本章内容

2.1无线电波不同传播模式

2.2临界频率(critical frequency)及最大可用频率（maximum usable frequency）本章内容

2.3影响无线电波传播原因

2.4讨论：频率和穿透性问题

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2.1无线电波不同传播模式

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（http://www.ustudy.in/node/5139）

 不同波段的无线电波对离子层有不同反应，所有有不同传播模式，当中有：

1. 地波(ground waves/surface waves)

 地 波的意思就是按地面传播，不经过大气层的。地球表面可导电，但导电性不强，所以波可以沿着地球表面传播，只是过程中会减弱。水的导电性比陆地强，所以地波 可以沿海传播更长距离。历史上曾经有人认为，由于地球曲率，无线电波是不能作远距离传播的（参看4.2 Marconi实验）。

 以地波传播的无线电波频率较低，一般为2 MHz，低频无线电波比高频穿透性强，高频在地面传播时减弱得厉害，所以高频一般用天波(sky wave参看下节)。地波传播距离短，一般只作本地用途。

 在 大气层，频率越高，穿透力越厉害，但在地球上，对于地波而言，频率越高穿透力越低，这里是否有矛盾？那是因为两者的传播机制不一样，地波是以地球作为一个 导体传播。当电磁波在导体里传播时，导体对电磁波有衰减作用，进入导体内部的高频电磁波迅速衰减，因而不能深入导体内部，引起趋肤效应(skin effect)，使导体表面处的电流密度大，导体内部的电流密度小。

而电磁波可以深入导体多远，是和频率成反比的，这个长度叫趋肤深度(skin depth)。具体数学推导，参考电磁学教科书或网页。

因此地球作为一个导体，高频的传播力是没有低频高的。

趋肤深度和电导率(conductivity)及频率成反比。

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另 外，理想导体对电磁波产生反射，不能被穿透。那是因为理想导体没有电阻，而没有电阻就产生不了电压(V=IR)。当没有电压的时候，就没有电场 （dV=Edl）。既然电场不存在，电磁波无法传播/穿透，就会被发射回去。由于金属是理想导体，所以能反射电磁波。也可以这样看，电压差会产生电场，而 电场会产生一个力去推动电流，但当没有电阻时，电流也不需要任何力也能流动，所以就不要电场了。

微波炉的内则用金属也是这个原因，当微波碰到四周的金属墙时，就会反射，如果是其他物料就会穿透过去，不能把食物加热。

 

参考网页

-Propagation in a conductor

http://farside.ph.utexas.edu/teaching/em/lectures/node102.html

-Electromagnetic Waves: Propagation in Conductors

http://einstein1.byu.edu/~masong/emsite/S5Q40/S5Q40.html

-THE EFFECT OF THE EARTH'S ATMOSPHERE ON RADIO WAVES

http://www.tpub.com/neets/book10/40c.htm

 2. 天波（sky waves）

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（http://zone.ni.com/devzone/cda/ph/p/id/37）

天波利用电离层反射（主要为F层），所以频率较高，一般为2MHz 至 30MHz。

当天波到达电离层时，那里的离子会反射天波到地面接收天线。这么一次反射，覆盖的距离可以达4000公里，此传播模式适用于全球通讯。

 2.2临界频率(critical frequency)及最大可用频率（maximum usable frequency）

太高的频率会穿透大气层到宇宙去，不能作通讯之用。在地球上直线发射无线电波上天，能被反射的最高频率称之为“临界频率(critical frequency)”f₀，用电离层观测仪(ionosonde)来测定。f₀的值在白天黑夜会有变化，而在11周年的太阳周期内也会有变化。一般来说，低的时候大概几MHz（太阳宁静），高的时候在十几MHz（太阳活跃）。

 

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N = 每cm³电子密度，f_critical 单位为MHz。

 然而这个频率并不是可用的最高频率，因为当无线电波不是直线发射时，而是有个偏离角度，波经过的大气层较长，较大频率也能被反射，而这个最大可用频率

maximum usable frequency(MUF)：

                        MUF = f_o / cos(i)

 当中i是无线电波发射方向和仰望大气层垂直线之间的夹角（见图）。

由图可以看出，当夹角越大时，MUF就越大，可传播的路程也越长。太阳活跃时，电离层电离得厉害，临界频率增加，MUF随之增加。

 

http://www.deltadx.net/ABCDx/Sections/Propagation.htm

（临界频率）

http://fmn.rrimg.com/fmn060/20111229/0000/b_large_nib8_380000011a82121c.jpg

（最大可用频率）

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频率太低时会被吸收，频率合适时被反射，频率过高就经折射而逃逸了。

