ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.04.2024
Просмотров: 151
Скачиваний: 0
\
§ 3. АТМОСФЕРА И Е Е В Л И Я Н И Е НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ Э Л Е К Т Р О М А Г Н И Т Н Ы Х В О Л Н
Распространение электромагнитных волн при радио- и светодальномерных измерениях расстояний происходит в атмосфере *. По со временным данным атмосфера простирается на 2—3 земных радиуса. Однако около 9/10 массы ее заключено в слое высотой до 16 км и лишь одна миллионная — в слое выше 100 км. По физическим свой ствам атмосфера не однородна и по высоте разделяется на ряд слоев, или сфер (рис. 17).
Для радио геодезических измерений наибольший интерес предста вляет нижний слой атмосферы — тропосфера, верхняя граница кото
|
|
|
|
рой находится на высоте 8—10 |
км в поляр |
|||||||||||
|
|
Энзосарера |
|
ных широтах, 10—12 |
км — в |
умеренных и |
||||||||||
|
|
|
16—18 |
км — в тропиках. В тропосфере со |
||||||||||||
|
|
|
|
|||||||||||||
LUT» |
|
i860 |
средоточено |
более |
4/5 всей |
массы |
атмо |
|||||||||
|
|
|
I |
сферы |
и |
почти |
вся содержащаяся |
в |
ней |
|||||||
|
|
|
влага. Здесь происходит |
образование |
об |
|||||||||||
|
|
|
лаков, ветра и других атмосферных явле |
|||||||||||||
1 Ионосфера |
|
ний, связанных |
с |
погодой, |
|
и осуществ |
||||||||||
|
! |
(термосфера) |
%R- |
ляется |
наибольшее взаимодействие |
с твер |
||||||||||
|
дой и жидкой оболочками Земли; в значи |
|||||||||||||||
I |
|
I |
||||||||||||||
|
тельной |
степени |
состояние |
|
ее |
связано |
||||||||||
|
|
с деятельностью |
Солнца. |
|
|
|
|
|
||||||||
1.2.10'2 |
|
-80 |
Тропосфера |
имеет |
постоянный |
состав |
||||||||||
|
|
|
|
входящих |
в |
нее газов: азота |
— 78% |
(по |
||||||||
|
|
Мезосфера |
|
объему), |
к и с л о р о д а — 2 1 % , |
аргона |
— |
|||||||||
3,1ІГ |
МО |
0,9%, |
углекислого |
|
г а з а — 0 , 0 2 — 0 , 0 4 % . |
|||||||||||
В незначительном |
количестве |
содержатся |
||||||||||||||
|
|
Стратосфера |
||||||||||||||
|
|
|
|
также |
водород, |
неон, |
гелий |
и некоторые |
||||||||
|
|
|
|
другие газы. Кроме того, в |
|
тропосфере |
||||||||||
|
|
|
|
находятся |
в |
жидком |
и |
газообразном |
со |
|||||||
|
|
Рис . 17 |
|
стоянии вода |
(в пределах до 4%), а также |
|||||||||||
|
|
|
|
жидкие и твердые частицы различных |
ве |
ществ. Молекулы газов, составляющих воздух, не имеют дипольного момента, за исключением молекул кислорода и водяного пара.
В земной атмосфере всегда имеются электрические заряды (атмо сферное электричество), величина и распределение которых непре рывно меняются, что вызывает возникновение электромагнитных волн нерегулярного характера. В тропосфере ввиду малой концентрации заряженных частиц они не оказывают заметного влияния на распро странение электромагнитных волн. Электрическая проводимость тропосферы практически равна нулю, поэтому тропосферу считают диэлектриком. Магнитную проницаемость принимают равной еди нице. Диэлектрическая проницаемость тропосферы при средних
* Под атмосферой понимается газовая оболочка, принимающая участие во вращательном движении Земли .
32
условиях |
(давление — 1013 мб *, |
температура — 15° С, давление |
водяных |
паров — 10 мб) составляет |
1,000636'. |
До высоты 90 км газы, составляющие атмосферу, хорошо переме шиваются воздушными потоками, и относительный состав атмосферы в общем сохраняется. Выше этой границы под действием солнечной радиации происходит расщепление молекул кислорода и азота на атомы и наблюдается слоистое распределение газов по высоте в соот ветствии с их атомным весом. Воздействие солнечного и космического излучений вызывает в верхних слоях атмосферы увеличение иониза ции газов и образование ионосферы, содержащей большое количество свободных электрических зарядов (электронов, ионов). Ионосфера обладает диэлектрической проницаемостью, меньшей единицы, а также более высокой электрической проводимостью. Наличие ионо сферы играет существенную роль при распространении радиоволн всех диапазонов на дальние расстояния.
Основными метеорологическими элементами атмосферы, важными с точки зрения распространения электромагнитных волн, являются температура, атмосферное давление и влажность воздуха.
