大氣氣體吸收損耗

1、電波傳播理論7-1第7章大氣氣體吸收損耗基本要求：1.大氣氣體吸收損耗的基本概念；2.大氣吸收衰減率的特點(diǎn)。第7章 大氣氣體吸收損耗1電波傳播理論7-2第7章 大氣氣體吸收損耗7.1 大氣成份組成地球大氣的氣體通常分為兩種類型：永久性氣體在大氣中所占百分比例相對(duì)穩(wěn)定的。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(yùn)動(dòng)，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。可變性氣體所占百分比例會(huì)隨時(shí)間和地點(diǎn)發(fā)生變化?？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。2電波傳播理論7-3第7章 大氣氣體吸收

2、損耗各種氣體成份在大氣總量中所占的百分比例表：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(huì)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(yuǎn)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。 3電波傳播理論7-4第7章 大氣氣體吸收損耗7.2 大氣吸收的物理過程從量子力學(xué)的觀點(diǎn)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 ，其中 ，稱為普朗克常數(shù)， 為電磁波的頻率。當(dāng)電磁波在大氣中傳播時(shí)，大氣氣體的分子吸收電磁波光子的能量，實(shí)現(xiàn)了分子內(nèi)能能級(jí)的向上躍遷，而電磁波則損失了光子及其能量。當(dāng)氣體分子的內(nèi)能從高

3、能級(jí)躍遷到低能級(jí)時(shí)，氣體會(huì)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(gè)相反過程。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(rèn)為有怎樣的輻射能力就有怎樣的吸收能力。4電波傳播理論7-5第7章 大氣氣體吸收損耗1000GHz以下頻率大氣氣體吸收衰減率： 氧氣吸收譜線 60GHZ 118.75GHz 水汽吸收譜線 22.235GHz 183.310GHz 325.153GHz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。 5電波傳播理論7-6第7章 大氣氣體吸收損耗吸收譜線的特點(diǎn)：不同的氣體具有不同的輻射和吸

4、收譜線的，這是因?yàn)椴煌瑲怏w要發(fā)生內(nèi)能能級(jí)的躍遷需要不同大小的能量。氣體分子能級(jí)的躍遷所要求的能量的大小，決定了氣體能夠輻射或吸收的光子的頻率的大小，也就是電磁波頻率的大小。一種氣體可以有多個(gè)輻射和吸收頻譜，這是因?yàn)闅怏w可以具有多種內(nèi)能形式，不同的內(nèi)能形式的能級(jí)躍遷要求不同的能量，因此，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。不同的氣體的譜線是有限的，譜線的數(shù)量取決定分子內(nèi)能形式的數(shù)量和能級(jí)躍遷方式的數(shù)量。吸收譜線實(shí)際上是個(gè)頻帶，均具有相當(dāng)?shù)念l帶寬度，而且譜線的尾翼可以遠(yuǎn)離譜線的吸收頻率。6電波傳播理論7-7第7章 大氣氣體吸收損耗增加譜線寬度的三個(gè)原因（物理過程）：由于氣體的輻射或

5、吸收光子的過程需要持續(xù)一定的時(shí)間，如同脈沖輻射的過程，脈沖持續(xù)時(shí)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。由于運(yùn)動(dòng)的物體發(fā)射電磁波時(shí)，會(huì)出現(xiàn)所謂的多普勒頻移現(xiàn)象，而這種頻率偏離正比于分子運(yùn)動(dòng)的速度。氣體的分子總是處于不停的熱運(yùn)動(dòng)中，可以隨機(jī)地具有不同的速度，因此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，這種增寬被稱為多普勒增寬。多普勒增寬也被稱為熱增寬，因?yàn)闅怏w分子的運(yùn)動(dòng)速度決定于氣體的溫度，溫度越高，分子運(yùn)動(dòng)速度越大，多普勒頻移越嚴(yán)重，譜線也就越寬。多普勒增寬導(dǎo)致的譜線形狀因子是高斯正態(tài)型的，因?yàn)榉肿铀俣确柠溈怂鬼f分布的規(guī)律。7電波傳播理論7-8第

6、7章 大氣氣體吸收損耗三是所謂的碰撞增寬（壓強(qiáng)增寬）。氣體分子總是處于運(yùn)動(dòng)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(huì)擾亂甚至阻止從一種能級(jí)從另一種能級(jí)的躍遷過程，因此躍遷過程的持續(xù)時(shí)間就要被縮短，從而使譜線增寬。壓強(qiáng)越高，分子運(yùn)動(dòng)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(qiáng)的增加而增加，故碰撞增寬又稱為壓強(qiáng)增寬。在遠(yuǎn)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(shì)的，而在譜線的遠(yuǎn)端兩翼，碰撞增寬（壓力增寬）是重要的。實(shí)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(yīng)疊加的總效果。8電波傳播理論7-9第7章 大氣氣體吸收損耗350GHz以下頻率大氣氣體吸收衰減率：對(duì)于350GHz以上頻率，大氣氣體的吸收衰減很嚴(yán)重，則大大地限制了這些頻段的使用。9電波傳播理論7-10第7章 大氣氣體吸收損耗7.3 氧氣吸收氧氣衰減率的譜線參數(shù)（表7.2）：氧氣具有44條，主要的譜線主要集中在60GHz附近。氧氣的吸收損耗率將所有譜線的吸收衰減率線性相加，并考慮亞毫米波頻段和紅外區(qū)域強(qiáng)度極高的那些譜線的影響以及連續(xù)譜的影響。（7.1