7.1.2. Влияние аэрозолей, дымки, туманов и облаков на ослабление коротковолнового и оптического излучения
Пыль, содержащаяся в атмосфере, с концентрацией 10… 1000 част / см3 и размерами 0,5… 500 мкм не оказывает заметного влияния на распространение радиоволн и света в воздухе, за исключением областей с песчаными облаками и бурями или задымлением.
В воздухе имеются так называемые гидрометеоры (дымки, туманы, облака), образующиеся в результате конденсации и сублимации водяного пара, отличающиеся друг от друга размерами капель воды и концентрацией водяных паров. В дымках размер капель менее 1 мкм, в тумане – 10…100 мкм, в облаках дождевого типа 100…200 мкм.
Толщина слоя туманов составляет 200…300 м по высоте. Показатель преломления капель тумана является комплексной величиной, однако ослабление радиоизлучения составляет не больше десятых долей дБ/км (при λ > 1 см). В ИК и видимом диапазонах туманы вызывают существенное ослабление излучения.
Осадки. Капли дождя рассеивают радиоизлучение, кроме того имеются тепловые потери в них, это приводит к возникновению помех приёму сигналов. Ослабление радиоволн и света в снежных сухих гидрометеорах меньше, чем в дожде. Сильное поглощение вызывает мокрый снег.
Для характеристики рассеивающих и поглощающих свойств мороси, тумана, облаков вводится метеорологическая дальность видимости Sμ – расстояние, на котором человеческий глаз различает чёрный диск с угловым размером в 20' на фоне неба вблизи горизонта:
,
(7.4)
где α – коэффициент ослабления света, 3,91= ln t , t – порог контрастной чувствительности глаза. Строят количественную статистику появления дымки, мороси, тумана, дождя и снегопада, в зависимости от величины Sμ.
Теоретические и экспериментальные исследования ослабления излучения в туманах и облаках показывают, что на коротких сантиметровых и миллиметровых волнах ослабление в них в 5-10 раз меньше, чем в дожде. В видимом (ВД) и ИК диапазонах наблюдается максимальное ослабление. Оценку ослабления можно выполнить по приближённой формуле Релея.
,
(7.5)
где
Im
–
модифицированная функция Бесселя,
,
m = n–j η – показатель преломления, а –радиус капель тумана.
Рис.7.2. Зависимость ослабления в туманах и дождях
Результаты расчётов, проведённых с использованием этой формулы близки к экспериментальным. На сантиметровых и миллиметровых волнах оценка ослабления в облаках слоистого и кучевого типа может быть сделана по эмпирическим формулам М.А.Колосова.
дБ/км
на волне 3,2 см,
дБ/км
на волне 6,8 см,
где q – водность в г/м3.
Приведённые на рис. 7.3, 7.4 данные показывают, что ослабление в туманах и облаках на сантиметровых и миллиметровых волнах невелико и не превышает 3…4 дБ/км.
7.1.3. Ослабление энергии радио и оптического излучения в гидрометеорах
Гидрометеором называется смесь молекул воздуха с твёрдыми и жидкими частицами воды различного размера. Наряду с молекулярным поглощением гидрометеоры создают ослабление радио- и оптического излучения. Наибольший вклад в ослабление вносят дождь и мокрый снег и в меньшей мере – облака и туманы. Величина ослабления в дожде определяется по формуле (7.6)
(7.6)
где
(7.7)
f(a) – функция распределения частиц по размерам,
–коэффициент
ослабления отдельной капли,
где
а
– радиус
капли, m
= n–j
η
– комплексный
показатель преломления капли.
Результаты экспериментальных и теоретических исследований частотной зависимости ослабления в видимом и ИК диапазонах волн в различных гидрометеорах приведены на рис.7.5.
В видимом и ИК диапазонах волн наиболее интенсивное ослабление наблюдается в туманах и облаках. С ростом длины волны ослабление уменьшается. Молекулярное поглощение (пунктирная кривая), обусловленное газами атмосферы возрастает с ростом волны. Для оперативных оценок ослабления в видимом диапазоне волн можно использовать эмпирические формулы
для
дождя
для
тумана
Рис.7.3. Зависимость коэффициентов ослабления излучения
миллиметрового и сантиметрового диапазонов в туманах
от метеорологической дальности видимости и водности
для
облаков малой интенсивности
ЗдесьI
- интенсивность дождя, q
– водность тумана или облака.
Согласно рис.7.5 ослабление в снеге медленно возрастает с ростом длины волны, при этом ослабление в снеге больше, чем в граде и дожде и не превышает 30 дБ/км, что значительно меньше, чем в тумане. Отметим, что ослабление в туманах и облаках на миллиметровых и сантиметровых волнах составляло 3-4 дБ/км, т.е. значительно меньше, чем в видимом и ИК диапазонах
Рис.7.4. Зависимость коэффициентов ослабления в облаках от длины волны на разных высотах