第四章 大气光学特性.ppt

第四章 大气光学特性 * 主要内容 大气折射 大气消光 大气的反射 * 大气折射 大气介质的折射率 m(refractive index)： 电磁波信号在真空中传播速度c和介质中的瞬时传播速度ν之比 * N：折射模数 大气的折射率m与大气压力、温度和水汽分压有关,在光波段还与入射光波长有关 * 在无线电波段上（2-10cm），折射率可以足够精确地用Smith—Weintraub方程来表示： 光波（可见光、红外） （1） （2） * 在标准大气条件下，折射模数随高度的变化为指数衰减 光波 无线电波 （3） （4） * 光的传播路径－射线 球面分层大气中射线传播规律满足Snell定律： r1 r2 i1 θ1 j1 θ2 i2 j θ n1 n2 大气折射率随高度变化，射线发生弯曲 * 当电磁波传播距离很短时，可近似认为地球表面为平面，但若电磁波传播距离较长时，就必须考虑地球曲率的影响，为了将地球表面处理成为平面，引入大气修正折射指数M（modified refractivity） R0=6.371×106m——平均地球半径 Z（单位m）——地表以上的高度 （5） 求解N与z的关系，对（2）、（5）式两边对高度z求导 * 联立上述方程解得： （6） 在实际大气环境中，气压通常随垂直高度增加而减小，大气折射指数垂直梯度的变化主要是由温度和湿度的垂直梯度所决定。而且，湿度垂直梯度对大气折射指数垂直梯度的贡献大于温度梯度对大气折射指数垂直梯度的贡献 * * 传播路径的曲率K与大气折射率垂直梯度的关系为 传播路径半径R （7） 波射线的传播区域区分 一般情况下， 0，所以K0，它表示光射线弯向地面，对于标准大气来说，在光波段， = 0.028 ，在无线电波段， = 0.04 ，此时，称为标准折射 当大气为均质大气时， =0，K=0，光线不弯曲，称为无折射 当光射线弯曲的曲率半径 等于地球曲率半径时， = 0.157 ,光射线平行与地面，称为临界折射 * * 根据 的大小可将空间分为负折射区subrefraction 、零折射（也称无折射）（nonrefraction）、正折射区 （normal refraction ）、超折射区（superrefraction）、临界折射（critical refraction）、过折射区（陷获折射）（trapped refraction） * (表：大气折射的基本类型及存在条件) 陷获折射与大气波导 当 dN/dz -0.157m-1时，大气呈现过折射（陷获折射）条件，此时在大气中传播的在一定频率范围内的电磁波，将部分地被陷获在大气波导层内传播 * 垂直高度 发射源 大气波导 水平距离 大气波导传播与大气波导 大气波导产生条件 大气折射指数垂直梯度或大气修正折射指数垂直梯度与大气温、压、湿垂直梯度相关 由于大气波导的存在条件是dM/dz0，式（6）中 (?p/ ?z)0为负值，所以当 (?T/ ?z) 0（逆温）且(?e/ ?z) 0，或两项的综合贡献为负值且数值较大时，才可能产生大气波导 * 大气波导类型 蒸发波导、表面波导（也称接地波导）和抬升波导（也称悬空波导） * 大气波导的作用 可增加雷达测距、测角、测速的误差 可使雷达实现超视距探测和超视距接收 可使雷达探测出现大面积盲区 * * 大气消光（atmospheric extinction） 光波在大气中传播时，因受气溶胶和气体分子的散射和吸收而减弱的现象，也称大气衰减 衰减规律：beer定律 * * * * * 大气的反射 * * 地-气系统的反射率，它包括地面、云和各种大气成分对太阳辐射的反射能力及其总和。这些反射率决定着地-气系统吸收太阳辐射的百分数。 物体对太阳辐射的反射能力，因光线的入射角和波长而不同　　 * 根据气象卫星的观测结果，整个地-气系统的反射率约为30％，即约有30％的太阳辐射能被反射回太空，其中三分之二是云反射的，其余部分则被地面反射和被各种大气成分所散射(见大气环流的能量平衡和转换) 云的反射率同云型和云层厚度有关，约在20～70％之间 陆面、土壤的性质和植被类型不同，也能使反射率改变，但这些差异一般不超过10～20％  * 冰和雪的覆盖状况能引起反射率显著变化。例如，陆地被雪覆盖或洋面结冰时，将使其反射率增大30～40％，新雪面更可使反射率增大60％左右。原先无雪的地区如有积雪，则因反射率增大，将使太阳辐射能量的收入大约减小60％。这种影响随季