Ослабление электромагнитных волн в атмосфере

Потеря энергии электромагнитных волн в атмосфере происходит засчет газов, аэрозолей и гидрометеоров.

При ослаблении энергии радиоволн отмечают два фактора:

1) поглощение (переход энергии электромагнитных волн в тепловую);

2) рассеивание радиоволн частицами облаков и осадков.

I. Поглощение в газах тропосферы отличается кислородом и водяным паром, а так же в частицах воды, льда, облаков и осадков. Поглощение носит избирательный резонансный характер; взаимодействуя с дипольными молекулами кислорода и воды, электромагнитные волны формируют вынужденные колебания молекул на определенных частотах.

Молекулы кислорода магнитно взаимодействуют с полем радиоволн, а молекулы водяного пара – электрически, т.е. взаимодействие осуществляется магнитными и электрическими составляющими электромагнитной волны.

Поглощение происходит квантами (порциями), поэтому оно избирательно и различно для разных длин волн.

Количественные данные о поглощении могут быть получены при помощи формул квантовой механики.

Количественные характеристики поглощения и рассеяния частицами облаков и осадков получены в результате решения электродинамической задачи о дифракции радиоволн на отдельных частицах, имеющих форму шара. Для расчета полного ослабления при распространении радиоволн вводится интегральный коэффициент ослабления , который равен сумме ослаблений в газах, облаках и осадках.

(1)

1) ослабление радиоволн в газах на трассе от 0 до r;

2) ослабление радиоволн в облаках без осадков, где r₁-r₂ – протяженность облака;

3) ослабление радиоволн в осадках, где r₃-r₄ – протяженность зоны осадков.

Ослабление в газах – сильное ослабление атмосферой в радиодиапазоне наблюдается кислородом и водяным паром, т.к. длины радиоволн больше размеров соответствующих молекул. В этом случае эффект рассеяния незначительный, и им можно пренебречь.

Основным фактором ослабления является электромагнитных волн.

С понижением температуры растут поглощающие свойства кислорода. При температуре -40⁰C поглощающие свойства кислорода больше на 70-80%, по сравнению с +20⁰C. Аналогично отмечается рост поглощения при падении температуры атмосферы, содержащей водяной пар. При температуре равной -40⁰C ослабляющие свойства водяного пара на 20-40% больше, чем при температуре +20⁰C. Рост удельной влажности приводит к росту поглощения

(2),

где N – концентрация молекул кислорода, T – температура молекул кислорода, – ширина линии поглощения кислорода, - коэффициент ослабления.

Концентрация молекул кислорода примерно равно плотности воздуха:

Ширина линии поглощения определяется эффектами соударения и кинетической энергии. Исходя из кинетической теории газов:

(3)

(4) - коэффициент ослабления кислородом.

Определение ослабления (коэффициента) кислородом на некоторой высоте (H) некоторую функцию , которая зависит от h:

(5)

(6) - коэффициент ослабления кислородом

– коэффициент ослаблений кислородом на высоте H =0, и тогда:

(7),

где – эквивалентная длина поглощения.

 

Лекция №5

– эквивалентная длина поглощения. В случае экспоненциальной высотной зависимости ЭДП совпадает с эффективной высотой кислорода и равна 5,3 км.

Для расчетов коэффициента поглощения водяным паром вне области резонанса используется следующая зависимость:

(8),

где - абсолютная влажность воздуха, p – давление.

Учитывая уменьшение давления и температуры с высотой можно записать, что:

(9),

где – величина, которая называется эффективной высотой слоя водяного пара, а - коэффициент поглощения водяным паром на Земле.

Если мы рассмотри интервал поглощения радиоволн в водяном паре, то:

или (10),

где - эквивалентная длина поглощения водяного пара.

Таким образом, коэффициент поглощения электромагнитной энергии атмосферой вне области резонанса в зависимости от высоты можно определить выражением:

(11)

Потери электромагнитной энергии в газах учитываются удельным коэффициентом поглощения (удельный коэффициент, т.е. на единицу расстояния), который является суммарным ,

где r – протяженность трассы, где распространяется электромагнитная волна, т.е. данное выражение дает суммарный коэффициент ослабления для слоя, протяженностью r.

Принимаемая мощность электромагнитного излучения с учетом ослабления на трассе будет определяться следующим выражением:

,

где - начальная излучаемая мощность источника.

Применительно к радиолокации, когда сигнал радиоизлучения проходит двойное расстояние:

.

– множитель ослабления, который учитывает ослабления электромагнитной энергии в газах.

 

 

 

Как у кислорода, так и у водяного пара наблюдаются области частот, где поглощение велико. Для кислорода при наблюдается ослабление 3 дб/км, а для – 14 дб/км.

Для водяного пара при - 20 дб/км, - 0,2 дб/км.

На длине волны около 3 см (МРЛ-2, МРЛ-5) удельный коэффициент ослабления в кислороде будет определяться следующим выражением дб/км, а для водяного пара дб/км. При водности 7,5 г/м³ коэффициент ослабления дб/км.

II. Ослабление радиоволн гидрометеорами облаков без осадков. Электромагнитные волны, взаимодействуя с гидрометеорами в облаке, испытывают поглощение и рассеяние, при этом соотношение между диаметром частицы d и длиной волны должно быть следующее: – волновое число. Интенсивность поглощения гидрометеорами оценивается с помощью эффективной площади поглощения (ЭПП) – отдельной частицы), и кроме того интенсивность рассеяния оценивается с помощью эффективной площади рассеяния (ЭПР) .

,

где , – мощности, теряемые падающей электромагнитной волной в результате поглощения и рассеяния, П – плотность потока мощности падающей электромагнитной волны. Если мы обозначим s – площадь плоской электромагнитной волны, то ее мощность .

Если электромагнитная волна проходит элементарный участок , где находятся гидрометеоры и эти гидрометеоры находятся в объеме (единичный объем), где N – количество частиц.

Для оценки поглощения и рассеяния на участке можно:

(1.1)

(1.2)

с учетом .

(2.1)

(2.2)

Если мы проинтегрируем (2) по расстоянию от 0 до R, а по мощности от до и , то получим:

(3.1)

(3.2)

Выражение (3) преобразим, перейдя от натурального логарифма к десятичному:

- удельный коэффициент поглощения (к 1 км)

- удельный коэффициент рассеяния (к 1 км)

[дб/км]

[дб/км]

Полное ослабление гидрометеорами включает сумму удельных коэффициентов поглощения и рассеяния:

– эффективная плотность полного ослабления гидрометеорами электромагнитных волн

Если выполняется , то при этих условиях мы можем рассчитать ЭПП и ЭПР:

,

где – мнимая часть комплексного числа, m – комплексный коэффициент преломления, – фазовое состояние гидрометеоров, для воды 0,333-0,112, для льда 9,6*10^-4.

,

где - для воды , для льда .

Для малых частиц, когда , , это говорит о том, что при этих условиях ослабление только засчет поглощения.

Для больших частиц (, .

Для крупных частиц водность облака определяется следующим выражением:

,

где N – количество частиц, - плотность гидрометеоров.

г/м³, редко г/м³.

Для жидких гидрометеоров:

Если см, то , где f(t) – некоторая функция, зависящая от температуры.

Можем оценить, что коэффициент ослабления суммарный (для водного облака):

Для ледяного облака:

,

где q - это удельная влажность.

Если облако без осадков, то суммарный коэффициент ослабления дб/км.

 

Лекция №6