第四章 大氣光學(xué)特性

1、第四章 大氣光學(xué)特性 2 主要內(nèi)容 大氣折射 大氣消光 大氣的反射 3 大氣折射 大氣介質(zhì)的折射率 m(refractive index)： 電磁波信號在真空中傳播速度c和介 質(zhì)中的瞬時傳播速度之比 C m 4 N：折射模數(shù) 6 (1) 10Nm 大氣的折射率m與大氣壓力、溫度和 水汽分壓有關(guān),在光波段還與入射光波長 有關(guān) 5 在無線電波段上（2-10cm），折射率可以 足夠精確地用SmithWeintraub方程來表示： 2 77.6(4810) pe N TT 2 77.60.584 pp N TT 光波（可見光、紅外） （1） （2） 6 在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，折射模數(shù)隨高度 的變化為指數(shù)衰

2、減 82. 9 273 Z eN 8.08 316 Z Ne 光波 無線電波 （3） （4） 7 光的傳播路徑射線 球面分層大氣中射線傳播規(guī)律滿足Snell定律： r1 r2 i1 1 j1 2 i2 j n1 n2 constrrnsin)( 大氣折射率隨高度變化，射線發(fā)生彎曲 8 當(dāng)電磁波傳播距離很短時，可近似認(rèn)為地球 表面為平面，但若電磁波傳播距離較長時，就必 須考慮地球曲率的影響，為了將地球表面處理成 為平面，引入大氣修正折射指數(shù)M（modified refractivity） ZN R Z NM517. 0 0 R0=6.371106m平均地球半徑 Z（單位m）地表以上的高度 （5）

3、 求解N與z的關(guān)系，對（2）、（5）式兩邊對 高度z求導(dǎo) 9 22 77.6962077.6373256 () dNeTPe P dzTTzTzTz 0.157 dMdN dzdz 聯(lián)立上述方程解得： 1.274.50.27 dNTeP dzzzz （6） 在實際大氣環(huán)境中，氣壓通常隨垂直高度增加而減小，大氣折射指數(shù)垂 直梯度的變化主要是由溫度和濕度的垂直梯度所決定。而且，濕度垂直梯度 對大氣折射指數(shù)垂直梯度的貢獻(xiàn)大于溫度梯度對大氣折射指數(shù)垂直梯度的貢 獻(xiàn) 10 11 傳播路徑的曲率K與大氣折射率垂直梯度的關(guān)系為 6 10 1 dz dN R K 傳播路徑半徑R （7） 波射線的傳播區(qū)域區(qū)分

4、一般情況下， 0，它表示光射線彎向地面， 對于標(biāo)準(zhǔn)大氣來說，在光波段， = 0.028 ，在無線電波 段， = 0.04 ，此時，稱為標(biāo)準(zhǔn)折射 當(dāng)大氣為均質(zhì)大氣時， =0，K=0，光線不彎曲，稱為無 折射 當(dāng)光射線彎曲的曲率半徑 等于地球曲率半徑時， = 0.157 ,光射線平行與地面，稱為臨界折射 12 dN dz dN dz dN dz dN dz dN dz 13 根據(jù) 的大小可將空間分為負(fù)折射區(qū)subrefraction 、零折射（也稱無 折射）（nonrefraction）、正折射區(qū) （normal refraction ）、超折射 區(qū)（superrefraction）、臨界折射（c

5、ritical refraction）、過折射區(qū) （陷獲折射）（trapped refraction） dN dz 14 ( (表：大氣折射的基本類型及存在條件表：大氣折射的基本類型及存在條件) ) 陷獲折射與大氣波導(dǎo) 當(dāng) dN/dz -0.157m-1時，大氣呈現(xiàn)過折射（陷 獲折射）條件，此時在大氣中傳播的在一定頻率范 圍內(nèi)的電磁波，將部分地被陷獲在大氣波導(dǎo)層內(nèi)傳 播 15 垂直高度 發(fā)射源 大氣波導(dǎo) 水平距離 大氣波導(dǎo)傳播與大氣波導(dǎo) 大氣波導(dǎo)產(chǎn)生條件 大氣折射指數(shù)垂直梯度或大氣修正折射指數(shù) 垂直梯度與大氣溫、壓、濕垂直梯度相關(guān) 由于大氣波導(dǎo)的存在條件是dM/dz0，式（6） 中 (p/ z

6、)0（逆溫） 且(e/ z) 0，或兩項的綜合貢獻(xiàn)為負(fù)值且數(shù)值 較大時，才可能產(chǎn)生大氣波導(dǎo) 16 大氣波導(dǎo)類型 蒸發(fā)波導(dǎo)、表面波導(dǎo)（也稱接地波導(dǎo)） 和抬升波導(dǎo)（也稱懸空波導(dǎo)） 17 大氣波導(dǎo)的作用 可增加雷達(dá)測距、測角、測速的誤差 可使雷達(dá)實現(xiàn)超視距探測和超視距接收 可使雷達(dá)探測出現(xiàn)大面積盲區(qū) 18 19 大氣消光（atmospheric extinction） 光波在大氣中傳播時，因受氣溶膠和氣體 分子的散射和吸收而減弱的現(xiàn)象，也稱大 氣衰減 衰減規(guī)律：beer定律 20 21 22 23 24 大氣的反射 25 26 地-氣系統(tǒng)的反射率，它包括地面、云和各 種大氣成分對太陽輻射的反射能力及

7、其總 和。這些反射率決定著地-氣系統(tǒng)吸收太陽 輻射的百分?jǐn)?shù)。 物體對太陽輻射的反射能 力，因光線的入射角和波長而不同 27 根據(jù)氣象衛(wèi)星的觀測結(jié)果，整個地-氣系統(tǒng)的反射 率約為30，即約有30的太陽輻射能被反射回 太空，其中三分之二是云反射的，其余部分則被 地面反射和被各種大氣成分所散射(見大氣環(huán)流的 能量平衡和轉(zhuǎn)換) 云的反射率同云型和云層厚度有關(guān)，約在2070 之間 陸面、土壤的性質(zhì)和植被類型不同，也能使反射 率改變，但這些差異一般不超過1020 28 冰和雪的覆蓋狀況能引起反射率顯著變化。例如， 陸地被雪覆蓋或洋面結(jié)冰時，將使其反射率增大 3040，新雪面更可使反射率增大60左右。 原先無雪的地區(qū)如有積雪，則因反射率增大，將 使太陽輻射能量的收入大約減小60。這種影響 隨季節(jié)和緯度而不同，尤其明顯的是，北緯50 以南的地區(qū)，當(dāng)春季出現(xiàn)積雪時，上空平均將減 少大約150卡/（厘米2天）的熱量收入。這樣的 熱量收支變化，將產(chǎn)生明顯的氣候效應(yīng) 29 參考文獻(xiàn)： 周秀驥主編.高等大氣物理學(xué).氣象出版社，1991 戴福山等主編.大氣波導(dǎo)及其軍事應(yīng)用.解放軍出版社，2002 胡曉華;費建芳;張翔;黃小剛.氣象條件對大氣波導(dǎo)的影響，2007 /homepage/courses/372/Fall2007/Lectu