第四章 大氣光學特性

1、第四章 大氣光學特性 2 主要內容 大氣折射 大氣消光 大氣的反射 3 大氣折射 大氣介質的折射率 m(refractive index)： 電磁波信號在真空中傳播速度c和介 質中的瞬時傳播速度之比 C m 4 N：折射模數 6 (1) 10Nm 大氣的折射率m與大氣壓力、溫度和 水汽分壓有關,在光波段還與入射光波長 有關 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 在標準大氣條件下，折射模數隨高度 的變化為指數衰

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 當電磁波傳播距離很短時，可近似認為地球 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的關系，對（2）、（5）式兩邊對 高度z求導 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 對大氣折射指數垂直梯度的貢獻大于溫度梯度對大氣折射指數垂直梯度的貢 獻 10 11 傳播路徑的曲率K與大氣折射率垂直梯度的關系為 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， 對于標準大氣來說，在光波段， = 0.028 ，在無線電波 段， = 0.04 ，此時，稱為標準折射 當大氣為均質大氣時， =0，K=0，光線不彎曲，稱為無 折射 當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 的大小可將空間分為負折射區(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 當 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 圍內的電磁波，將部分地被陷獲在大氣波導層內傳 播 15 垂直高度 發(fā)射源 大氣波導 水平距離 大氣波導傳播與大氣波導 大氣波導產生條件 大氣折射指數垂直梯度或大氣修正折射指數 垂直梯度與大氣溫、壓、濕垂直梯度相關 由于大氣波導的存在條件是dM/dz0，式（6） 中 (p/ z

6、)0（逆溫） 且(e/ z) 0，或兩項的綜合貢獻為負值且數值 較大時，才可能產生大氣波導 16 大氣波導類型 蒸發(fā)波導、表面波導（也稱接地波導） 和抬升波導（也稱懸空波導） 17 大氣波導的作用 可增加雷達測距、測角、測速的誤差 可使雷達實現(xiàn)超視距探測和超視距接收 可使雷達探測出現(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 輻射的百分數。 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 根據氣象衛(wèi)星的觀測結果，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 能量平衡和轉換) 云的反射率同云型和云層厚度有關，約在2070 之間 陸面、土壤的性質和植被類型不同，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，將產生明顯的氣候效應 29 參考文獻： 周秀驥主編.高等大氣物理學.氣象出版社，1991 戴福山等主編.大氣波導及其軍事應用.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的影響，2007 /homepage/courses/372/Fall2007/Lectu