07大氣氣體吸收損耗

第7章 大氣氣體吸收損耗無線電波在地球大氣中傳播時，除通常的所謂自由空間擴散損耗之外，大氣氣體的分子還會吸收無線電波的能量，致使到達接收點的無線電信號產(chǎn)生額外的衰減。我們把這種現(xiàn)象稱之為大氣吸收。這種吸收在頻率上是有選擇性的，不同的大氣氣體成份具有不同的吸收和輻射譜線。本章主要討論氧氣和水汽對無線電波能量的吸收與衰減。7.1大氣成份組成地球大氣的氣體通常分為兩種類型，一種是在大氣中所占百分比例相對穩(wěn)定的永久性氣體，另一種是所占百分比例會隨時間和地點發(fā)生變化的可變性氣體。永久性氣體的主要成份有氮、氧、氬，永久性氣體占大氣總量的99.97%。另外，由于大氣不停的運動，永久性氣體成份在大氣總量中各自所占的比例直到90公里的高度上都保持一致?？勺冃詺怏w主要有二氧化碳、水汽、臭氧，它們所占比例雖然很低，但并不是不重要。各種氣體成份在大氣總量中所占的百分比例如表7.1所示［］。表7.1大氣氣體成份類別氣體成份氮,叫氧,。類別氣體成份氮,叫氧,。2氬,Ar永 氖,Ne久性 氦,He氣體 氪,Kr氙,Xe氫,鈦甲烷,CH4可二氧化碳，CO2變性臭氧，O3氣體水汽，H2O分子量體積百分比,%28.178.0843431.920.94898839.90.9344820.118.18x10-4834.005.2x10-4383.81.1x10-40131.0.09x10-4302.010.5x10-4617.02.0x10-43444.0320x10-41地面：0—0.07x10-447.920—30km:1x10-4—983x10-418.10—25水汽主要存在于貼近地面的低層大氣。水汽所占比例隨季節(jié)和地區(qū)有很大的差別，但其含量一般不會超過大氣總量的4％。在海洋和低緯度地區(qū)，在夏天，空氣中的水汽含量很高；在遠離水源的高緯度地區(qū)在干旱沙漠地區(qū)，在冬天，大氣中的水汽含量就很少。7.2大氣吸收的物理過程

從量子力學的觀點來看，電磁波是由光粒子組成的物質(zhì)，光子具有固定的能量 W二hf，其中h=6.6263x10-34焦耳?秒，稱為普朗克常數(shù)，f為電磁波的頻率。當電磁波在大氣中傳播時，大氣氣體的分子吸收電磁波光子的能量，實現(xiàn)了分子內(nèi)能能級的向上躍遷，而電磁波則損失了光子及其能量。相反，當氣體分子的內(nèi)能從高能級躍遷到低能級時，氣體會向外輻射電磁波。所以，大氣氣體的吸收和輻射是其能量交換的兩個相反過程。而且，事實上，基爾霍夫定律表明，物體的輻射能力等于其吸收能力，所以，可以認為有怎樣的輻射能力就有怎樣的吸收能力。mk會，率減衰收吸體氣氣大mk會，率減衰收吸體氣氣大圖7.1大氣氣體吸收衰減率[2]如圖7.1所示，在1000GHz以下頻率，主要是大氣中的氧氣和水汽能夠吸收電磁波的能量。而且這種吸收具有明顯的頻率選擇性，氧氣在60GHZ和118.75GHz頻率具有兩條強烈的吸收譜線，而水汽則在22.235GHz、183.310GHz和325.153GHz三個頻率上具有強烈的吸收譜線。不同的氣體具有不同的輻射和吸收譜線，這是因為不同氣體要發(fā)生內(nèi)能能級的躍遷需要不同大小的能量。如果氣體能級的躍遷要求較高能量，那末，該氣體就能夠輻射或吸收較高頻率的光子，即較高頻率的電磁波；相反，如果氣體只需要較低能量就能夠發(fā)生分子內(nèi)能能級的躍遷，那末，該氣體就只能夠發(fā)射和吸收較低頻率的光子或電磁波。但是，一種氣體不僅是在單一的頻率上能夠輻射和吸收電磁波，它可以有多個輻射和吸收頻譜，這是因為，一種氣體可以具有多種內(nèi)能形式，不同的內(nèi)能形式的能級躍遷要求不同的能量大小，也就是說，氣體可以輻射和吸收不同頻率的光子和不同頻率的電磁波，但是譜線是有限的，譜線的數(shù)量取決定分子內(nèi)能形式的數(shù)量和能級躍遷方式的數(shù)量。當然，所謂的吸收譜線實際上是個頻帶，均具有相當?shù)念l帶寬度，而且譜線的尾翼可以遠離譜線的吸收頻率。譜線的寬度主要由幾個物理過程形成的。一是氣體的輻射或吸收光子的過程需要持續(xù)一定的時間，如同脈沖輻射的過程，脈沖持續(xù)時間越短，則其占用的頻譜將越寬，這種物理原因形成的譜線寬度被稱為固有寬度。二是所謂的多普勒增寬（熱增寬）。我們知道，運動的物體發(fā)射電磁波時，會出現(xiàn)所謂的多普勒頻移現(xiàn)象，即接收到的頻率要偏離發(fā)射的原有頻率，這種頻率偏離正比于分子運動的速度。氣體的分子總是處于不停的熱運動中，分子可以隨機地具有不同的速度，分子的速度服從麥克斯韋分布。所以具有不同速度

