членов переизлучения, т.е. с учетом только волновых членов переизлученного деревьями электромагнитного поля.
Отметим, что формула (9) выведена для случая пренебрежения индукционными и статическими членами нереизлучепного деревьями электромагнитного поля, т.е. когда не учитываются влияние деревьев, расположенных внутри окружности с радиусом у (крк 1). В квазистатической окрестности точки наблюдения в зависимости от длины электромагнитной волны расположены сотни (СВ), тысячи (ДВ) и даже десятки тысяч (СДВ) деревьев, поэтому пренебрежение их влиянием требует серьезной оценки, которую авторы не проводили. Такая оценка будет нами сделана во II главе настоящей работы. Таким образом, авторы монографии [13] вывели формулу (9), которая фактически оправдана для учета лесных массивов протяженностью в несколько тысяч километров, например, для Сибирской тайги. При этом формула (9) может оказаться некорректной для небольших лесных массивов протяженностью в несколько длин волн, когда влияние индукционно статических членов переизлученного деревьями электромагнитного поля может оказаться весьма заметным.
Тем не менее формула (9) позволяет качественно объяснить сезонные и суточные вариации напряженности электромагнитного поля на залесенных трассах. Экспериментально установлено, что нормальная составляющая электрического поля на одной и той же залесенной трассе зимой значительно больше, чем летом как для лиственных лесов Центральных [13] и Северо-Западных [14,15] районов России, так и для хвойных лесов Западной Сибири [16]. Это, по-видимому, связано с изменениями удельной электрической проводимости древесины стволов деревьев в соответствии с изменением их жизнедеятельности в зависимости от температуры окружающей среды. На рис.1 приведены значения удельной электрической проводимости стволов лиственных (кривая 1) и хвойных (кривая 2) пород деревьев Центральной Европы на -20 -10 0 10 20 Зависимость удельной электрической проводимости древесины стволов деревьев а ((С) от температуры окружающей среды (воздуха) tC. 1. Лиственные породы деревьев Центральной Европы [17]; 2. Хвойные породы деревьев Центральной Европы [17]; 3. Хвойные породы деревьев юга Западной Сибири [18]. постоянном токе в зависимости от температуры [17]. При этом ag(tC) для лиственных и хвойных пород деревьев совпадают между собою в интервале температур от +20 до -5С и изменяются от 1.2-Ю- до 10"3 — , т.е. более чем на порядок, далее кривые резко м расходятся. На этом рисунке также указаны величины сгк(/С) для хвойных пород деревьев юга Западной Сибири на постоянном токе (кривая 3) [18]. На рисунке видно, что удельная электрическая проводимость стволов лиственных пород деревьев в Центральной Европе (кривая 1) практически повторяет удельную электрическую проводимость стволов хвойных пород деревьев юга Западной Сибири ( кривая 3 ) во всем диапазоне температур от -20С до +20С со стандартным отклонением в 2,7 раза. Таким образом, можно констатировать, что к настоящему времени нет единого мнения об абсолютных значениях удельной электрической проводимости стволов деревьев. Однако, авторы исследований сходятся в том, что в диапазоне температур от -20С до +20С происходит относительное изменение сгк(/С) более чем на два порядка, что во всяком случае качественно объясняет сезонные изменения напряженности электрического поля вдоль залесенных трасс. Расчеты нормальной составляющей электрического поля с использованием эффективного поверхностного импеданса д (tC) по формуле (9), приведенные в монографии Кашпровского и Кузубова [13], показывают, что при представлении дерева в модели активного переизлучателя влияние лесных массивов в зимних условиях можно не учитывать в связи с исчезающее малым значением второго члена формулы (8) (эффект «вымерзание леса»). Указанное обстоятельство находится в противоречии с результатами экспериментальных исследований Барфильда [8], который получил, что вблизи дерева ошибка радиопеленга зимой составляет около 70% эффекта, наблюдаемого летом.
