無線電氣象學(xué)

目錄

[隱藏顯現(xiàn)]

1 研究發(fā)展

2 內(nèi)容

3 相關(guān)學(xué)科

4 參考資料

無線電氣象學(xué)起始于天電的研究。20世紀(jì)20年代，許多歐洲科學(xué)家在廣頻譜范圍內(nèi)對天電進行測量，發(fā)現(xiàn)雷暴、雪暴、塵暴等都有天電現(xiàn)象。天電這方面研究得最詳細的過程是閃電，除此之外，還有雪暴放電、塵暴放電和電暈放電等。有時還把某些人工放電過程也包括在內(nèi)，其中最強的是核爆炸引起的大氣放電。天電的特性由瞬變電磁場的波形或振幅譜來表征，這由放電源的特性和不同頻段電磁波在大氣中的傳播特性兩個因子所決定。

同時，隨著無線電通信的廣泛使用，人們發(fā)現(xiàn)電波在大氣中的傳播過程中有折射、吸收、散射等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象同大氣狀態(tài)、云雨系統(tǒng)、天氣過程等有關(guān)。40年代，在雷達技術(shù)被引入氣象學(xué)之后，使電波在大氣中的傳播與大氣特性的相互關(guān)系的研究更加廣泛。雖然上述折射、吸收和散射等現(xiàn)象所引起的信息，對電波傳播來說是干擾，但對氣象來說，則可用于大氣探測。這方面，在40年代也進行了深入的研究。60年代末，利用大氣微波輻射，從地面和氣象衛(wèi)星上進行大氣遙感，豐富了無線電氣象學(xué)的內(nèi)容。

無線電氣象學(xué)主要包括兩方面：

①基礎(chǔ)理論。主要研究對流層中大氣折射率對電波傳播的影響（見無線電波的空氣折射率、無線電波在對流層中的折射）；大氣中氧和水汽對某些微波波段的吸收所造成的電磁波能量的衰減（見大氣的微波吸收）；云和降水粒子對微波的吸收和散射所造成的能量衰減（見云和降水粒子的微波吸收、云和降水粒子的微波散射）；電磁波在湍流大氣中的傳播過程中所發(fā)生的各種現(xiàn)象和規(guī)律等。

無線電波的空氣折射率
無線電波在真空中的傳播速度與在空氣中傳播速度的比。它等于空氣電容率的平方根，是決定無線電波在低空大氣中傳播狀況的重要參數(shù)，常用n 表示。空氣中氧和氮是中性分子（沒有固有的電偶極距）；水汽是極性分子（存在固有的電偶極距）。上述兩類分子都參與空氣的介電作用。干空氣的介電現(xiàn)象是在電場作用下，由氧和氮分子極化引起的。在無線電波作用下，空氣分子發(fā)生極化，使電波傳播速度比在真空中小。有電場存在時，水汽分子不僅因為極化，而且因其固有的電偶極矩在電場作用下而轉(zhuǎn)動，使電波傳播速度降低。故無線電波在濕空氣中的傳播速度比在干空氣中小。無線電波的空氣折射率與空氣密度和水汽密度成正比。

無線電波折射現(xiàn)象與光波折射現(xiàn)象有相似之處（見大氣折射），但是在大氣中無線電波的折射率及其變化的程度都比光波折射率大，路徑的彎曲程度比光波的嚴(yán)重。無線電波的空氣折射率隨頻率變化是很小的，在頻率小于100吉赫（波長大于3毫米）時，可近似地視為常數(shù)。折射率n的數(shù)值與1(真空折射率)很接近，在地面上只差近于 300×10^-6的一個小量，在高空差值更小。為了使用方便起見，引用折射率差N來表達折射率n 與1的差值，以差值的百萬分之一為單位，稱為N單位，即N＝(n-1)×10⁶。折射率差 N是大氣溫度、壓力和濕度的函數(shù)。即：

