7.1. Электрические и метеорологические характеристики атмосферы
Как уже отмечалось, атмосфера состоит из трёх слоёв: тропосферы, стратосферы и ионосферы. Воздух в тропосфере является смесью различных газов. В сухом воздухе содержится 78,4 % азота, 20,94 % кислорода, 0,03 % углекислого газа, 0,93 % аргона. Во влажном воздухе имеется 4 % паров воды. Примесных газов (водород, озон, окись и двуокись азота, окись углерода, инертные газы) менее 0,001 %.
Величины давления, температуры и влажности воздуха в тропосфере называются её основными радиометеорологическими элементами. Они определяют диэлектрическую проницаемость воздуха или его показатель преломления.
В состав воздуха входят неполярные молекулы H2, N2, CH4, CO2 , которые в отсутствие электрического поля не имеют электрического момента, и полярные молекулы H2О, О2, NH3, обладающие постоянным электрическим или магнитным моментами.
При воздействии электромагнитного излучения неполярные молекулы приобретают электрический момент пропорциональный напряжённости электрического поля. Полярные молекулы под воздействием внешнего поля переориентируются в пространстве. На частотах ниже 100 ГГц, при ωτ<<1, где τ – время релаксации молекул, можно получить соотношение
,
(7.1)
где ε – диэлектрическая проницаемость, М – молекулярный вес воздуха, ρ – плотность воздуха, N0 –число Авогадро, α – средняя поляризуемость отдельной молекулы без взаимодействия с другими молекулами, μ – постоянный дипольный момент, k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура.
До частот порядка 80 ГГц показатель преломления воздуха величина действительная (близкая к единице), так как потери энергии отсутствуют. На миллиметровых (ммВ) и субмиллиметровых (сбммВ) волнах, а также в ИК-диапазоне потери энергии в воздухе возрастают, что ограничивает дальность распространения сигналов указанных диапазонов в атмосфере. Показатель преломления в этом случае комплексная величина.
7.1.1. Молекулярное поглощение радиоволн в парах воды и в кислороде
Поглощение энергии электромагнитных волн в атмосфере происходит в основном водяным паром и кислородом. Кислород имеет несколько линий поглощения, обусловленных взаимодействием постоянного магнитного дипольного момента молекулы с электромагнитным полем. Поглощение энергии водяным паром происходит в результате взаимодействия постоянного электрического момента молекул водяного пара с электромагнитным полем.
Полное молекулярное поглощение можно оценить с помощью формулы.
,
(7.2)
где
,
– поглощение в кислороде и парах воды
у земной поверхности;h1
,h2
– характеристические или эффективные
высоты.
Эффективная высота – толщина идеализированной однородной атмосферы, поглощение в которой такое же, как в реальной неоднородной атмосфере. Установлено, что h1 =5 км , h2=2,1 км.
Фактором, ограничивающим дальность распространения лазерного излучения в чистой атмосфере, является его рассеяние на молекулах воздуха, как на частицах. Коэффициент рассеяния в атмосфере определяется по формуле.
(7.3)
где n – показатель преломления воздуха, N – число молекул в единице объёма, δ – фактор, учитывающий деполяризацию рассеянного излучения (δ ~ 0,035).
Легко видеть что коэффициент рассеяния сильно зависит от длины волны, поэтому в ИК диапазоне молекулярное рассеяние пренебрежимо мало по сравнению с рассеянием в видимом диапазоне.
Ослабление излучения лазера на волнах λ=1,06 мкм и λ=0,69 мкм в вертикальном столбе атмосферы составляет соответственно 0,7% и 3,9%, а на волне λ=0,3 мкм уже 70%. Однако, на коротких трассах молекулярное рассеяние можно не учитывать, поскольку оно гораздо меньше других видов потерь лазерного излучения в атмосфере.
Для большинства длин волн лазеров молекулярное поглощение и рассеяние не препятствуют распространению излучения. Суммарный коэффициент ослабления оказывается меньше 1 дБ/км.