§ 9.2. Ослабление оптических и инфракрасных волн в атмосфере

Полное ослабление света в атмосфере обусловлено несколькими факторами. Различают ослабление света в атмосфере, свободной от облаков и тумана, и ослабление света в тумане.

Первый вид ослабления складывается из рассеяния света на молекулах газа и водяного пара и селективного поглощения. Мощность, которую несут световые и инфракрасные волны, прошедшие в атмосфере некоторое расстояние r, вычисляется аналогично мощности радиоволны:

где Г - суммарный коэффициент поглощения:

Здесь Г_г и Г_п - коэффициенты ослабления за счет рассеяния на молекулах газа и пара; Г_сел - коэффициент селективного поглощения; Г_т - коэффициент затухания в тумане.

Селективное поглощение в газах и водяных парах атмосферы

Молекулы газов и водяных паров обладают электронной, колебательной и вращательной энергиями. При излучении или поглощении кванта электромагнитных колебаний определенной частоты скачком изменяются уровни этих энергий. Поглощение такого рода, наблюдаемое в узкой полосе частот, называется селективным поглощением. Полосу частот, в которой происходит поглощение, называют линией поглощения.

Селективное поглощение особенно характерно для ИК диапазона. На рис. 9.1, а и б показано распределение поглощения энергии нормального солнечного спектра атмосферными газами, измеренное для диапазона волн 0,1÷100 мкм у поверхности Земли и на высоте 11 км над Землей. На рисунке указаны газы, обусловливающие поглощение на отдельных участках спектра.

Рис. 9.1. Распределение поглощения энергии нормального солнечного спектра атмосферными газами: а - поглощение солнечного излучения, достигающего поверхности Земли; б - поглощение солнечного излучения, достигающего высоты 11 км

В видимой части спектра на волнах 0,44÷0,76 мкм поглощение незначительное, при длине волны 0,76 мкм наблюдается поглощение в кислороде. Участки сильного поглощения парами имеются вблизи волн длиной 0,94; 1,10; 1,38; 1,87 мкм, в интервалах длин волн 2,6÷3,3; 5,5÷7,5 мкм.

Поглощающее действие оказывают углекислый газ (на волнах 2,7; 4,3; 12÷20 мкм) и озон (на волнах 4,7 и 9,6 мкм). Слабое поглощение вызывают метан, закись азота, окись углерода. Основное поглощающее действие оказывает водяной пар, поскольку его содержание намного превышает содержание углекислого газа и озона. Прозрачность атмосферы для инфракрасных лучей сильно зависит от влажности атмосферы.

Измерения показали, что сравнительно хорошей прозрачностью для инфракрасных волн атмосфера обладает на следующих диапазонах [16, 17]: 0,95÷1,05; 1,2÷1,3; 1,5÷1,8; 2,1÷2,4; 3,3÷4,0; 8,0÷11,0 мкм. В указанных пределах поглощением можно пренебречь, тогда как на промежуточных волнах и волнах длиннее 13 мкм происходит практически полное поглощение.

Расстояние оптических и инфракрасных волн на молекулах газа и воды

Световые и ИК волны, падая на молекулы и атомы газа, приводят их в колебательное и вращательное движение. Поскольку размеры молекул малы по сравнению с длиной волны, они переизлучают энергию как элементарные излучатели. Благодаря тепловому движению молекул нет фазовой зависимости между вторичным излучением отдельных молекул. Поэтому, хотя расстояние между молекулами вблизи поверхности Земли мало по сравнению с длиной волны, молекулы можно рассматривать как независимые излучатели и считать, что излучение от всех молекул пропорционально числу рассеивающих частиц. Явление рассеяния приводит к ослаблению мощности, передаваемой в заданном направлении.

Коэффициент ослабления за счет рассеяния волн определяется следующим выражением [16]:

где N_М - число молекул в единице объема воздуха; n - коэффициент преломления воздуха.

Коэффициент ослабления обратно пропорционален λ⁴, следовательно, этот вид ослабления значительно меньше проявляется в инфракрасном диапазоне, чем в световом. Энергия рассеянного света распределяется в пространстве неравномерно: наибольшая часть энергии рассеивается в прямом и обратном направлениях.

Имеются таблицы величин Г_г для различных высот и направлений распространения в атмосфере [16].

Рассеяние оптических и инфракрасных волн в дымке и тумане

В свободной от облаков и туманов атмосфере содержатся частицы примесей - капель воды и пыли, называемых дымкой.

При конденсации пара возникают очень мелкие капельки, радиус которых имеет порядок 1 мкм. Пыль представляет собой земляную пыль, индустриальную копоть и пыль космического происхождения.

На частицах пара и пыли также происходит рассеяние оптических и ИК волн. Имеются расчетные и экспериментальные данные, представленные в виде таблиц и графиков, по которым можно определить коэффициент ослабления оптических и ИК волн в дымке.

Потери этого вида имеют наибольшую величину в городах, на ИК волнах они меньше, чем на волнах оптического диапазона.

В каплях тумана происходят тепловые потери и рассеяние, как это имеет место в диапазоне миллиметровых и сантиметровых радиоволн (см. § 3.4).

Наиболее крупные капли тумана имеют размер 5÷50 мкм, т. е. диаметр их нельзя считать малым для волн оптического и ближнего инфракрасного диапазонов. Расстояние между каплями велико по сравнению с их размером.

На рис. 9.2 представлены расчетные значения коэффициента затухания оптических и ИК волн в тумане при плотности капель 1 м^-3. Затухание возрастает пропорционально плотности капель N: Г_Т = Г_Т′N.

Рис. 9.2. Зависимости коэффициента затухания отдельной капли тумана от длины волны (по оси абсцисс) и размера капли (параметр) при плотности капель N = 1 м^-3

В диапазоне воли, длины которых малы по сравнению с размером частиц, коэффициент ослабления за счет рассеяния Г_Т′ приблизительно не зависит от длины волны, а зависит только от размера частиц и повышается пропорционально их поперечному сечению.

С возрастанием длины волны наблюдаются нерегулярности в ходе изменения зависимости Г_Т′ от длины волны (возрастание, затем убывание): максимум достигается, когда размер капли равен длине волны, а для длин волн, превышающих размер капель, Г_Т′ снова уменьшается. При длине волны, превышающей размер капли более чем вдвое, начинается уменьшение за счет рассеяния по закону 1/λ⁴.

Из рисунка видно, что если туман состоит из капель размером не более 0,4 мкм, то для распространения на значительные расстояния могут быть использованы волны длиной менее 1,3 мкм. При размере капель больше 0,4 мкм применение волн короче 1,3 мкм нецелесообразно. Волны длиной до 12 мкм могут применяться при размере частиц меньше 2 мкм. Поскольку волны длиннее 13 мкм испытывают сильное селективное поглощение, они не пригодны, хотя и имеют слабое рассеяние.

Для проникновения через капли тумана размером 20 мкм применимы только волны длиннее 1 мм, т. е. волны радиочастотного диапазона.

В табл. 9.1 приведены некоторые характеристики дождя и тумана, необходимые для расчета поглощения волн.

Таблица 9.1

Капли тумана выпадают на землю в виде дождя, если размер их больше 60 мкм. Из рис. 9.2 следует, что рассеяние инфракрасного света в дожде не меньше, чем рассеяние видимого света. Если дождь смешан с туманом, то видимость в инфракрасном свете лучше, чем в видимом свете.