Температура воздуха в тропосфере определяется в основном излучением поверхности Земли, нагреваемой в течение дня Солнцем, и в общем монотонно убывает с высотой. В нижнем слое, наиболее подверженном влиянию земной поверхности,—до высоты 1—1,5 км,—
средний градиент составляет |
3—4 град/км, причем величина этого |
||
градиента весьма неустойчива |
и в зависимости от погоды в дневные |
||
часы может достигать |
10—15 град/км. В среднем слое |
тропосферы |
|
на высоте от 1,5 до |
5—6 км |
температурный градиент |
составляет |
всреднем 5—6 град/км, а в верхнем слое достигает 6,5—7,5 град/км. В последних двух слоях температурный градиент довольно устойчив
втечение года.
Выше тропосферы, на высотах |
15—25 км температура |
воздуха |
остается постоянной, около 220° К |
(—53° С). Далее, до высот 50—• |
|
60 км, температура повышается, а |
затем снова происходит |
пониже |
ние температуры (до высоты около 80 км). Выше под действием сол нечного излучения температура воздуха плавно возрастает, достигая на. высоте 500—600 км значения 2000—3000° К. В табл. 3 приведено распределение температуры воздуха по высоте до 16 км для стандарт ной атмосферы (см. ниже).
Неравномерное нагревание поверхности земли в зависимости от положения Солнца, рельефа, почвенно-растительного покрова, влажности приводит к неравномерному нагреванию воздуха, вер тикальным и горизонтальным перемещениям воздушных масс, воз никновению температурных инверсий**, а также к хаотическим, вихревым перемещениям масс воздуха различных размеров. Вихревые
* |
1 миллибар равен 10"3 бара и соответствует давлению |
10"3 дин на 1 см 2 , |
||
или |
0,7501 |
мм ртутного |
столба. |
|
** |
Температурная инверсия — повышение температуры |
с высотой, вместо |
||
обычного, |
свойственного |
тропосфере, понижения . |
|
3 Заказ 129 |
33 |
процессы, обусловленные турбулентностью атмосферы, приводят к непрерывным, короткопериодическим случайным колебаниям тем пературы (флуктуациям), достигающим при неблагоприятных усло виях 1°С. Непостоянство температуры наблюдается в тропосфере не только по высоте, но также в различных точках на одних высотах. Над однородной подстилающей поверхностью различие температур на расстоянии даже в несколько десятков километров не превышает обычно 1°, за исключением времени восхода и захода Солнца, когда возможны расхождения до 5° С. При различных подстилающих по
верхностях |
и в особенности при переходе от суши к морю |
различия |
||
температур |
могут |
достигать |
10° С. Разность температур |
на высоте |
до 2 м над чистой |
пашней |
и пашней, покрытой растительностью, |
может доходить до 3,5° С. В горных районах в ночное время наблю далась разность температур на одной и той же высоте над вершинами
и |
над долинами |
до' 17° С. Различие температур воздуха в городе |
и |
окружающей |
местности в ночное время может превышать 5° С. |
Наиболее резкие |
изменения температуры и наибольшее постоянство |
температурного градиента имеют место в нижнем слое атмосферы высотой до 100 м, т. е. в слое, где чаще всего производятся геодези ческие измерения.
При радиогеодезических измерениях температура воздуха опреде ляется по сухому термометру аспирационного психрометра в граду сах Цельсия (t° С). Абсолютная температура получается из соотно шения Т = 273,16 -|- t°. Температуру отсчитывают с точностью до 0,1°. Однако вследствие флуктуации температуры, составляющих 0,2—0,4° (в среднем), а также инерционности термометра, достига ющей 30 с, действительная ошибка измерения температуры на стан ции составляет в среднем 0,3—0,4° и может доходить до 1,0°.
Атмосферное давление р измеряется в миллибарах или миллимет
рах ртутного столба, |
определяется плотностью N атмосферы и свя |
|
зано с ней формулой |
|
|
|
N = W> |
< 3 3 ) |
где к = 1,38- Ю - 2 3 ДжАЙГ — постоянная Больцмана, а Т — абсолют ная температура. Атмосферное давление убывает с высотой по экспо ненциальному закону. Вблизи уровня моря градиент давления {барометрически ступень) составляет около 12,5 мб на 100 м. Атмо сферное давление подвержено колебаниям как сезонным, так и свя занным с общим изменением состояния атмосферы. В общем поле давления атмосферы можно рассматривать как равномерное и одно родное: — поверхности равного давления (изобарические поверх ности) располагаются практически горизонтально, а флуктуации его обычно не превышают 0,1 мб. При радиогеодезических измерениях давление определяют с помощью барометров-анероидов с ошибкой 0,3—0,5 мм рт. ст.
