于鵬鵬

摘 要：對(duì)流層中大氣的電氣參數(shù)是時(shí)間與空間的函數(shù)，當(dāng)無(wú)線電波通過(guò)對(duì)流層時(shí)，電波的振幅、相位、頻率和其他的波參數(shù)都會(huì)產(chǎn)生起伏變化，使得電波在傳播過(guò)程中傳播方式出現(xiàn)直射波、反射波、折射波和散射波等。

關(guān)鍵詞：對(duì)流層；電波傳播；影響

大氣層的最低層是對(duì)流層，它是從地面向上大約13公里的高空，是氣象條件不斷變化的大氣層，在南北兩極，對(duì)流層約厚9公里，赤道的對(duì)流層可厚達(dá)17公里。在對(duì)流層中，由于地球引力的作用，它集中了整個(gè)大氣層中80%的大氣和90%以上的水汽，我們?nèi)粘Ｒ?jiàn)到的風(fēng)、云、雷電、雨、雪、霧、雹等天氣現(xiàn)象，都發(fā)生在對(duì)流層。對(duì)流層中還分布著很多大小不一的空氣旋渦和云團(tuán)。這些氣象特征及其變化緊密依賴于三個(gè)基本氣象參數(shù)：氣壓（P），溫度（T），濕度（如水汽壓e），這三個(gè)基本氣象參數(shù)的變化是相互制約和相互聯(lián)系的，它們的變化，還會(huì)引起對(duì)流層電氣參數(shù)：大氣的介電常數(shù)εr、折射率n、折射指數(shù)N的變化。

對(duì)流層中大氣的電氣參數(shù)是時(shí)間與空間的函數(shù)，表明對(duì)流層空間不是理想的自由空間，而是充滿不均勻介質(zhì)的隨機(jī)空間。理論分析和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)都表明，當(dāng)無(wú)線電波通過(guò)這種隨機(jī)介質(zhì)傳播時(shí)電波的振幅、相位、頻率和其他的波參數(shù)都會(huì)產(chǎn)生起伏變化。這些起伏變化對(duì)接收電波信號(hào)而言，就是信號(hào)失真、傳輸損耗、各種衰落和干擾噪聲的重要原因。

對(duì)流層對(duì)無(wú)線電波傳播方式的各種影響，使得電波在傳播過(guò)程中傳播方式出現(xiàn)直射波、反射波、折射波和散射波等，如圖1所示。

1 直射

對(duì)于直射波，主要考慮對(duì)流層大氣對(duì)其吸收。吸收是由于大氣成分中的氧、水汽以及由水汽凝結(jié)形成的云霧、雨、雪存在的緣故，致使微波波段無(wú)線電波在傳播過(guò)程中電磁波能量產(chǎn)生損耗。當(dāng)?shù)孛媸艿诫姶挪ǖ淖饔脮r(shí)，地面的導(dǎo)電特性由Q=εr/60σλ判斷，其中εr是地面的相對(duì)介電常數(shù)，σ是地面的電導(dǎo)率，λ是電波的波長(zhǎng)。當(dāng)Q遠(yuǎn)大于1時(shí)，可以認(rèn)為地面是絕緣體，當(dāng)Q遠(yuǎn)小于1時(shí)，可以認(rèn)為地面是良導(dǎo)體。對(duì)各種類型的地面而言，有各自平均的εr值和σ值。當(dāng)工作的電波波長(zhǎng)改變時(shí)，Q值也相應(yīng)改變，即地面呈現(xiàn)出不同的電特性。對(duì)于絕緣介質(zhì)，當(dāng)電波沿其表面?zhèn)鞑r(shí)，表面會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種感應(yīng)電流在地表流動(dòng)變?yōu)闊崮芟臒o(wú)線電波的能量。可見(jiàn)波長(zhǎng)λ越小，則無(wú)線電波的能量消耗越迅速。

2 折射

折射是由于大氣壓強(qiáng)、溫度、濕度均隨高度變化導(dǎo)致大氣對(duì)無(wú)線電波的折射率也隨高度變化，使電波傳播方向發(fā)生彎曲的現(xiàn)象。對(duì)流層的大氣的折射指數(shù)N和折射率n是變化的，因而無(wú)線電波在其中傳播時(shí)，其速度和方向都要發(fā)生變化。無(wú)線電波在大氣中的傳播速度v遵循v=c/n，c真空中光速度。對(duì)流層對(duì)電波的折射能力是由N隨高度h變化的梯度dN/dh決定的，當(dāng)dN/dh=0時(shí)，無(wú)折射，是一種理想情況，可認(rèn)為大氣是均勻的。當(dāng)dN/dh>0時(shí)電波射線逐漸偏離地面向上翹起，稱為負(fù)折射，這種情況比較少見(jiàn)。當(dāng)dN/dh<0電波射線向地面彎曲，稱為正折射，如圖2所示，當(dāng)dN/dh=-40N/千米，稱為標(biāo)準(zhǔn)折射，對(duì)流層為標(biāo)準(zhǔn)大氣層如圖2中的（a）線；當(dāng)dN/dh=-157N/千米時(shí)，電波沿與地面平行方向傳播，稱為臨界折射，如圖2（b）線；當(dāng)dN/dh<-157N/千米時(shí)電波射向下彎曲折回地面，經(jīng)地面反射后再繼續(xù)向前傳播，周而復(fù)始地傳播一段距離，直到dN/dh比-157N/千米大為止，電波這樣傳播和效果相當(dāng)于離地面某一高度的介質(zhì)層與地面表之間形成所謂“大氣波導(dǎo)”一樣。大氣波導(dǎo)現(xiàn)象是在特殊的氣象條件下形成的，電波在大氣波導(dǎo)中傳播損耗比較小，傳播也會(huì)超出視距范圍，這種折射稱為超折射，如圖2的（c）線。

3 反射

反射常常是在大氣中介電常數(shù)的突變層產(chǎn)生。對(duì)流層中，在某些氣象條件下，會(huì)使某一高度范圍內(nèi)大氣的溫度、濕度和氣壓出現(xiàn)明顯的差異，從而產(chǎn)生大氣折射率的突變層，雖然突變層的介電常數(shù)變化數(shù)量級(jí)不大，但相比大氣折射率均勻變化的情況，可以使得以較小的投射角入射的電波產(chǎn)生相當(dāng)強(qiáng)烈的反射，因?yàn)橥蛔儗邮请S氣象條件變化而隨機(jī)出現(xiàn)的，所以這種強(qiáng)烈的反射也是隨機(jī)的。

4 散射

散射主要是由大氣中各種不均勻結(jié)構(gòu)體對(duì)電波的部分能量產(chǎn)生紊亂的反射和折射所造成的。由于對(duì)流層作為電波傳播的介質(zhì)，其中存在不均勻體，當(dāng)無(wú)線電波投射到這些不均勻體上時(shí)，引起其中一些氣體分子中的電荷發(fā)生相對(duì)位移，吸收電磁波能量而產(chǎn)生二次輻射。二次輻射波的波源是不均勻體中的氣體分子，二次輻射波的頻率與投射的無(wú)線電波頻率相同，當(dāng)不均勻體的尺寸較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生向四面八方的亂反射。

參考文獻(xiàn)

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[2]陸春暉，平流層與對(duì)流層相互作用的研究進(jìn)展，氣象科技進(jìn)展，2013。