Файл: Красюк Н.П. Электродинамика и распространение радиоволн учеб. пособие.pdf

ках тропосферы. В связи с этим множитель ослабления в общем ви­ де может быть записан следующим образом:

полные показатели ослабления на участках радиолинии в «чистой» атмосфере и гидрометеообразованиях.

Ослабление в «чистой» атмосфере и атмосферных образованиях происходит в результате поглощения энергии радиоволн и их рассея­ ния молекулами газов или взвешенными частицами вещества. Поэ­ тому

Ya = Yan + Tap И Ѵд=Ѵдп + Ѵд;. О7-4)

где индекс «п» обозначает поглощение, а индекс «р»— рассеяние радиоволн.

Рассмотрим более подробно ослабление радиоволн в «чистой» тропосфере, являющейся наиболее плотным слоем атмосферы. При­ нято отличать молекулярное поглощение от молекулярного рассея­ ния радиоволн. *

Молекулярное поглощение является результатом расходования энергии распространяющейся волны на нагревание газов, а в слу­ чае волн оптического диапазона, кроме того, на возбуждение атомов и молекул и т. д.

При поглощении энергии радиоволн атомы и молекулы перехо­ дят из состояния с меньшей энергией в состояние с большей энер­ гией. Подобные переходы имеют резонансный характер, что приво­ дит к резонансному или селективному поглощению электромагнит­ ных волн.

Поглощение электромагнитных волн различных диапазонов в тропосфере в основном определяется кислородом, водяным паром, озоном и углекислым газом. Остальные газы, содержащиеся в тро­ посфере, не вносят заметного вклада в поглощение. Кислородом оп­ ределяется основная доля поглощения в длинноволновой части сантиметрового диапазона радиоволн. В коротковолновой части сан­ тиметрового диапазона и во всем миллиметровом диапазоне погло­ щение радиоволн связано также с молекулярным поглощением во­ дяных паров. На рис. 17.1 представлены расчетные зависимости ко­

490

ражена в километрах. Уменьшение же напряженности поля будет определяться множителем jo-0,05^ 7’-

Из рис. 17.1, в частности, видно, что в миллиметровом диапазоне радиоволн между частотами резонансного поглощения имеются

491

участки спектра со сравнительно малыми коэффициентами погло­ щения. Эти участки принято называть «окнами» прозрачности тро­ посферы. Они расположены в окрестности длин волн, указанных в табл. 17.1.

Следует, однако, иметь в виду, что на длинах волн, соответ­ ствующих «окнам» прозрачности, ослабление будет более значи­ тельным, чем ослабление радиоволн сантиметрового и более длин­ новолновых диапазонов. Необходимо отметить, что для кислорода теоретические значения коэффициента поглощения подтверждают­ ся экспериментальными данными, в то время как для паров воды они несколько расходятся с экспериментом. Поэтому эксперимен­ тально определенные значения суммарного коэффициента поглоще­ ния уа.п в 1,54-3 раза больше расчетных величин. Особенно большое отличие наблюдается на частотах резонансного поглощения. Даль­ нейшие исследования должны установить причину указанного не­ соответствия. Кривые рис. 17.1 были рассчитаны для атмосферы на уровне моря при нормальных условиях (летом в средних широтах), а именно: t = 20° С, р —760 мм рт. ст., влажность атмосферы р= = 7,5 г/мг. С высотой, как известно, изменяются температура атмо­ сферы и содержание газов и водяных паров. Поэтому с увеличением высоты над уровнем моря коэффициент поглощения радиоволн уменьшается:

уровне моря соответственно в кислороде и водяном паре, опреде­ ляемые, например, по кривым рис. 17.1.

Выражение (17.5) справедливо для сантиметрового и милли­ метрового диапазонов радиоволн за исключением областей резо­

нанса.

В верхней части инфракрасного диапазона электромагнитных волн (20-4-1000 мкм) поглощение определяется в основном кислоро­ дом и водяными парами. На рис. 17.2 приведена кривая зависимо­ сти коэффициента поглощения для этого диапазона волн [67]. В ди­ апазоне ?.= 104-70 мкм вследствие сильной осцилляции у'а.п пред­ ставлены только огибающие максимумов (пунктирная кривая) и минимумов коэффициента поглощения.

Из рис. 17.2 следует, что в субмиллиметровом Диапазоне «окна» прозрачности располагаются в окрестности длин волн, указанных в табл. \72.

492

Гал^/км

В диапазоне длин волн О-г-20 мкм, кроме кислорода и водяного пара, радиоволны поглощают также озон 0 3 и углекислый газ С 0 2. Зависимость коэффициента поглощения в нормированном виде для этого диапазона волн представлена на рис. 17.3.

По этому рисунку можно установить «окна» прозрачности [68]. По рис. 17.3 можно также определить абсолютные значения коэф­

493

494

цей) во всех направлениях, к плотности мощности падающего пото­ ка энергии:

(17.6)

,ип

где

P s= j‘ l T 0r 2^ 2 .

б

Под 0а понимают отношение мощности Р я, поглощаемой объек­ том, к величине 1ІП:

(17.7)

Величины os, оа и 0o= 0s + 0a связаны с коэффициентом ослабле­ ния следующим соотношением:

N ,

У л ~ Ѵ д . р і - Ѵд. й = 4 , 3 4 3 . ІО 5 2 (Д г + а аі) —

где Ооі[см2\— эффективная площадь ослабления сферической ча­ стицы диаметром (1{ [см]; iV) — число частиц гидрометеоров в 1 см3.

Здесь предполагается, что частицы гидрометеообразований сфе­ рические. Если - ■ 1 С 1, то при отсутствии поглощения (е" = 0)

имеем формулу Релея:

порциональна четвертой степени длины волны. Формула Релея объясняет, почему цвет неба голубой. В самом деле, солнечный бе­ лый свет рассеивается молекулами и атомами воздуха, размеры которых меньше длин волн падающего света. При этом в соответ­ ствии с формулой Релея синие лучи о малой длиной волны рассеи­ ваются почти в 16 раз сильнее, чем более длинноволновые красные

Формулы (17.8) и (17.9) справедливы для сантиметрового диа­ пазона радиоволн в случае слабого дождя, тумана и облаков, ког­ да аг-^0,1 мм. Для капель умеренного и тем более сильного дождя,

снега, града неравенство —■ < 1 не соблюдается в диапазоне сан-

А

495