07大气气体吸收损耗VIP免费

1第7章大气气体吸收损耗无线电波在地球大气中传播时，除通常的所谓自由空间扩散损耗之外，大气气体的分子还会吸收无线电波的能量，致使到达接收点的无线电信号产生额外的衰减。我们把这种现象称之为大气吸收。这种吸收在频率上是有选择性的，不同的大气气体成份具有不同的吸收和辐射谱线。本章主要讨论氧气和水汽对无线电波能量的吸收与衰减。7.1大气成份组成地球大气的气体通常分为两种类型，一种是在大气中所占百分比例相对稳定的永久性气体，另一种是所占百分比例会随时间和地点发生变化的可变性气体。永久性气体的主要成份有氮、氧、氩，永久性气体占大气总量的99.97%。另外，由于大气不停的运动，永久性气体成份在大气总量中各自所占的比例直到90公里的高度上都保持一致。可变性气体主要有二氧化碳、水汽、臭氧，它们所占比例虽然很低，但并不是不重要。各种气体成份在大气总量中所占的百分比例如表7.1所示[]。表7.1大气气体成份类别气体成份分子量体积百分比,%永久性气体氮,N228.13478.084氧,O231.998820.948氩,Ar39.9480.934氖,Ne20.18318.18×10－4氦,He4.0035.2×10－4氪,Kr83.801.1×10－4氙,Xe131.300.09×10－4氢,H22.0160.5×10－4甲烷,CH417.0342.0×10－4可变性气体二氧化碳，CO244.01320×10－4臭氧，O347.998地面：0～0.07×10－420～30km：1×10－4～3×10－4水汽，H2O18.150～2水汽主要存在于贴近地面的低层大气。水汽所占比例随季节和地区有很大的差别，但其含量一般不会超过大气总量的4％。在海洋和低纬度地区，在夏天，空气中的水汽含量很高；在远离水源的高纬度地区，在干旱沙漠地区，在冬天，大气中的水汽含量就很少。27.2大气吸收的物理过程从量子力学的观点来看，电磁波是由光粒子组成的物质，光子具有固定的能量fhW，其中34106263.6h焦耳·秒，称为普朗克常数，f为电磁波的频率。当电磁波在大气中传播时，大气气体的分子吸收电磁波光子的能量，实现了分子内能能级的向上跃迁，而电磁波则损失了光子及其能量。相反，当气体分子的内能从高能级跃迁到低能级时，气体会向外辐射电磁波。所以，大气气体的吸收和辐射是其能量交换的两个相反过程。而且，事实上，基尔霍夫定律表明，物体的辐射能力等于其吸收能力，所以，可以认为有怎样的辐射能力就有怎样的吸收能力。如图7.1所示，在1000GHz以下频率，主要是大气中的氧气和水汽能够吸收电磁波的能量。而且这种吸收具有明显的频率选择性，氧气在60GHZ和118.75GHz频率具有两条强烈的吸收谱线，而水汽则在22.235GHz、183.310GHz和325.153GHz三个频率上具有强烈的吸收谱线。不同的气体具有不同的辐射和吸收谱线，这是因为不同气体要发生内能能级的跃迁需要不同大小的能量。如果气体能级的跃迁要求较高能量，那末，该气体就能够辐射或吸收较高频率的光子，即较高频率的电磁波；相反，如果气体只需要较低能量就能够发生分子内能能级的跃迁，那末，该气体就只能够发射和吸收较低频率的光子或电磁波。但是，一种气体不仅是在单一的频率上能够辐射和吸收电磁波，它可以有多个辐射和吸收频谱，这是因为，一种气体可以具有多种内能形式，不同的内能形式的能级跃迁要求不同的能量大小，也就是说，气体可以辐射和吸收不同频率的光子和不同频率的电磁波，但是谱线是有限的，谱线的数量取决定分子内能形式的数量和能级跃迁方式的数量。当然，所谓的吸收谱线实际上是个频带，均具有相当的频带宽度，而且谱线的尾翼可以远离谱线的吸收频率。谱线的宽度主要由几个物理过程形成的。一是气体的辐射或吸收光子的过程需要持续一定的时间，如同脉冲辐射的过程，脉冲持续时间越短，则其占用的频谱将越宽，这种物理原因形成的谱线宽度被称为固有宽度。二是所谓的多普勒增宽（热增宽）。我们知道，运动的物体发射电磁波时，会出现所谓的多普勒频移现象，即接收到的频率要偏离发射的原有频率，这种频率偏离正比于分子运动的速度。气体的分子总是处于不停的热运动中，分子可以随机地具有不同的速度，分子的速度服从麦克斯韦分布。所以具有不同速度的分子，其辐射的多普勒频移是不一样的，以致产生谱线的一定增宽。气体分子的运动速度决定于...