對流層大氣對電波傳播的影響

于鵬鵬

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

關(guān)鍵詞：對流層；電波傳播；影響

大氣層的最低層是對流層，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，對流層約厚9公里，赤道的對流層可厚達17公里。在對流層中，由于地球引力的作用，它集中了整個大氣層中80%的大氣和90%以上的水汽，我們?nèi)粘Ｒ姷降娘L、云、雷電、雨、雪、霧、雹等天氣現(xiàn)象，都發(fā)生在對流層。對流層中還分布著很多大小不一的空氣旋渦和云團。這些氣象特征及其變化緊密依賴于三個基本氣象參數(shù)：氣壓（P），溫度（T），濕度（如水汽壓e），這三個基本氣象參數(shù)的變化是相互制約和相互聯(lián)系的，它們的變化，還會引起對流層電氣參數(shù)：大氣的介電常數(shù)εr、折射率n、折射指數(shù)N的變化。

對流層中大氣的電氣參數(shù)是時間與空間的函數(shù)，表明對流層空間不是理想的自由空間，而是充滿不均勻介質(zhì)的隨機空間。理論分析和實驗觀測都表明，當無線電波通過這種隨機介質(zhì)傳播時電波的振幅、相位、頻率和其他的波參數(shù)都會產(chǎn)生起伏變化。這些起伏變化對接收電波信號而言，就是信號失真、傳輸損耗、各種衰落和干擾噪聲的重要原因。

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

1 直射

對于直射波，主要考慮對流層大氣對其吸收。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，致使微波波段無線電波在傳播過程中電磁波能量產(chǎn)生損耗。當?shù)孛媸艿诫姶挪ǖ淖饔脮r，地面的導(dǎo)電特性由Q=εr/60σλ判斷，其中εr是地面的相對介電常數(shù)，σ是地面的電導(dǎo)率，λ是電波的波長。當Q遠大于1時，可以認為地面是絕緣體，當Q遠小于1時，可以認為地面是良導(dǎo)體。對各種類型的地面而言，有各自平均的εr值和σ值。當工作的電波波長改變時，Q值也相應(yīng)改變，即地面呈現(xiàn)出不同的電特性。對于絕緣介質(zhì)，當電波沿其表面?zhèn)鞑r，表面會產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種感應(yīng)電流在地表流動變?yōu)闊崮芟臒o線電波的能量。可見波長λ越小，則無線電波的能量消耗越迅速。

2 折射

折射是由于大氣壓強、溫度、濕度均隨高度變化導(dǎo)致大氣對無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。對流層的大氣的折射指數(shù)N和折射率n是變化的，因而無線電波在其中傳播時，其速度和方向都要發(fā)生變化。無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。對流層對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dN/dh=0時，無折射，是一種理想情況，可認為大氣是均勻的。當dN/dh>0時電波射線逐漸偏離地面向上翹起，稱為負折射，這種情況比較少見。當dN/dh<0電波射線向地面彎曲，稱為正折射，如圖2所示，當dN/dh=-40N/千米，稱為標準折射，對流層為標準大氣層如圖2中的（a）線；當dN/dh=-157N/千米時，電波沿與地面平行方向傳播，稱為臨界折射，如圖2（b）線；當dN/dh<-157N/千米時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。對流層中，在某些氣象條件下，會使某一高度范圍內(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)生相當強烈的反射，因為突變層是隨氣象條件變化而隨機出現(xiàn)的，所以這種強烈的反射也是隨機的。

4 散射

散射主要是由大氣中各種不均勻結(jié)構(gòu)體對電波的部分能量產(chǎn)生紊亂的反射和折射所造成的。由于對流層作為電波傳播的介質(zhì)，其中存在不均勻體，當無線電波投射到這些不均勻體上時，引起其中一些氣體分子中的電荷發(fā)生相對位移，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線電波頻率相同，當不均勻體的尺寸較大時，會產(chǎn)生向四面八方的亂反射。

參考文獻

[1]張明高，對流層散射傳播，電子工業(yè)出版社，2004。

[2]陸春暉，平流層與對流層相互作用的研究進展，氣象科技進展，2013。