Рассеяние излучения в атмосфере

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рассеяние излучения в атмосфере

А.Ю. Крючок, Г.Э. Амеличев, А.К. Горбунов; КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана

Излучение рассеивается в земной атмосфере на молекулах воздуха, частицах аэрозоля, каплях дождя и кристаллах льда. Рассеяние сопровождается поглощением частицей вещества энергии оптического излучения и переизлучения этой энергии в телесный угол, вершиной которого является сама частица. В зависимости от соотношения между длиной волны и размером частиц выделяют следующие виды рассеяния: релеевское и рассеяние .

Релеевское, или молекулярное рассеяние, имеет место, когда размеры рассеивающей частицы гораздо меньше длины волны падающего на нее излучения. Оно хорошо описывается формулой Эйштейна-Смолуховского:

где - интенсивность падающей радиации; - рассеивающий объем; - плотность среды; - диэлектрическая проницаемость; - изотермическая сжимаемость; - постоянная Больцмана; - абсолютная температура; - расстояние от рассеивающего объема до точки наблюдения. Индикатрисса молекулярного рассеяния определяет угловое (по ) распределение рассеянной радиации. Влияние анизотропии молекул на форму индикатриссы учитывается соотношением Чандрасекара:

где ; - фактор деполяризации рассеянного излучения (для воздуха 0,035).

Коэффициент молекулярного (релеевского) рассеяния определяется по формуле [1]:

 (1)

где - число молекул в единице объема; - показатель преломления среды; - длина волны излучения.

Как видно из (1) интенсивность однократно рассеянного излучения обратно пропорциональна четвертой степени длины волны и, следовательно, коротковолновая радиация рассеивается молекулами воздуха гораздо эффективнее красных лучей. Это обусловливает голубой цвет небосвода. При взаимодействии солнечного излучения с молекулами воздуха рассеянное излучение становится поляризованным. Степень линейной поляризации достигает максимального значения в направлении, перпендикулярном направлению распространения света.

В атмосфере находится значительное количество частиц, размеры которых больше 1/10 длины волны. К описанию процессов рассеяния излучения «крупными» частицами применяют теорию , на основании которой можно рассматривать и релеевское рассеяние как частный случай. Однако под рассеянием обычно понимают аэрозольное рассеяние.

Общий монохроматический коэффициент ослабления за счет рассеяния складывается из коэффициентов молекулярного рассеяния и коэффициент аэрозольного рассеяния :

=+

Для аналитической оценки рассеивающих свойств атмосферы необходимо знать распределение частиц по размерам, их форму и концентрацию, а также комплексный показатель преломления вещества частиц. В практических расчетах ослабления излучения вследствие рассеяния используется понятие «метеорологическая дальность видимости» /м, характеризующее замутненность атмосферы. Метеорологическая дальность видимости измеряется расстоянием, на котором различима черная мишень или предметы, контраст которых по отношению к фону неба равен 1 (на фоне неба при пороге контрастной чувствительности глаза наблюдателя = 0,02). Метеорологическая дальность видимости связана с коэффициентом рассеяния соотношением:

Понятие метеорологической дальности видимости относится к излучению с длиной волны = 0,55 мкм, при которой глаз имеет наибольшую чувствительность, и к горизонтальным трассам. В табл. 1 представлены значения метеорологической дальности видимости и коэффициентов рассеяния, соответствующие международному коду видимости.

Таблица 1. Международный код видимости, метеорологическая дальность видимости и коэффициент рассеяния

Нижняя строка табл. 1 относится к случаю ограничения видимости только молекулярным рассеянием. Для расчета рассеяния на наклонных трассах необходимо знать вертикальные профили коэффициентов рассеяния. Один из таких профилей полученный Элтерманом, представлен на рис. 1.

Рисунок 1 - Вертикальное распределение коэффициента ослабления: 1-релеевское рассеяние; 2-аэрозольное рассеяние; 3-комбинированный эффект.

На высоте Н до 5 км коэффициент аэрозольного рассеяния определяется зависимостью:

где - эмпирическая постоянная, выбираемая для различных из условия, что при = 5 км для = 0,55 мкм.

При расчете рассеяния в вертикальном направлении используют модель однородной запыленной атмосферы, в которой предполагается, что распределение частиц по размерам не меняется с высотой и что частицы распределены равномерно по всему слою. Вертикальную оптическую толщину всего слоя аэрозольной атмосферы можно определить по формуле:

где - коэффициент аэрозольного рассеяния у поверхности Земли. Для наклонного пути при зенитных углах 0 < 60° оптическая толщина аэрозольной атмосферы находится как:

Из сопоставления влияния аэрозольного рассеяния и поглощения в условиях дымки следует, что при метеорологической дальности видимости > 10 км аэрозольное рассеяние вызывает гораздо меньшее ослабление излучения, чем поглощение в диапазоне длин волн 2,5--14 км. В области длин волн до 2,5 км рассеяния и поглощения в ослаблении излучения соизмеримы.

релеевский аэрозольный рассеяние атмосфера

Список использованной литературы

1. М.В. Кабанов, В.Е. Зуев. Перенос оптических сигналов в земной атмосфере. М. 1991;

2. А.И. Ларкин. Оптические системы связи.

Размещено на Allbest.ru