大气气体吸收损耗

1、电波传播理论7-1第7章大气气体吸收损耗基本要求：1.大气气体吸收损耗的基本概念；2.大气吸收衰减率的特点。第7章 大气气体吸收损耗1电波传播理论7-2第7章 大气气体吸收损耗7.1 大气成份组成地球大气的气体通常分为两种类型：永久性气体在大气中所占百分比例相对稳定的。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。可变性气体所占百分比例会随时间和地点发生变化。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。2电波传播理论7-3第7章 大气气体吸收

2、损耗各种气体成份在大气总量中所占的百分比例表：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。 3电波传播理论7-4第7章 大气气体吸收损耗7.2 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 ，其中 ，称为普朗克常数， 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。当气体分子的内能从高

3、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。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。4电波传播理论7-5第7章 大气气体吸收损耗1000GHz以下频率大气气体吸收衰减率： 氧气吸收谱线 60GHZ 118.75GHz 水汽吸收谱线 22.235GHz 183.310GHz 325.153GHz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。 5电波传播理论7-6第7章 大气气体吸收损耗吸收谱线的特点：不同的气体具有不同的辐射和吸

4、收谱线的，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。气体分子能级的跃迁所要求的能量的大小，决定了气体能够辐射或吸收的光子的频率的大小，也就是电磁波频率的大小。一种气体可以有多个辐射和吸收频谱，这是因为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，因此，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。不同的气体的谱线是有限的，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。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。6电波传播理论7-7第7章 大气气体吸收损耗增加谱线宽度的三个原因（物理过程）：由于气体的辐射或

5、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。由于运动的物体发射电磁波时，会出现所谓的多普勒频移现象，而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，可以随机地具有不同的速度，因此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，这种增宽被称为多普勒增宽。多普勒增宽也被称为热增宽，因为气体分子的运动速度决定于气体的温度，温度越高，分子运动速度越大，多普勒频移越严重，谱线也就越宽。多普勒增宽导致的谱线形状因子是高斯正态型的，因为分子速度服从麦克斯韦分布的规律。7电波传播理论7-8第

6、7章 大气气体吸收损耗三是所谓的碰撞增宽（压强增宽）。气体分子总是处于运动之中，分子与分子或与其它核素之间就有可能发生相互碰撞，这种碰撞会扰乱甚至阻止从一种能级从另一种能级的跃迁过程，因此跃迁过程的持续时间就要被缩短，从而使谱线增宽。压强越高，分子运动的速度就越大，分子自由程（两次碰撞之间分子走过的路程长度）越小，碰撞的次数和可能性就越高，所以碰撞增宽随压强的增加而增加，故碰撞增宽又称为压强增宽。在远离中心频率的地方，碰撞增宽频谱形状因子的降低比多普勒增宽频谱形状因子的降低要慢得多，所以，在谱线附近，固有增宽和多普勒增宽（热增宽）是占优势的，而在谱线的远端两翼，碰撞增宽（压力增宽）是重要的。实际的气体分子的辐射和吸收频谱是多条谱线、多种增宽效应叠加的总效果。8电波传播理论7-9第7章 大气气体吸收损耗350GHz以下频率大气气体吸收衰减率：对于350GHz以上频率，大气气体的吸收衰减很严重，则大大地限制了这些频段的使用。9电波传播理论7-10第7章 大气气体吸收损耗7.3 氧气吸收氧气衰减率的谱线参数（表7.2）：氧气具有44条，主要的谱线主要集中在60GHz附近。氧气的吸收损耗率将所有谱线的吸收衰减率线性相加，并考虑亚毫米波频段和红外区域强度极高的那些谱线的影响以及连续谱的影响。（7.1