Файл: Козелкин В.В. Основы инфракрасной техники учебник.pdf

Определяем показатель ослабления среды по формуле (1.53). Поглощением на таких высотах можно пренебречь (а = 0). Счи­ тая и=1,00028 и /V=9-1018 (см. табл. 1.6), найдем

(10-1)4 3-9-1018

т. с. ослабление равно приблизительно 7•10-8 на 1 см пути или 0,007 на 1 км. После прохождения 10-километрового слоя ин­ тенсивности лучистого потока для А,= 1 мкм будет [см. формулу

(1.48)]

Ф = Фое_0'007'10=О,934Ф0,

т. е. примерно 93% от первоначального.

2.Поглощение ИК-излучения газами атмосферы

иводяными парами, туманы и дожди

При прохождении инфракрасного излучения через атмосферу наблюдается избирательное поглощение излучения многоатомны­ ми молекулами газов и водяным паром. Избирательное, т. е. возникающее только при определенных длинах волн, поглощение объясняется тем, что оно происходит на тех волнах, частота ко­ торых является резонансной для молекул атмосферных газов.

Сильнее всего инфракрасное излучение поглощается парами

воды перекрывают полосы поглощения других газов. Как видно из рис. 1.17, полосы поглощения водяных паров соответствуют участкам спектра вблизи длин волн 0,92; 1,13; 1,4; 1,88; 2,7; 3,2 и 6,3 мкм.

Углекислый газ характерен сильным поглощением при дли­ нах волн 2,7, 4,3 и 14,5 мкм. Последняя полоса поглощения ши­ риной 13—17 мкм является наряду со спектром поглощения во­ дяного пара при ?ъ>17 мкм одной из основных причин непроз­ рачности атмосферы для инфракрасного излучения с длиной волны более 14 мкм.

Наиболее сильная линия поглощения озона проходит около 9,6 мкм. Так как процент содержания озона в атмосфере незна­ чителен, его поглощательной способностью молено пренебречь, за исключением послегрозового периода, когда в воздухе резко уве­ личивается содержание озона.

На рис. 1.18 показано общее спектральное пропускание ат­ мосферы с толщиной слоя в 1 морскую милю (1850 м) в обла­ сти длин волн от 0,6 до 15 мкм. Приведенная толщина водяных паров для этого слоя равна 17 мм. На рисунке видны участки относительно хорошей прозрачности для инфракрасного излуче­ ния, так называемые полосы пропускания, или «окна прозрач­ ности»;

34

Инфракрасные лучи с такими длинами волн довольно легко проходят через атмосферу, причем в соответствии с законом Рэлея тем лучше, чем больше длина их волны.

*-кУо

Относительная величина пропускания в окнах прозрачности не является однозначной для всех условий, а зависит от вы­ соты над уровнем моря и содержания в атмосфере водяных па­ ров. С увеличением высоты плотность воздуха и содержание в нем водяных паров уменьшаются, соответственно возрастает прозрачность атмосферы и увеличивается ширина полос пропус­ кания.

Т. Эльдером и Д. Стронгом был предложен приближенный метод расче­ та прозрачности атмосферы внутри спектральных полос пропускания. Для

Таким образом, суммарный коэффициент прозрачности чистой влажной ат­

При значительном замутнении атмосферы, дожде, тумане и т. д. характер поглощения инфракрасного излучения становится более сложным.

В приземных слоях атмосферы всегда имеются во взвешенном состоянии твердые и жидкие частицы, образующие облака, ту­ маны и атмосферные осадки. На этих частицах происходит диф­ ракционное и геометрическое рассеяние инфракрасного излуче­ ния.