的分子，其輻射的多普勒頻移是不一樣的，以致產(chǎn)生譜線的一定增寬。氣體分子的運動速度決定于氣體的溫度，溫度越高，分子運動速度越大，多普勒頻移越寬。從這里我們也可以看到了氣體輻射和吸收頻譜與溫度的關(guān)系，所以這種增寬也被稱為熱增寬。同時從分子速度服從麥克斯韋分布的規(guī)律，我們也可以知道這種增寬的譜線形狀因子是高斯正態(tài)型的。三是所謂的碰撞增寬（壓強增寬）。氣體分子總是處于運動之中，分子與分子或與其它核素之間就有可能發(fā)生相互碰撞，這種碰撞會擾亂甚至阻止從一種能級從另一種能級的躍遷過程，因此躍遷過程的持續(xù)時間就要被縮短，從而使譜線增寬。壓強越高，分子運動的速度就越大，分子自由程（兩次碰撞之間分子走過的路程長度）越小，碰撞的次數(shù)和可能性就越高，所以碰撞增寬隨壓強的增加而增加，故碰撞增寬又稱為壓強增寬。在遠離中心頻率的地方，碰撞增寬頻譜形狀因子的降低比多普勒增寬頻譜形狀因子的降低要慢得多，所以，在譜線附近，固有增寬和多普勒增寬（熱增寬）是占優(yōu)勢的，而在譜線的遠端兩翼，碰撞增寬（壓力增寬）是重要的。實際的氣體分子的輻射和吸收頻譜是多條譜線、多種增寬效應疊加的總效果。圖7.2表明了350GHz以下頻率水汽、干燥空氣和大氣總的吸收損耗率與頻率的關(guān)系。對于350GHz以上頻率，大氣氣體的吸收衰減很嚴重，則大大地限制了這些頻段的使用。mk雪，率減衰收吸體氣氣大mk雪，率減衰收吸體氣氣大圖7.2大氣氣體吸收衰減率[2]7.3氧氣吸收對于lOOOGhz以下頻率，氧氣具有44條主要的譜線，主要集中在60GHz附近，將這些譜線的吸收衰減率線性相加，并考慮到亞毫米波頻段和紅外區(qū)域強度極高的那些譜線的影響以及連續(xù)譜的影響，便可以得到氧氣的吸收損耗率。氧氣的吸收損耗率(dB/km)可以寫為：YO=0.1820fN'(f) (7.1)Ow表7.2氧氣衰減率的譜線參數(shù)[2]aiai030450.47423S0.949.694K.6001.6035J2050.9877492.46E.6948.70C1.4405.52051.5033506.SS7.74489001.1655.32052.021+1014.146.3449.20c0.883j.52052.54259431.026.C049.40c0.5795J2053.36693764105.23497000J525.32053.595749124.704.48410.00c-0.0665.32054.13C03O228.003.B1410.200-0314j.520U.671]59391.SO3.19410.500-0.7065.52055.221367631.632.62+10.79c-1.151j.?1455.783S02953J02.11<>11.100-0.9205.02556.264^7554S500.01516.4€01331-C.06956.3635B9:344.301.66011.44c-0.3964.75056.9682361763JOO1.26011810-0.556丄：J45^.6124542141.030.91512.210-2.41+53.32337723E6.033.62612.66c-2.6552.6S65S.446390:457.033.C8414.49cfiJSU-C.64759.1642072404.030.39113190-6.0321.8?S59.5909B32112.033.2：213.60ct.266-1.41^603060612124.000.21213.820-7.170C.91660.434^762461.030.39112.9705.664-2.523fil.1505602?04.033.62612.4Sc1.731-3.0396],B00]542298.030.91512.0701.73862.411215]933.001.26011.71c-Q.A4B-4.27762.4S62€0:?l~.O30.0S314.65c-4J9CC.23862.997977:?03.031.665113900.134-4.86063.56S518:3S7.032.11511.0800.541-j.0?96+.127767733.502.62010.78c0JS14-5.52564.6789^463.503.19510.5000.415-5.32065.224071274.SO3.S1510.2000.069-5.i2065.7647721S3.034.48?10.00c-0.143-j.5206630209180099.70c-C.428-5.52066.B36S306C3?9.4fl0-0.726-5.32067.3695981S.326.34?9.20c-1.002-5.i2067.9003€7S.017.7458900-1.255-j.5206S.4310053308.6958700-l.iOO-5.32068.96C3111289.6958.60c-1.700-5.3201IS.750543945.033.C0916.300-0.247C.09^36B.49S550679C0.04919.2006CC424.763：24638.033.C4419.160.6CC487.243370235.000.04919.2006cC715.393]5099.600.14518.1006cC773.S396-5671.033.ISO18.100.6cC￡34.1453301EC.030.1斗?18.100.6cC其中，f為頻率，以GHz計；N'o(f)為水汽折射率的虛部:

