Радиофизические характеристики атмосферы и их связь с метеопараметрами

Радиофизическими характеристиками атмосферы являются диэлектрическая проницаемость и коэффициент преломления, которые между собой однозначно связаны. В общем случае диэлектрическая проницаемость и коэффициент преломления являются величинами комплексными [2].

Предполагая выполнимость закона Дальтона о парциальных давлениях, можно получить выражение для диэлектрической проницаемости () смеси полярных и неполярных газов. Для тропосферы необходим, в частности, учет влияния СО2, сухого воздуха (неполярные молекулы) и водяного пара (полярные молекулы):

, (1)

где - постоянные величины,

- давление сухого воздуха,

- парциальное давление водяного пара в гПа,

- парциальное давление СО2,

– температура в °К [1].

Значения диэлектрической проницаемости воздуха незначительно превышают единицу. Для волн длиной более 1 см электропроводность нижней части атмосферы (тропосферы) очень мала, и диэлектрическую проницаемость можно считать величиной действительной [2].

При этом коэффициент преломления (n) определяется выражением:

(2)

где - магнитная проницаемость (для воздуха ее полагают равной единице). Поскольку

(3)

можно использовать аппроксимацию:

. (4)

В силу малости величины n – 1 коэффициент преломления удобно выражать в N – единицах:

, (5)

где К1, К2, К3, К4 – постоянные.

Постоянные коэффициенты равны [1]:

К1=77,607 0,13 °К/мб

К2=71,6 8,5 °К/мб

К3=(3,747 0,031) · 105 (°К)2/мб.

Итак, окончательное уравнение для показателя преломления, если ограничиться для констант тремя значащими цифрами, имеет вид:

(6)

Значения постоянных в этой формуле рекомендованы Смитом и Вейнтраубом для вычисления N с точностью 0,5%.

Уравнение упрощается, если положить

P = Pd + e:

. (7)

Для практического использования в радиометеорологии это соотношение можно упростить, представив его в виде двучлена:

, (8)

что дает значение N с точностью порядка 0,02% для интервала температур от 50°C до + 40°C.

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.

Материалы по географии:

Основные виды продукции
Лесной продукцией (лесными товарами) принято называть материалы и продукты, получаемые путем механической, механико-химической и химической переработки ствола, корней и кроны дерева. Таким образом, понятием "лесные товары" обычно не охватываются изделия из древесины. Значительная часть то ...

Исторические города России
Исторические города и поселения – населённые пункты, имеющие архитектурные памятники, градостроительные ансамбли и комплексы, являющиеся памятниками истории и культуры, а также сохранившиеся природные ландшафты и древний культурный слой земли, представляющий археологическую и историческую ценность. ...

Перечень восьми царств – категорий биотического подразделения
Всего насчитывается восемь царств: - Голарктическое царство, охватывающее Европу, Северную Америку, Северную Азию, Северную Африку до южных пределов Сахары и Аравийский полуостров, кроме крайнего юго-востока; - Ориентальное, занимающее Южную Азию, включая восточную оконечность Аравийского полуостро ...