Было установлено, что характер и интенсивность дифракци­ онного рассеяния зависят от соотношения между радиусом рас­ сеивающих частиц г и длиной волны падающего излучения Я:

1) в области коротких волн (Я<СО рассеяние зависит не от длины волны, а только от размера частиц;

2) при Х — г рассеяние достигает максимума. Это явление может быть использовано для того, чтобы выяснить, с каким ра­ диусом частицы преобладают в заданной мутной среде. Изме­ рив зависимость коэффициента рассеяния от длины волны д= =/(Я), можно длину волны, для которой рассеяние максималь­ но, считать приблизительно равной радиусу преобладающего числа рассеивающих частиц;

3) при Х>г рассеяние начинает уменьшаться. Приблизитель­ но при Х=2г начинается область рассеяния, подчиняющаяся за­ кону Рэлея л-4.

Если радиус капелек тумана становится более 60 мкм, они выпадают на землю в виде дождя.

Для частиц с г>60 мкм рассеяние коротко- и средневолново­ го инфракрасного излучения (с Я до 12 мкм) уже практически не зависит от длины волны, а зависит только от размера капелек. Может возникнуть вопрос: не будет ли дополнительно сказывать­ ся избирательное поглощение излучения в водяных каплях при дожде? По имеющимся данным количество воды, содержащейся в дождевых каплях при умеренном дожде, намного меньше, чем количество воды, находящейся в атмосфере в виде водяного па­ ра. Даже при ливне в 1 м3 воздуха содержится только около 5 г воды, а водяного пара в насыщенном воздухе при +25° С содер­ жится 25 г. Поэтому избирательное поглощение в каплях воды незначительно по сравнению с избирательным поглощением в водяном паре.

Таким образом, дождь не вызовет заметного увеличения из­ бирательного поглощения в окнах прозрачности. Ослабление ин­ фракрасного и видимого излучений в дожде примерно одинако­ во, т. е. если глаз способен обнаружить в дожде на каком-то рас­ стоянии источник света, несмотря на рассеяние света капельками дождя, то на такое же примерно расстояние будет передавать­ ся соответствующее количество инфракрасной энергии, за ис­ ключением, конечно, участков спектра, соответствующих полосам ■ поглощения.

37

3. Использование ИК-излучения в различных атмосферных условиях

Изложенный в разд. 1—2 материал дает возможность сделать следующие выводы о прохождении инфракрасного излучения сквозь атмосферу.

1. В коротко- п средневолновой областях ИК-спектра могу быть использованы для проникновения сквозь атмосферу толь­ ко те участки спектра, в которых отсутствует избирательное по­

глощение в парах воды п угле­

тем, что по закону Рэлея при малом размере замутняющих атмо­ сферу частиц рассеяние уменьшается пропорционально четвер­ той степени длины волны падающего излучения.

3. В плотном тумане с дальностью видимости менее 300 м коротковолновое ИК-излучение с /1^1,5 мкм полностью погло­ щается, так как в таком тумане капельки воды имеют размеры более 1,5 мкм. Излучение с ?„=4-М2 мкм может в некоторых случаях в тумане увеличивать дальность действия по сравнению с видимыми лучами, если размеры капелек, преобладающих в ту­ мане, меньше длины волны. Плотный туман для средневолновой области ИК-излучения совершенно непрозрачен.

4.При искусственных туманах и дымке, когда радиус частиц не превышает 0,2—1 мкм, используя излучение с %>2 мкм, мож­ но получить почти 20-кратное увеличение дальности действия по сравнению с видимым светом. Однако во многих искусственных туманах размеры частиц увеличиваются с течением времени и прохождение ИК-излучения ухудшается.

5.При дожде, снеге, граде и т. д. для частиц с г>60 мкм ИК-излучение не имеет преимуществ перед видимым, так как в

этом случае рассеяние излучения не зависит от длины волны.

6. С повышением высоты над уровнем моря прозрачность ат­ мосферы для ИК-излучения возрастает (рис. 1.21).

На основании изложенного можно ориентировочно судить об эффективности использования ИК-излучения с различными дли­ нами волн в тех или иных атмосферных условиях.

38