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是時間與空間的函數，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都會產生起伏變化，使得電波在傳播過程中傳播方式出現直射波、反射波、折射波和散射波等。

關鍵詞：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，我們日常見到的風、云、雷電、雨、雪、霧、雹等天氣現象，都發生在對流層。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：氣壓（P），溫度（T），濕度（如水汽壓e），這三個基本氣象參數的變化是相互制約和相互聯系的，它們的變化，還會引起對流層電氣參數：大氣的介電常數εr、折射率n、折射指數N的變化。

對流層中大氣的電氣參數是時間與空間的函數，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傳播時電波的振幅、相位、頻率和其他的波參數都會產生起伏變化。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生損耗。當地面受到電磁波的作用時，地面的導電特性由Q=εr/60σλ判斷，其中εr是地面的相對介電常數，σ是地面的電導率，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值也相應改變，即地面呈現出不同的電特性。對于絕緣介質，當電波沿其表面傳播時，表面會產生感應電流，這種感應電流在地表流動變為熱能消耗無線電波的能量。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，使電波傳播方向發生彎曲的現象。對流層的大氣的折射指數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，經地面反射后再繼續向前傳播，周而復始地傳播一段距離，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層與地面表之間形成所謂“大氣波導”一樣。大氣波導現象是在特殊的氣象條件下形成的，電波在大氣波導中傳播損耗比較小，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的突變層產生。對流層中，在某些氣象條件下，會使某一高度范圍內大氣的溫度、濕度和氣壓出現明顯的差異，從而產生大氣折射率的突變層，雖然突變層的介電常數變化數量級不大，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構體對電波的部分能量產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，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生相對位移，吸收電磁波能量而產生二次輻射。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。