2.3影响无线电波传播的原因

日常生活里，手机常常有接收不好的时候，本节看看到底是什么原因。

1.障碍物阻挡导致信号减弱。如下图，当信号经过障碍物时，就会减弱。

http://fmn.rrimg.com/fmn060/20111229/0005/b_large_ayeK_6342000030051261.jpg

 此外，无线电波可以穿透一般建筑材料，例如砖块,石头和钢铁。穿透深度随着材料的特质而改变。

2.由于高楼阻挡而覆盖不了部分地区。如下图，位于屋顶的发射天线，会因为有高楼的阻挡，靠近高楼的位置是没有信号的。

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3.物件反射导致信号减弱。当信号碰到物件时，会有不同程度吸收，所反射出来的信号就会减弱。

 http://fmn.rrfmn.com/fmn058/20111229/0005/b_large_7y5B_0b12000024f61261.jpg

 4.地面阻挡。当信号投射到地面时，收到地面阻挡，从而减弱。

http://fmn.rrimg.com/fmn062/20111229/0005/b_large_ezEV_73b200001e421262.jpg

5.衍射造成减弱。当信号遇到障碍物时，会产生衍射，而衍射出来的信号就比原来的弱。

http://fmn.rrimg.com/fmn056/20111229/0005/b_large_b2a9_57cd0000494e121a.jpg

http://fmn.rrimg.com/fmn063/20111229/0010/b_large_g70N_03b7000085721263.jpg

(小箭头为较弱的衍射信号http://www.astrosurf.com/luxorion/qsl-propa.htm)

http://www.scotland.gov.uk/Publications/2001/09/pan62/pan62-

http://fmn.rrimg.com/fmn063/20111229/0010/b_large_gleV_41fd0000c747121a.jpg

（knife-effect effect:因为遇到尖锐的障碍物，电磁波产生新的波阵面，沿着新方向传播。长波比短波有更好的衍射效果。）

 Radio Waves and Communication

http://scienceaid.co.uk/physics/waves/radio.html

Diffraction

http://www.radartutorial.eu/07.waves/wa08.en.html

 2.4讨论：频率和穿透性的问题

常 听说，频率越高，穿透力约厉害。X射线是高频，能穿透人体，引发癌症。但前文有说，对于无线电波而言，沿着地面传播时，低频比高频穿透力强，其原因已于上 文解释。对于地球大气，高能的不能穿透进来，反而光学红外射电（即无线电波，天文称为“射电”）能够。而这三个波段当中，也并不是越低频的越能穿透大气越 好观测，位于中间的红外是被吸收得最厉害的（红外主要是被水分子/二氧化碳吸收），而太低频的射电波是进入不了大气层的，到底频率和穿透力是怎样的关系？

 对 于红外被水分子/二氧化碳吸收（吸收的主要是近红外，波长0.75（1.64eV）-1.4µm（0.88eV）），那是因为其能量能够引起水分子/二氧 化碳的震动。拿水分子来说，震动有3种模式 --- 对称伸缩(symmetric stretching)，不对称伸缩(asymmetric stretching)，和曲折(bending),而这个震动能是和红外的频率符合。这三种模式震动能分别为0.45 eV, 0.47eV及0.2eV。由于被吸收的红外光子，是可以同时激发几种震动模式的，因此需要的能量是高于个别模式的震动能。

 二氧化碳对红外吸收也是同样原理，具体数据我不查了，有兴趣者自己看参考网页。)

 总结一下，电磁波被吸收，可以是1)电离（电离层），2)离解能（臭氧）及 3)震动能（水分子/二氧化碳对近红外），还有没有第四种方法？欢迎补充。

 另外，一些玻璃是可以吸收紫外线但对可见光透明。木头是对可见光不透明但无线电波透明。所以，不是绝对的频率越高，对任何物质穿透力都越厉害，具体要看物质本身的特性。

 参考网页

-Key points: origin of emission and absorption lines

http://ircamera.as.arizona.edu/NatSci102/NatSci102/lectures/spectroscopy.htm

-Electromagnetic Radiation: Interactions in the Atmosphere

http://www.geo.oregonstate.edu/classes/geo444_544/LECTURES/lecture3.pdf

-http://www.healthknot.com/electromagnetic_spectrum.html

-ionization energies table

http://physics.nist.gov/PhysRefData/IonEnergy/tblNew.html

-Vibrations of Water

http://www.chemtube3d.com/vibrationsH2O.htm

-IR spectroscopy

http://www.reciprocalnet.org/edumodules/symmetry/pointgroups/use.html

-Water Absorption Spectrum

http://www.lsbu.ac.uk/water/vibrat.html

-水分子的振動吸收

http://210.60.224.4/ct/content/1993/00120288/0014.htm

-從水天一色談溫室效應

http://scimonth.blogspot.com/2009/10/blog-post_4652.html ionization energy of water

-Vibrations of Carbon Dioxide

http://www.chemtube3d.com/vibrationsCO2.htm