Распространение радиоволн в околоземном пространстве

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»
Радиофизический факультет
Кафедра распространения радиоволн и радиоастрономии
УТВЕРЖДАЮ
Декан радиофизического факультета
____________________Якимов А.В.
«18» мая 2011 г.
Учебная программа
Дисциплины М2.В3.04 «Распространение радиоволн в околоземном пространстве»
по направлению 011800 «Радиофизика»
Нижний Новгород
2011 г.
1. Цели и задачи дисциплины
Содержание дисциплины направлено на знакомство студентов со свойствами околоземного
космического пространства и на формирование у студентов представлений о закономерностях
распространения радиоволн различных диапазонов частот в околоземном космическом
пространстве.
2. Место дисциплины в структуре магистерской программы
Дисциплина «Распространение радиоволн в околоземном пространстве» относится к
дисциплинам по выбору студента вариативной части профессионального цикла основной
образовательной программы по направлению 011800 «Радиофизика».
3. Требования к уровню освоения содержания дисциплины
В результате освоения дисциплины формируются следующие компетенции:
 способностью использовать базовые знания и навыки управления информацией для решения
исследовательских профессиональных задач, соблюдать основные требования информационной
безопасности, защиты государственной тайны (ОК-l0);
 способность к свободному владению знаниями фундаментальных разделов физики и
радиофизики, необходимыми для решения научно-исследовательских задач (в соответствии со
своим профилем подготовки) (ПК-1);
 способность к свободному владению профессионально-профилированными знаниями в
области информационных технологий, использованию современных компьютерных сетей,
программных продуктов и ресурсов Интернет для решения задач профессиональной
деятельности, в том числе находящихся за пределами профильной подготовки (ПК-2);
 способность использовать в своей научно-исследовательской деятельности знание
современных проблем и новейших достижений физики и радиофизики (ПК-3);
 способность самостоятельно ставить научные задачи в области физики и радиофизики (в
соответствии с профилем подготовки) и решать их с использованием современного
оборудования и новейшего отечественного и зарубежного опыта (ПК-4).
В процессе изучения курса студенты должны
 получить понятия о характере высотного распределения атмосферных слоев, механизмах их
формирования, химическом составе атмосферы Земли, волновых и ветровых движениях
нейтральной атмосферы;
 изучить основные закономерности распространения радиоволн вдоль земной поверхности;
 изучить механизмы образования ионосферы Земли и формирования различных слоев
ионосферы; получить понятия о динамике и неоднородной структуре ионосферы Земли;
 получить понятия о влиянии ионосферы Земли на распространение радиоволн различных
диапазонов частот, об экспериментальных методах исследования ионосферы;
 получить понятия об образовании и структуре магнитосферы Земли, о природе солнечноземных связей, о влиянии солнечных вспышек на околоземную среду.
4.Объем дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетные единицы, 72 часа.
Виды учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины
Аудиторные занятия
Лекции
Практические занятия (ПЗ)
Семинары (С)
Лабораторные работы (ЛР)
Другие виды аудиторных занятий
Самостоятельная работа
Курсовой проект (работа)
Всего часов
72
32
32
0
0
0
0
40
0
Семестры
10
32
32
0
0
0
0
40
0
2
Расчетно-графическая работа
Реферат
Другие виды самостоятельной работы
Вид итогового контроля (зачет, экзамен)
0
0
0
зачет
0
0
0
зачет
5. Содержание дисциплины
5.1. Разделы дисциплины и виды занятий
№п/п
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Раздел дисциплины
Введение.
Нейтральная атмосфера.
Распространение радиоволн вдоль земной
поверхности. Понятие о тропосферном
распространении радиоволн.
Образование и основные свойства ионосферы
Земли.
Влияние ионосферы на распространение радиоволн.
Магнитосфера Земли. Распространение
низкочастотных волн в околоземном пространстве.
Лекции
2
6
4
ПЗ (или С)
ЛР
10
4
6
5.2. Содержание разделов дисциплины
Раздел 1. Введение.
Понятие об околоземном космическом пространстве. Нейтральная атмосфера. Ионосфера и
магнитосфера Земли. Солнце и солнечный ветер, солнечно-земные связи. Влияние
околоземного пространства на распространение радиоволн различных диапазонов частот.
Раздел 2. Нейтральная атмосфера.
Характерные высотные области нейтральной атмосферы. Состав атмосферы. Гидростатическое
распределение плотности и давления с высотой. Диффузия. Экзосфера. Среднемассовые
движения. Геострофическое приближение. Акустико-гравитационные волны. Планетарные
волны.
Раздел 3. Распространение радиоволн вдоль земной поверхности. Понятие о тропосферном
распространении радиоволн.
Основные уравнения. Дифференциальные соотношения. Потенциал. Граничные условия.
Интегральные соотношения. Функция Грина. Принцип Гюйгенса. Область пространства,
существенная для формирование отраженного сигнала. Метод стационарной фазы. Излучение
вертикального диполя вблизи плоской границы раздела двух сред. Приближенные граничные
условия Леонтовича. Отражательные (интерференционные) формулы. Функция ослабления.
Численное расстояние. Понятие о тропосферном распространении радиоволн.
Раздел 4. Образование и основные свойства ионосферы Земли.
