對流層大氣對電波傳播的影響

趙建華

（中國人民解放軍第二炮兵工程大學(xué)士官學(xué)院，山東 青州 262500）

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(dá)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(fēng)、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(tuán)。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(jī)空間。理論分析和實(shí)驗觀測都表明，當(dāng)無線電波通過這種隨機(jī)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。

圖1

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(dāng)?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(dāng)Q 遠(yuǎn)大于1時，可以認(rèn)為地面是絕緣體，當(dāng)Q 遠(yuǎn)小于1 時，可以認(rèn)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(dāng)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(dāng)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(qiáng)、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(dāng)dN/dh=0 時，無折射，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。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，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，傳播也會超出視距范圍，這種折射稱為超折射，如圖2 的（c）線。

圖2

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(dāng)強(qiáng)烈的反射，因為突變層是隨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(dāng)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(dāng)不均勻體的尺寸較大時，會產(chǎn)生向四面八方的亂反射。

［1］張明高.對流層散射傳播[M].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(jìn)展[J].氣象科技進(jìn)展,2013.