对流层大气对电波传播的影响

于鹏鹏

摘 要：对流层中大气的电气参数是时间与空间的函数，当无线电波通过对流层时，电波的振幅、相位、频率和其他的波参数都会产生起伏变化，使得电波在传播过程中传播方式出现直射波、反射波、折射波和散射波等。

关键词：对流层；电波传播；影响

大气层的最低层是对流层，它是从地面向上大约13公里的高空，是气象条件不断变化的大气层，在南北两极，对流层约厚9公里，赤道的对流层可厚达17公里。在对流层中，由于地球引力的作用，它集中了整个大气层中80%的大气和90%以上的水汽，我们日常见到的风、云、雷电、雨、雪、雾、雹等天气现象，都发生在对流层。对流层中还分布着很多大小不一的空气旋涡和云团。这些气象特征及其变化紧密依赖于三个基本气象参数：气压（P），温度（T），湿度（如水汽压e），这三个基本气象参数的变化是相互制约和相互联系的，它们的变化，还会引起对流层电气参数：大气的介电常数εr、折射率n、折射指数N的变化。

对流层中大气的电气参数是时间与空间的函数，表明对流层空间不是理想的自由空间，而是充满不均匀介质的随机空间。理论分析和实验观测都表明，当无线电波通过这种随机介质传播时电波的振幅、相位、频率和其他的波参数都会产生起伏变化。这些起伏变化对接收电波信号而言，就是信号失真、传输损耗、各种衰落和干扰噪声的重要原因。

对流层对无线电波传播方式的各种影响，使得电波在传播过程中传播方式出现直射波、反射波、折射波和散射波等，如图1所示。

1 直射

对于直射波，主要考虑对流层大气对其吸收。吸收是由于大气成分中的氧、水汽以及由水汽凝结形成的云雾、雨、雪存在的缘故，致使微波波段无线电波在传播过程中电磁波能量产生损耗。当地面受到电磁波的作用时，地面的导电特性由Q=εr/60σλ判断，其中εr是地面的相对介电常数，σ是地面的电导率，λ是电波的波长。当Q远大于1时，可以认为地面是绝缘体，当Q远小于1时，可以认为地面是良导体。对各种类型的地面而言，有各自平均的εr值和σ值。当工作的电波波长改变时，Q值也相应改变，即地面呈现出不同的电特性。对于绝缘介质，当电波沿其表面传播时，表面会产生感应电流，这种感应电流在地表流动变为热能消耗无线电波的能量。可见波长λ越小，则无线电波的能量消耗越迅速。

2 折射

折射是由于大气压强、温度、湿度均随高度变化导致大气对无线电波的折射率也随高度变化，使电波传播方向发生弯曲的现象。对流层的大气的折射指数N和折射率n是变化的，因而无线电波在其中传播时，其速度和方向都要发生变化。无线电波在大气中的传播速度v遵循v=c/n，c真空中光速度。对流层对电波的折射能力是由N随高度h变化的梯度dN/dh决定的，当dN/dh=0时，无折射，是一种理想情况，可认为大气是均匀的。当dN/dh>0时电波射线逐渐偏离地面向上翘起，称为负折射，这种情况比较少见。当dN/dh<0电波射线向地面弯曲，称为正折射，如图2所示，当dN/dh=-40N/千米，称为标准折射，对流层为标准大气层如图2中的（a）线；当dN/dh=-157N/千米时，电波沿与地面平行方向传播，称为临界折射，如图2（b）线；当dN/dh<-157N/千米时电波射向下弯曲折回地面，经地面反射后再继续向前传播，周而复始地传播一段距离，直到dN/dh比-157N/千米大为止，电波这样传播和效果相当于离地面某一高度的介质层与地面表之间形成所谓“大气波导”一样。大气波导现象是在特殊的气象条件下形成的，电波在大气波导中传播损耗比较小，传播也会超出视距范围，这种折射称为超折射，如图2的（c）线。

3 反射

反射常常是在大气中介电常数的突变层产生。对流层中，在某些气象条件下，会使某一高度范围内大气的温度、湿度和气压出现明显的差异，从而产生大气折射率的突变层，虽然突变层的介电常数变化数量级不大，但相比大气折射率均匀变化的情况，可以使得以较小的投射角入射的电波产生相当强烈的反射，因为突变层是随气象条件变化而随机出现的，所以这种强烈的反射也是随机的。

4 散射

散射主要是由大气中各种不均匀结构体对电波的部分能量产生紊乱的反射和折射所造成的。由于对流层作为电波传播的介质，其中存在不均匀体，当无线电波投射到这些不均匀体上时，引起其中一些气体分子中的电荷发生相对位移，吸收电磁波能量而产生二次辐射。二次辐射波的波源是不均匀体中的气体分子，二次辐射波的频率与投射的无线电波频率相同，当不均匀体的尺寸较大时，会产生向四面八方的乱反射。

参考文献

[1]张明高，对流层散射传播，电子工业出版社，2004。

[2]陆春晖，平流层与对流层相互作用的研究进展，气象科技进展，2013。