Распределение метеовеличин и коэффициента преломления воздуха в нижнем слое атмосферы летом

Обычно уравнение (8) записывают в виде:

. (9)

Значения коэффициента преломления, рассчитанные по формуле (9), зависят от точности измерения метеорологических элементов. При радиозондировании измеряется не парциальное давление (упругость водяного пара) е, а относительная влажность f, которая легко может быть пересчитана в

парциальное давление е. Для этого используется следующая формула:

, (10)

где t – температура в °C,

f – относительная влажность воздуха в % [1].

В реальной атмосфере вследствие изменений температуры, давления и влажности происходят сложные пространственно – временные изменения коэффициента преломления. Различают сезонные и суточные изменения коэффициента преломления в тропосфере, а также случайные изменения, обусловленные атмосферной турбулентностью. Сезонные изменения обусловлены, главным образом, годовым ходом влажности с максимумом в теплое полугодие. Наибольшие изменения коэффициента преломления имеют место в нижнем трехкилометровом слое атмосферы, что обусловлено большими изменениями в этом слое температуры и влажности. Суточные изменения коэффициента преломления атмосферы наиболее значительны в нижнем километровом слое и могут достигать 10 – 15N – ед. Они также обусловлены большим суточным ходом температуры и влажности воздуха. Случайные флюктуации коэффициента преломления связаны с атмосферной турбулентностью и могут достигать значения 10N – ед.

Обычно учитывают изменение коэффициента преломления атмосферы только по высоте, пренебрегая горизонтальной изменчивостью.

Для характеристики вертикальной изменчивости коэффициента преломления пользуются понятием вертикального градиента:

, (11)

или

, (12)

где n1 и n2 – значения коэффициента преломления на нижней и верхней границе слоя,

H1 и H2 – высоты нижней и верхней границ слоя.

Вертикальный градиент dn/dH имеет размерность 1/м, а градиент dN/dH – N - ед/м. Из соотношения (11) следует, что реальной атмосфере, для которой коэффициент преломления уменьшается с высотой, соответствуют отрицательные значения градиента.

В радиометеорологии для решения ряда задач пользуются параметрами стандартной, или нормальной, атмосферы. Нормальной считается атмосфера, в которой имеют место линейное уменьшение температуры воздуха с высотой, равное 6,5°C на 1 км, уменьшение давления по барометрическому закону:

, (13)

и убывание влажности воздуха по эмпирическому соотношению:

,(14)

где Р0 и РH – давление на нижнем и верхнем уровнях,

g – ускорение свободного падения,

R – универсальная газовая постоянная,

Т – температура столба воздуха между указанными уровнями,

H – высота в км,

q – удельная влажность в г/м3,

b, с – коэффициенты (0,1112b0,2181; 0,0286с0,0375).

Удельная влажность с парциальным давлением водяных паров связана соотношением:

.(15)

В стандартной атмосфере коэффициент преломления изменяется с высотой по линейному закону, а в реальной атмосфере изменение N с высотой в среднем происходит по экспоненциальному закону [2].

2. Радиорефракция

Радиорефракцией называется искривление траектории электромагнитных волн при распространении в атмосфере. Плотность реальной атмосферы убывает с высотой, поэтому радиолуч, направленный с земной поверхности вверх, будет переходить из области с большим значением плотности в области с малыми значениями плотности.

Если электромагнитный луч будет распространяться в плоскослоистой атмосфере, в которой коэффициент преломления изменяется постепенно, то будет происходить плавное искривление траектории луча. Радиус кривизны будет определяться величиной градиента коэффициента преломления в соответствии с выражением:

,(16)

где dn/dH – градиент коэффициента преломления.

Представляет практический интерес случай критической рефракции, когда радиус кривизны радиолуча, направленного вдоль земной поверхности, равен радиусу Земли и луч огибает земной шар. Условием критической рефракции будет:

,(17)

где RЗ – радиус Земли.

2.1 Виды радиорефракции

Рассмотрим различные виды радиорефракции и соответствующие им значения градиента коэффициента преломления. В зависимости от характера искривления радиолуча различают три основных типа радиорефракции:

Отрицательную;

Нулевую;

Положительную.

Такое деление радиорефракции отражает ее влияние на дальность радиосвязи в диапазоне СВЧ или на дальность радиолокационного наблюдения обьектов.

При нулевой рефракции (нулевое значение градиента коэффициента преломления) радиолуч остается прямолинейным. Отрицательная рефракция (вызывающая уменьшение дальности радиосвязи) имеет место, если луч направлен выпуклостью вниз, т.е. луч из менее плотной среды переходит в более плотную. Это может быть только при положительных значениях градиента коэффициента преломления. Положительная рефракция возникает при отрицательных значениях градиента коэффициента преломления и делится в свою очередь на:

пониженную;

нормальную;

повышенную;

критическую;

сверхрефракцию.

Нормальная радиорефракция соответствует рефракции в нормальной (стандартной) атмосфере, имеющей градиент коэффициента преломления –4·10-8 1/м. Радиорефракция при значениях градиента коэффициента преломления от 0 до –4·10-8 1/м называется положительной пониженной рефракцией. Радиорефракция при – 15,7·10-8 – 4·10-8 1/м называется положительной повышенной рефракцией. При значении градиента = – 15,7·10-8 1/м наблюдается критическая рефракция. При значениях градиента коэффициента преломления менее – 15,7·10-8 1/м имеет место сверхрефракция. Радиус кривизны луча меньше радиуса земного шара, вследствие чего луч испытывает многократное отражение от земной поверхности.

Критическая рефракция и сверхрефракция характеризуются сверхдальним распространением радиоволн. Такое явление связывают с образованием так называемых атмосферных волноводов, которые могут быть как приземными, так и приподнятыми (отражение в этом случае имеет место не от земной поверхности, а от слоя атмосферы, приподнятого над землей). Атмосферные волноводы существенно повышают дальность радиосвязи на СВЧ и дальность радиолокационного наблюдения объектов.

 Скачать реферат