Номер 1, страница 160 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

Подумайте, как можно объяснить отражение электромагнитных волн от ионосферы.

Решение

Отражение электромагнитных волн от ионосферы можно объяснить ее физическими свойствами. Ионосфера — это верхний слой атмосферы Земли (на высотах от 60 до 1000 км), который содержит большое количество свободных заряженных частиц (ионов и электронов), образуя плазму. Эта ионизация происходит в основном под действием ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца.

Когда электромагнитная волна, например, радиоволна, достигает ионосферы, ее переменное электрическое поле начинает воздействовать на свободные электроны и заставляет их совершать вынужденные колебания с частотой, равной частоте падающей волны. Колеблющиеся электроны, в свою очередь, сами становятся источниками вторичных электромагнитных волн. В результате интерференции (сложения) этих вторичных волн формируется отраженная волна, которая распространяется обратно от слоя ионосферы.

Эффективность этого процесса сильно зависит от частоты электромагнитной волны и концентрации электронов в ионосфере. Это явление можно описать с помощью показателя преломления ионосферы $n$ для электромагнитных волн. Он зависит от частоты волны $\omega$ и плазменной частоты $\omega_p$, которая определяется концентрацией свободных электронов $N_e$:

$n = \sqrt{1 - \frac{\omega_p^2}{\omega^2}}$, где $\omega_p = \sqrt{\frac{N_e e^2}{\varepsilon_0 m_e}}$ (здесь $e$ и $m_e$ — заряд и масса электрона, $\varepsilon_0$ — электрическая постоянная).

Если частота волны $\omega$ меньше плазменной частоты $\omega_p$, то выражение под корнем становится отрицательным, а показатель преломления $n$ — мнимым. Это физически соответствует тому, что волна не может распространяться в среде и полностью от нее отражается. Такое явление испытывают короткие (КВ) и средние (СВ) радиоволны, что обеспечивает возможность дальней радиосвязи за горизонтом.

Если же частота волны $\omega$ больше плазменной частоты $\omega_p$, показатель преломления $n$ является действительным и меньше единицы. Волна проходит сквозь ионосферу, лишь незначительно преломляясь. Это характерно для ультракоротких волн (УКВ), на которых работают FM-радиостанции, телевидение и спутниковая связь. Поэтому для связи со спутниками используют именно эти частоты.

Таким образом, "отражение" от ионосферы — это не мгновенный отскок от четкой границы, как от зеркала, а скорее плавное искривление траектории радиоволны (рефракция) в толще ионизированного слоя, которое при определенных условиях (низкая частота волны) приводит к ее возвращению на Землю.

Ответ: Отражение электромагнитных волн от ионосферы объясняется взаимодействием волны со свободными электронами в ионизированных слоях атмосферы (плазме). Под действием электрического поля волны электроны колеблются и переизлучают вторичные волны, которые формируют отраженную волну. Условием отражения является то, что частота электромагнитной волны должна быть меньше плазменной частоты ионосферы, которая зависит от концентрации электронов. Волны с более высокой частотой проходят сквозь ионосферу.