式中T為氣溫(K)，p為氣壓(百帕)，e為水汽壓（百帕）。上式用于頻率小于30吉赫（波長大于1厘米）時，誤差小于0.5％。在地面上折射率差N的變化范圍約為260～460，它隨氣溫和濕度變化。在不同高度上，折射率差N隨大氣溫度、壓力、濕度的變化可表示為折射率差N 隨高度z按指數(shù)規(guī)律遞減， 遞減率約為0.1～0.2公里^-1(在國際上常采用地面上的N為315，平均隨高度遞減率為0.136公里^-1)。 由于湍流造成電容率的起伏，使遠程傳輸接收到的信號振幅和位相發(fā)生脈動，按此關(guān)系可探測大氣湍流特性（見電磁波在湍流大氣中的傳播）。

②應(yīng)用。除直接用于改進無線電通信外，還可以運用大氣和云、雨、湍流等對無線電波的吸收、散射、折射的原理，研究和利用主動或被動的微波大氣遙感裝備，探測大氣的溫度、濕度、云、雨要素的分布和大氣湍流狀況，以及分析天氣過程等(見氣象雷達)。由于微波的短波（如毫米波或亞毫米波）技術(shù)的發(fā)展，使這些波段在大氣遙感和通信中的應(yīng)用，有了一定的成效。

無線電波在對流層中的折射

對流層大氣是折射率不均勻的介質(zhì)，電波在對流層大氣中傳播時，由于不同區(qū)段的傳播速度不同，引起電波傳播方向改變，出現(xiàn)電波傳播路徑彎曲的現(xiàn)象。在正常情況下，大氣折射率隨高度變小。

無線電波的傳播路徑有如下幾種類型：①路徑與地面的彎曲同向的為正折射；②路徑與地面的彎曲反向的為負折射；③路徑是直線的為零折射；④路徑的曲率和地面曲率相同的為臨界折射；⑤路徑的曲率大于地球曲率的為超折射，這時，無線電波將折返地面。標(biāo)準(zhǔn)大氣下的折射，稱為標(biāo)準(zhǔn)折射，屬正折射。

在討論電波的長距離傳播時，視大氣層為包圍地球的球?qū)樱姴ㄉ渚€的折射路徑應(yīng)該用球面折射定律來計算(見大氣折射)。也可以用通常的折射定律來計算，但此時的折射率應(yīng)用訂正后的折射模數(shù)M 來代替。地面的M約為300。M和M 的鉛直變化dM/dz都和大氣狀態(tài)有關(guān)，當(dāng)dn／dz<-15.7×10-8米-1或 dM／dz<0時，就發(fā)生超折射現(xiàn)象。例如有逆溫層（氣溫隨高度增加）或水汽隨高度急劇減小時，可以形成超折射。此時電波從上層折回，再被下層反射，似在波導(dǎo)內(nèi)傳播一樣，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的空氣層稱為大氣波導(dǎo)。

大氣波導(dǎo)可在一個薄層內(nèi)使電磁能向遠方傳播，這個薄層在對流層中可以是貼地面的，也可以是懸空的。在一定折射率差 (N)(見無線電波的空氣折射率)鉛直梯度和一定厚度的大氣波導(dǎo)中，只有仰角小于一定值〔稱為穿透角(θ)〕的無線電波才能在大氣波導(dǎo)中傳播，大于該仰角的無線電波將穿透大氣波導(dǎo)。折射率差鉛直梯度愈大，波導(dǎo)層愈厚，則穿透角愈大。同時，在大氣波導(dǎo)中，只有小于一定波長（稱臨界波長）的無線電波才能構(gòu)成波導(dǎo)傳輸，大于該波長的無線電波則不能。大氣波導(dǎo)層愈厚，波導(dǎo)傳輸?shù)呐R界波長愈大。一般大氣波導(dǎo)層的厚度小于20～30米，波導(dǎo)傳輸?shù)呐R界波長在厘米波或分米波的范圍中。

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大科普網(wǎng) http://www.ikepu.com/geography/atmospheric/branch/radiometeorology_total.htm
大唐資料庫網(wǎng) http://info.datang.net/D/D0221.htm
澤澤網(wǎng) http://www.zzgwu.com/wiki/index.php?doc-view-13763