Die Funkkommunikation basiert auf dem Konzept, dass ein auf die Ionosphäre auftreffendes Funksignal reflektiert wird, wenn die Frequenz der Welle mit der Plasmafrequenz übereinstimmt.
Aber was genau passiert? Basiert es darauf, dass die Elektronen in der Ionosphäre die Energie absorbieren und wieder abstrahlen, wenn die Frequenzen übereinstimmen?
Es passiert genau dasselbe wie wenn Licht von einer Metalloberfläche reflektiert wird. In beiden Fällen haben Sie ein Elektronengas, das mit dem Licht interagiert. Im Falle eines Metalls ist es ein dichtes ( fast ) freies Elektronengas , und in der Ionosphäre haben Sie ein sehr verdünntes Elektronengas, das durch Ionisation von Luftmolekülen gebildet wird.
Die einfallende elektromagnetische Welle lässt die Elektronen schwingen, und wenn die Elektronen schwingen, emittieren sie EM-Strahlung. In der Vorwärtsrichtung interferiert die von den Elektronen emittierte induzierte Strahlung destruktiv mit der ankommenden Welle, und in der Rückwärtsrichtung interferiert die von den Elektronen emittierte induzierte Strahlung konstruktiv mit der ankommenden Welle. Das Ergebnis ist, dass die Welle reflektiert wird.
Das dichte Elektronengas in einem Metall interagiert so stark mit der einfallenden EM-Strahlung, dass selbst eine mikrometerdicke Metallschicht effektiv perfekt reflektiert, dh 100 % des einfallenden Lichts reflektiert. Da die Elektronen in der Ionosphäre so verdünnt sind, ist die Reflexion weitaus weniger effizient, obwohl die Ionosphäre natürlich viel mehr als ein Mikron ist und Sie sowieso keine perfekte Reflexion für die Funkübertragung benötigen.
Die Ausbreitung durch die Ionosphäre wird nur in charakteristischen Moden (Wanderwellenlösungen der Maxwell-Gleichungen) unterstützt. Typischerweise gibt es 4 Modi in jeder bestimmten Höhe, die den sich nach oben ausbreitenden O- und X-Modi und den sich nach unten ausbreitenden O und X entsprechen. Ein bisschen wie Licht durch einen Calcitkristall, wenn Sie das jemals gesehen haben. Wenn Sie die Höhe durch eine ionosphärische Schicht erhöhen, nimmt die Elektronendichte im Allgemeinen zu und damit nimmt der Brechungsindex des Mediums in Bezug auf die Radiowelle ab. Bei einer vertikal einfallenden Welle, wenn Sie sich der Plasmafrequenzhöhe nähern, die der Funkwellenfrequenz entspricht, beginnt die Energie signifikanter von den sich nach oben ausbreitenden Moden zu den nach unten gerichteten Moden zu übertragen. Schließlich kann sich die Funkwelle nicht weiter nach oben ausbreiten, da der Brechungsindex eine Wanderwellenlösung der Maxwell-Gleichungen nicht mehr unterstützt, obwohl eine evaneszente Welle weitergeht. Auf molekularer Ebene kann die Welle die Wahlen einfach nicht mit der Wellenfrequenzrate oszillieren, da das dielektrische Medium dies verbietet. Ein Teil der Energie wird auf neutrale Teilchen übertragen, der Rest muss jedoch auf die Abwärtsmoden übertragen werden. Die ionosphärische Reflexion ist eher eine zunehmend intensivere Kopplung zwischen charakteristischen Moden als eine klassische Grenzreflexion. Ein Teil der Energie wird auf neutrale Teilchen übertragen, der Rest muss jedoch auf die Abwärtsmoden übertragen werden. Die ionosphärische Reflexion ist eher eine zunehmend intensivere Kopplung zwischen charakteristischen Moden als eine klassische Grenzreflexion. Ein Teil der Energie wird auf neutrale Teilchen übertragen, der Rest muss jedoch auf die Abwärtsmoden übertragen werden. Die ionosphärische Reflexion ist eher eine zunehmend intensivere Kopplung zwischen charakteristischen Moden als eine klassische Grenzreflexion.
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