Зависимость давления от высоты наиболее полно выражается барометрической формулой Лапласа
34
Н2-Н, = 18400 lg ü ( 1 + 0,003660 х
|
|
Рг |
|
X [ l +0,378 (1 )J |
|
(1 + 0,0026 cos 2ф) x |
|
x ( l + 3 , 1 |
4 |
- 1 0 - 7 Я т ) , |
(34) |
где Px и p2 — давление воздуха на |
высотах Нг и Н2; tm, Нт и |
— |
средние величины температуры, высоты и отношения упругости водя ного .пара к давлению; ф — географическая широта. Часто поль зуются упрощенной барометрической формулой
Я 4 —#_ = 18 4001g^-(l -f- 0,00366<ш), |
(35) |
в которой не учитывается влияние влажности и изменения ускорения силы тяжести в зависимости от широты и высоты точки, т. е. послед ние три множителя в формуле (34).
В табл. 3 приведены значения давления для стандартной атмо сферы при влажности воздуха, равной нулю.
|
|
|
Т а б л и ц а 3 |
Высота, км |
Температура, |
Давление, |
Упругость водя |
°С |
мб |
ного пара, мб |
|
0 |
15 |
1013 |
10,0 |
2 |
2 |
795 |
4,6 |
4 |
— И |
616 |
1,5 |
6 |
- 2 4 |
472 |
0,3 |
8 |
- 3 7 |
356 |
0,05 |
10 |
—50 |
264 |
0,005 |
12 |
—56,5 |
1Р4 |
— |
14 |
-56,5 |
141 |
— |
16 |
—56.5 |
103 |
— |
Влажность воздуха характеризует содержание в нем водяного пара. Различают удельную влажность q (количество пара в граммах на 1 кг влажного воздуха) и упругость водяного пара еили парциаль ное давление — давление, которое имел бы пар, если бы только он занимал данный объем. Упругость водяного пара выражают в тех же единицах, что и атмосферное давление (в миллибарах или миллимет рах ртутного столба). Каждой температуре соответствует некоторая наибольшая упругость водяного пара Е, которую называют упруго стью насыщенного пара. Иногда влажность воздуха характеризуют относительной влажностью г, равной отношению (в процентах) упругости пара в воздухе к упругости насыщенного пара при той же температуре. Указанные характеристики связаны следующими соот ношениями:
рg |
_ Er |
|
622 + 0,378. |
100' |
( ' |
где р — давление атмосферы.
3* |
35 |
Распределение влажности в тропосфере зависит о т температурных условий и перемещения воздушных масс, от процессов конденсации и испарения в атмосфере и о т выпадения осадков. Как правило, большая влажность наблюдается в местах интенсивного испарения. Так, разность упругости водяного пара над орошаемыми участками и над сухими, на высоте 2—3 м над землей, наблюдалась до 4 мм рт. ст. Вблизи склонов гор влажность воздуха на 2,5 мм рт. ст. больше, чем в свободной атмосфере на той же высоте. Различия влажности особенно заметны в нижних слоях тропосферы, на высотах до 100 м.
Упругость водяного пара убывает с высотой в общем по экспо ненциальному закону, причем значительно быстрее атмосферного давления. Зависимость упругости водяного пара от разности высот может быть представлена эмпирической формулой
г2 = е і . Ю - ° ' 0 8 1 9 ' 1 - 0 ' 0 1 4 6 ' 1 \ |
(37) |
где h — разность высот в километрах. В последнем столбце табл. 3 приведена упругость водяного пара, полученная по формуле (37).
Влажность воздуха обычно определяют аспирационным психро метром по отсчетам сухого и смоченного термометров. Если tc и tR — показания этих термометров, то влажность (парциальное давление) находят по формуле
где Е — упругость насыщенного пара при температуре tB, р — давле ние воздуха. При точности отсчета температуры по сухому и смочен ному термометрам, равной 0,1°, с учетом источников других ошибок ошибка определения упругости водяного пара составляет около 0,5мб.
При различных расчетах иногда пользуются стандартной атмо сферой, соответствующей некоторому среднему состоянию реальной атмосферы. Для такой атмосферы принимают на уровне моря давле ние 1013,2 мб (760 мм рт. ст.) и температуру 15° С (288° К). Влажность
стандартной атмосферы принимают равной нулю. До высоты |
11 км |
||||||||
давление и температура воздуха в такой атмосфере |
находятся по |
||||||||
формулам |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
р = 1013,2 ( l _ |
| j | |
) 5 ' 2 6 |
; |
|
(39) |
|
|
|
|
*' = 15 - 6 , 5 Я К М . |
|
|
|
|||
Выше |
11 км |
температуру |
считают |
постоянной, |
равной |
минус |
|||
56,5°, |
а |
давление |
определяется по |
формуле |
|
|
|
||
|
|
|
j9 = 226-10^ |
1 4 ' 6 |
' |
|
|
(40) |
|
И з |
изложенного следует, |
что тропосферу |
можно |
рассматривать |
как неоднородную диэлектрическую среду, характеризующуюся сложной структурой, постоянно изменяющуюся в пространстве и вре мени. При этом на сравнительно медленные изменения тропосферы,
36