AfN'(f)=送SF+N"AfN'(f)=送SF+N"(f)O iiOi=1S=ax10-7pP3i i1 i2300p= T紂-[(力-f) Af-5(f；+f)「7.2)7.3)7.4)7.5)N；(f)=fpP2<d=ax10-4pP(o.8-^4)+1.1ePi3 i4S=(a+ai5 i6p)x10-4pP0.87.6)7.7)6.14x10-5+1.4x10-12(—1.2x10-5f1.52卩1.57.8)7.9)d二5.6x-4(p+1.1e%7.9)其中，求和對表7.2所列的44條譜線f進行，S.為譜線的強度，F(xiàn).為譜線的形狀因子，N"(f)為連續(xù)譜i i i w的修正項，d為德拜譜的譜寬度參數(shù)；p為干燥空氣的壓強，以百帕計；e為水汽壓強，以百帕計；T為溫度，以K計。其它參數(shù)a“?a見表7.2所示。i1 i67.4水汽吸收Y=0.1820fN'(f)ww(7.10)N'(f)為水汽折射率的虛部：wN'(f)=送SF+N"(f)w ii wi=1(7.11)Sii1=bx10-ieP3.5explb(1_P)]i1 i2(7.12)300P=T(7.13)F=匸if.i\ Af「十.Af 「f-f)2+(Af)2(f.+f)2+(Af)2(7.14)對于1000Ghz以下頻率，水汽具有30條主要的譜線，將這些譜線的吸收衰減率線性相加，并考慮到亞毫米波頻段和紅外區(qū)域強度極高的那些譜線的影響以及連續(xù)譜的影響，便可以得到水汽的吸收損耗率。水汽的吸收損耗率(dB/km)可以寫為其中，f為頻率，以GHz計;

7.15)7.16)Af=bx10-4^pPb4+be0b6)7.15)7.16)N"wi3 i4 i5 N"w.57eP7.5+0.113e卩3)0-7邙3表7.3水汽衰減率的頻譜參數(shù)[1]bi&2&322.235OS00.10902.14328.110.694.801.0067.8139600.00118.73528.580.694.930.82119.9959410.00078.35629480.704.780.79183.310074-2.30000.66828.130.645300.8?321.225644-0.04646.18123.030.674690.?4325.1529191.5m1.54027^830.6S4.850.74336.1870000.00109.R2926.930.694.740.-51380.19737211.90001.0482S.730.695.3S0.S4390.1345080.00447.35021.520.634810.??437.3466670M375.D5G18.450.604.230.48439.1508120.92103.5M21.000.634.290.?2443.0182950.19405.050IS.600.604.230.?044S.00107510.60001.40526320.664.84際470.8889470.33003.59921.52Q.664.570.-55474.6891271.2m2.38123.55Q.654650.-54488.4911330.25302.3532&.02Q.695.040.72503.5635320.03746.7331612&.613980.43504.4825920.D1256.7331612&.614.010.45556.936002510.00000.15932.100.69+.111.00620.7008075.0MO22D024-380.714680.-58658.0065000.27407.62032.100.694.141.00752.033227250.00000.39630.60&.6S4.090.S4&41.0735930.01308.18015.900.335.760.4?8?9.8650000.13307.98930.60&.6S4.090.84S99.4070000.05507.91729.85&.6S4.530.90902.5550000.03808.43228.650.705.100.9?906.205524-0.1