Воздействие солнечного излучения на земную атмосферу. Химические эффекты солнечного
излучения. Поглощение солнечного излучения и скорость образования электронов. Теория
образования простого (чепменовского) слоя. Сложный F-слой ионосферы. Рекомбинация,
ионно-молекулярные реакции, диффузия. Слои F1 и E. D-область. Максимум F-слоя и внешняя
часть ионосферы. Оптическое свечение ионосферы. Электрическая проводимость ионосферной
плазмы. Понятие о динамике и неоднородной структуре ионосферы.
Раздел 5. Влияние ионосферы на распространение радиоволн.
Влияние ионосферы на распространение коротких радиоволн. Исследования ионосферы с
помощью вертикального, наклонного и возвратно-наклонного зондирования.
Влияние
ионосферы на распространение средних и более длинных волн. Волновод Земля-ионосфера.
3
Раздел 6. Магнитосфера Земли. Распространение низкочастотных волн в околоземном
пространстве. Структура магнитосферы Земли. Межпланетное магнитное поле и
магнитосфера. Отошедшая ударная волна, переходный слой, магнитопауза. Геомагнитное поле
вблизи Земли. Полярные каспы. Хвост магнитосферы. Плазма в магнитосфере. Плазмосфера,
плазмопауза. Радиационные пояса Земли. Движение частиц в магнитном поле. Частицы
радиационных поясов. Распространение низкочастотных волн в магнитосфере. Излучение волн
магнитосферными частицами. ОНЧ излучение, микропульсации. Суббури и авроральные
явления. Солнечные вспышки и атмосфера Земли.
6. Лабораторный практикум.
Не предусмотрен.
7. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
7.1. Рекомендуемая литература.
а) основная литература:
1. Брюнелли Б.Е., Намгаладзе А.А. Физика ионосферы. М.: Наука. 1988. 527 с.
2. Ратклифф Дж. Введение в физику ионосферы и магнитосферы. М.: Мир. 1975. 296 с.
3. Харгривс Дж. К. Верхняя атомосфера и солнечно-земные связи. Ленинград.
Гидрометеоиздат, 1982. 353 с.
4. Фейнберг Е.Л. Распространение радиоволн вдоль земной поверхности. Изд. АН СССР. М.
1961.
5. Дэвис К. Радиоволны в ионосфере. Пер. с англ./ под ред. Корчака А.А. М. Мир. 1973.
6. Альперт Я.Л. Распространение электромагнитных волн и ионосфера. М. Наука. 1972. 593 с.
б) дополнительная литература:
1. Гинзбург В. Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. М. Наука, 1967. 684 с.
2. Гершман Б. Н., Ерухимов Л. М., Яшин Ю. Я. Волновые явления в ионосфере и космической
плазме. М. : Наука, 1984. 392 с.
3. Альвен, Фельтхаммар К.-Г. Космическая электродинамика. М.: Мир., 1967. 260 с.
4. Лайонс Л., Уильямс Д. Физика магнитосферы. Количественный подход. М.: Мир., 1987. 312
с.
8. Вопросы для контроля
1. Характерные высотные области нейтральной атмосферы.
2. Состав атмосферы.
3. Гидростатическое распределение плотности и давления с высотой.
4. Акустико-гравитационные волны.
5. Уравнения Максвелла в среде без дисперсии. Волновые уравнения для электромагнитного
поля.
6. Потенциалы электромагнитного поля.
7. Импеданс среды. Показатели преломления и поглощения. Угол потерь.
8. Интегральная форма решения задачи о распространении электромагнитной волны вдоль
границы раздела.
9. Граничные условия Леонтовича
10. Распространение электромагнитной волны вдоль границы раздела. Отражательные
формулы.
11. Область, ответственная за формирование отраженного сигнала.
12. Метод стационарной фазы.
13. Функция ослабления. Численное расстояние.
14. Поглощение солнечного излучения. Теория простого слоя.
15. Структура ионосферы. Вертикальное зондирование ионосферы.
16. Распространение сверхдлинных, длинных и средних волн с учетом ионосферы.
17. Влияние ионосферы на распространение коротких радиоволн.
18. Сложный F-слой ионосферы.
19. Максимум F-слоя и внешняя часть ионосферы.
4
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
Оптическое свечение ионосферы.
Электрическая проводимость ионосферной плазмы.
Структура магнитосферы Земли.
Плазмосфера, плазмопауза.
Радиационные пояса Земли.
Движение частиц в магнитном поле.
Распространение низкочастотных волн в магнитосфере.
9. Критерии оценок
Зачтено
Не зачтено
Подготовка, удовлетворяющая минимальным требованиям
Необходима дальнейшая подготовка для успешного прохождения испытания.
10. Примерная тематика курсовых работ и критерии их оценки
Курсовые работы не предусмотрены.
5
Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом по
направлению 011800 «Радиофизика».
Автор программы_________________ Грач С.М.
Программа рассмотрена на заседании кафедры 30 марта 2011 г. протокол № 5
Заведующий кафедрой ___________________ Гавриленко В.Г.
Программа одобрена методической комиссией факультета 11 апреля 2011 года
протокол № 05/10
Председатель методической комиссии _________________ Мануилов В.Н.
6