Особенности распространения электромагнитных волн вдоль залесенных трасс
Из обзора немногочисленных работ, посвященных учету влияния растительного покрова на распространение электромагнитных волн в СВ, ДВ и СДВ диапазонах следует, что влияние отдельного дерева в модели активного переизлучателя ( ZK = R ) позволяет качественно объяснить искажение пеленга на радиостанцию и искажение фазовой структуры электрического поля в присутствии отдельного дерева [8,9], а также сезонные вариации модуля функции ослабления вдоль протяженных залесенных трасс [13]. При этом оказывается, что представление дерева в модели активного переизлучателя ( Z = R, ) некорректно, т.к. совершенно не объясняет уменьшение нормальной составляющей электрического поля при приближении к отдельному дереву и не объясняет наличие поверхностной волны Ценнека, которое приводит к тому, что модуль функции ослабления на некоторых расстояниях от излучателя становится больше единицы, т.е. поле над занесенными трассами за счет влияния поверхностной волны Ценнека становится больше, чем на бесконечно проводящей плоскости. Опубликовано значительное число работ, посвященных изучению влияния растительного покрова на распространение радиоволн KB и УКВ диапазонов. Интерес к этим диапазонам связан с необходимостью прогнозирования распространения радиосигналов, обеспечивающих радиолокацию, телевидение и радиотелефонную сотовую связь. Большинство исследователей по распространению электромагнитных волн в лесу использовало модели, которые не касались электромагнитных свойств растительного покрова, а рассматривали вместо этого плоскую или сферическую Землю, где особенности распространения электромагнитных волн связывали с влиянием неоднородности Земли или дифракционными явлениями [20,21]. Соответственно использовались эмпирически или статистически полученные поправки для учета влияния леса [22,23].
В работе [24] Тамир обобщил экспериментальные исследования по измерению электромагнитного поля в джунглях в диапазоне частот 50-100 мГц. и пришел к выводу о том, что существует экспоненциальная зависимость затухания электрического поля в лесу, что в модели однородного изотропного слоя соответствует некоторым эффективным электрическим свойствам «леса-слоя». Полное отсутствие экспериментальных данных по определению т, и c.t в СВ-СДВ диапазонах, а также недостаточное количество экспериментальных данных в KB и УКВ диапазонах, которые характеризуются большим разбросом при определении эффективной электрической проводимости ст., ( на два порядка ) и относительной диэлектрической проницаемости є.: ( в полтора раза ) не позволяют судить о реальных значениях эффективных электрических свойств лесных массивов. Пока неясен и метод определения указанных свойств в СВ-СДВ диапазонах, т.к. способы определения с, по экспоненциальному затуханию электромагнитной волны в слое [24], применяемые в метровых диапазонах, неприемлемы для километровых волн в связи с чрезвычайно малой по сравнению с длиной волны оптической толщиной «леса-слоя». Таким образом, экспериментальные исследования в KB и УКВ диапазонах позволяют, в принципе, представить лесные массивы в модели однородного изотропного слоя с эффективными значениями комплексной диэлектрической проницаемости «леса-слоя» [24]. В гипотезе отсутствия частотной дисперсии эффективных свойств «леса-слоя» можно качественно объяснить влияние поверхностной волны в СВ-СДВ диапазонах на трассах, покрытых лесом. Однако, отсутствие достоверных данных об эффективных значениях а,, которые характеризуются разбросом измеренных значений па два порядка, и ,, которые характеризуются разбросом измеренных значений в 1,5 раза, не позволяют количественно прогнозировать искажения электромагнитного поля в присутствии лесной растительности. При этом остается открытым вопрос о вариациях поля, связанных с изменением температуры окружающей среды, из-за расхождения экспериментальных данных по измерению удельной электрической проводимости древесины стволов деревьев в зависимости от температуры воздуха [15,16].
Приведенный выше обзор литературных данных позволяет сделать следующие выводы: 1. Представление отдельного дерева в модели активного переизлучателя ( Z = Rg ) [8,9] и решение задачи рассеянного такими деревьями электромагнитного ноля [13] получено только при учете волновых членов переизлучения. Последнее обстоятельство позволяет использовать полученные результаты только для обширных лесных массивов (например, Сибирская тайга) и может оказаться некорректным для относительно небольших лесных массивов протяженностью в несколько длин волн в связи с неучетом индукционных и статических членов иереизлученного деревьями электромагнитного поля. Одновременно, полученные результаты даже качественно не объясняют уменьшение нормальной составляющей электрического поля при приближении точки наблюдения к отдельно стоящему дереву и существенное влияние волны Ценнека, которое приводит к тому, что модуль функции ослабления в СВ-СДВ диапазонах на некоторых расстояниях от источника излучения оказывается больше единицы. 2. Экспериментальные исследования в KB и УКВ диапазонах [20-24] позволяют представлять лесные массивы в модели однородного изотропного слоя с эффективными значениями є1 и т7 . В гипотезе отсутствия частотной дисперсии сл и ст., можно качественно объяснить значительное влияние поверхностной волны Ценнека в СВ-СДВ диапазонах. Однако большой разброс в экспериментально измеренных значениях а., на два порядка и ., в полтора раза не позволяют количественно прогнозировать искажения электромагнитного поля при наличии растительного покрова. При этом остается открытым вопрос о зависимости єч и т.( от температуры окружающей среды, т.к. измерения в KB и УКВ диапазонах производились в джунглях при температуре воздуха около 20-30С.
