Физика /1.Теоретическая физика

К.п.н. Мищик С.А.

Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф.Ушакова ,

Россия

Системные задачи электромагнитных волн

прикладной физики морского флота

Системные задачи электромагнитных волн прикладной физики морского флота отражают целостно-системное моделирование основных элементов транспортных объектов. При этом возникает ориентация на единство базисных характеристик предметных и исполнительных условий относительно предмета содержания и способа его реализации. Рассматриваются: время нарушения морской радиосвязи при солнечных хромосферных вспышках; концентрация электронов в месте отражения радиосигнала; критическая частота морской радиосвязи, соответствующей ей длину радиоволны и удельную электропроводность области F₂ днем; высоту слоя ионосферы, от которого отражается радиосигнал на морском флоте.

В процессе решения системных задач электромагнитных волн прикладной физики морского флота необходимо применять основные положения теории деятельности, системного анализа и теории формирования интеллекта.

Системный анализ предполагает выполнение последовательности системных аналитических действий: выделить объект анализа – задачу электромагнитных волн прикладной физики морского флота (ЗЭМВПФМФ) как систему; установить порождающую среду ЗЭМВПФМФ; определить уровни анализа ЗЭМВПФМФ; представить целостные свойства ЗЭМВПФМФ относительно пространственных, и временных характеристик и их комбинаций; выделить структуру уровня анализа ЗЭМВПФМФ; установить структурные элементы уровня анализа ЗЭМВПФМФ; определить системообразующие связи данного уровня анализа ЗЭМВПФМФ; представить межуровневые связи анализа ЗЭМВПФМФ; выделить форму организации ЗЭМВПФМФ; установить системные свойства и поведение ЗЭМВПФМФ.

Задача 1

Концентрация электронов в области D морской радиосвязи днем составляет 10³ эл/см³ , средний коэффициент рекомбинации равен 10^-5 см³/с. Через какое время после захода Солнца концентрация электронов в этом слое уменьшится в 100 раз? Существует ли область D ночью? Почему? Как изменился бы ответ данной задачи, если бы в вычислениях было учтено, что в области D, кроме электронов указанной концентрации, имеются еще ионы, концентрация которых днем равна 10⁶ —10⁸ см^-3 и нейтральные атомы и молекулы (10¹⁴ —10¹⁶ см ^-3 )?

Ответ: через 2,7 ч .

Задача 2

Вычислить концентрацию электронов в области Е морской радиосвязи через 6 ч после захода Солнца летом, если концентрация перед заходом была 4·10⁵ эл/см³ , а средний коэффициент рекомбинации в этой области ночью равен 10^-8 см³/с . Почему область Е не исчезает ночью, как область D, несмотря на то, что концентрация ионов и электронов в ней выше, чем в области D ? На сколько процентов уменьшилась концентрация за 6 ч ?

Ответ: 4,6·10⁵ эл/см³ ; на 98% .

Задача 3

На сколько процентов уменьшится содержание электронов в 1 см³ в области F₂ морской радиосвязи через 8 ч после захода Солнца, если перед заходом она 3·10⁶ эл/см³ ? Средний коэффициент рекомбинации в этой области ночью равен 3·10^-11 см³/с . Почему в области F₂ концентрация электронов ночью уменьшается медленнее, чем в областях Е или D, хотя содержание ионов и электронов в ней больше, чем в областях Е и D ?

Ответ: на 72% .

Задача 4

Радиоимпульс с частотой 1,27·10⁶ Гц, направленный вертикально вверх днем морской судовой радиоустановкой ионосферной станции, был принят назад через 2·10^-3 с. Определить: высоту слоя ионосферы, от которого отразился радиосигнал; концентрацию электронов в месте отражения; название этой области ионосферы; длину волны радиосигнала, отразившегося от этой области; длины волн, на которых можно осуществлять морскую радиосвязь с помощью этой области; длины волн, на которых можно было бы осуществлять связь с межпланетными космическими кораблями, если бы в ионосфере выше области, от которой отразился радиосигнал, не имелось бы областей с более высокой концентрацией электронов.

Ответ: 300 км; 2·10⁶ эл/см³ ; F₂ ; 23,6 м; >23,6 м; < 23,6 м.

Задача 5

Критические частоты радиоволн морской радиосвязи, отражающихся от области Е, меняются от 4,82·10⁶ Гц днем до 4,48·10⁵ Гц ночью. Как изменяется концентрация электронов в области Е при переходе от дня к ночи?

Ответ: от 3·10⁵ до 2,5·10³ эл/см³.

Задача 6

Область D, хорошо отражая длинные и сверхдлинные радиоволны морской радиосвязи, образует вместе с морской поверхностью сферический волновод, в котором эти радиоволны морской радиосвязи распространяются на большие расстояния около морской поверхности. Определить максимальные частоты и минимальные длины волн морской радиосвязи, которые могут распространяться в этом волноводе, если максимальная концентрация электронов в области D в течение дня колеблется от 5·10² до 5·10³ эл/см³ ?

Ответ: от 2·10⁵ до 6,4·10⁵ Гц ; от 1500 до 470 метров .

Задача 7

В отдельные моменты наблюдалось отражение от ионосферы радиоволн морской радиосвязи весьма различной длины: от 10 км до 10 м (УКВ). Во сколько раз концентрация электронов в области ионосферы, отразившей радиоволны морской радиосвязи длиной 10 м, больше (или меньше), чем в области, отразившей волны длиной 10 км? От каких областей ионосферы возможно отражение радиоволн морской радиосвязи длиной 10 км и 10 м?

Ответ: в 10⁶ раз; 10 км от области D, 10 м от области F₂ или Е_{СПОР .}

Задача 8

Определить максимальную удельную электропроводность области Е ионосферы днем, если критическая частота морской радиосвязи для этой области 4,82·10⁶ Гц, а число столкновений электронов составляет 10⁵ с^-1 . Во сколько раз удельная электропроводность в области Е морской радиосвязи больше, чем у поверхности океана, где она равна в среднем 2,2·10^-12 См/м ?

Ответ: 1,22·10^-6 См/м ; 5,5·10⁷ раз .

Задача 9

Определить критическую частоту морской радиосвязи, соответствующую ей длину радиоволны и удельную электропроводность области F₂ днем, когда электронная концентрация в ней достигает максимального значения 6·10⁶ эл/см³, а число столкновений электронов равно 1,5·10³ с^-1. На каких длинах волн морской радиосвязи осуществляться морская радиосвязь в этой области ионосферы, на каких — связь с космическими кораблями ?

Ответ: 2,2·10⁷ Гц ; 13,6 м ; 1,33·10^-8 См/м ; ≥ 13,6 м ; < 13,6 м .

Задача 10

Дальняя морская радиосвязь между двумя судами осуществляется на частоте 2,3·10⁷ Гц . Угол падения радиосигнала на ионосферу 30⁰ Какой должна быть концентрация электронов в месте отражения радиосигнала? Что произойдет с радиосигналом морской радиосвязи, если концентрация электронов в данном месте окажется меньше или больше найденной?

Ответ: 5·10⁶ эл/см³ .

Задача 11

Энергия, выбрасываемая при солнечных хромосферных вспышках, не превышает 40 кэВ. Определить время нарушения морской радиосвязи.

Ответ: через 15 часов .

Литература:

Зверева С. В. Задачник по общей метеорологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1980 - С.124