07大气气体吸收损耗

第7章大气气体吸收损耗

无线电波在地球大气中传播时，除通常的所谓自由空间扩散损耗之外，大气气体的分子还会吸收无线电波的能量，致使到达接收点的无线电信号产生额外的衰减。我们把这种现象称之为大气吸收。这种吸收在频率上是有选择性的，不同的大气气体成份具有不同的吸收和辐射谱线。本章主要讨论氧气和水汽对无线电波能量的吸收与衰减。

7.1 大气成份

组成地球大气的气体通常分为两种类型，一种是在大气中所占百分比例相对稳定的永久性气体，另一种是所占百分比例会随时间和地点发生变化的可变性气体。永久性气体的主要成份有氮、氧、氩，永久性气体占大气总量的99.97%。另外，由于大气不停的运动，永久性气体成份在大气总量中各自所占的比例直到90公里的高度上都保持一致。可变性气体主要有二氧化碳、水汽、臭氧，它们所占比例虽然很低，但并不是不重要。各种气体成份在大气总量中所占的百分比例如表7.1所示[]。

表7.1大气气体成份

类别气体成份

分子

量

体积百分比,%

永久性气体

氮,N2 28.134 78.084 氧,O231.9988 20.948 氩,Ar39.948 0.934 氖,Ne20.183 18.18×10－4 氦,He 4.003 5.2×10－4氪,Kr83.80 1.1×10－4氙,Xe131.30 0.09×10－4氢,H2 2.016 0.5×10－4甲烷,CH417.034 2.0×10－4

可变性气体二氧化碳，CO2 44.01 320×10－4臭氧，O3 47.998

地面：0～0.07×10－4

20～30km：1×10－4～3×10－4水汽，H2O 18.15 0～2

水汽主要存在于贴近地面的低层大气。水汽所占比例随季节和地区有很大的差别，但其含量一般不会超过大气总量的4％。在海洋和低纬度地区，在夏天，空气中的水汽含量很高；在远离水源的高纬度地区，在干旱沙漠地区，在冬天，大气中的水汽含量就很少。

7.2 大气吸收的物理过程

从量子力学的观点来看，电磁波是由光粒子组成的物质，光子具有固定的能量f h W =，其中

34106263.6-⨯=h 焦耳·秒，称为普朗克常数，f 为电磁波的频率。当电磁波在大气中传播时，大气气

体的分子吸收电磁波光子的能量，实现了分子内能能级的向上跃迁，而电磁波则损失了光子及其能量。相反，当气体分子的内能从高能级跃迁到低能级时，气体会向外辐射电磁波。所以，大气气体的吸收和辐射是其能量交换的两个相反过程。而且，事实上，基尔霍夫定律表明，物体的辐射能力等于其吸收能力，所以，可以认为有怎样的辐射能力就有怎样的吸收能力。

如图7.1所示，在1000GHz 以下频率，主要是大气中的氧气和水汽能够吸收电磁波的能量。而且这

种吸收具有明显的频率选择性，氧气在60GHZ 和118.75GHz 频率具有两条强烈的吸收谱线，而水汽则在

22.235GHz 、183.310GHz 和325.153GHz 三个频率上具有强烈的吸收谱线。不同的气体具有不同的辐射和

吸收谱线，这是因为不同气体要发生内能能级的跃迁需要不同大小的能量。如果气体能级的跃迁要求较高能量，那末，该气体就能够辐射或吸收较高频率的光子，即较高频率的电磁波；相反，如果气体只需要较低能量就能够发生分子内能能级的跃迁，那末，该气体就只能够发射和吸收较低频率的光子或电磁波。但是，一种气体不仅是在单一的频率上能够辐射和吸收电磁波，它可以有多个辐射和吸收频谱，这是因为，一种气体可以具有多种内能形式，不同的内能形式的能级跃迁要求不同的能量大小，也就是说，气体可以辐射和吸收不同频率的光子和不同频率的电磁波，但是谱线是有限的，谱线的数量取决定分子内能形式的数量和能级跃迁方式的数量。

当然，所谓的吸收谱线实际上是个频带，均具有相当的频带宽度，而且谱线的尾翼可以远离谱线的吸收频率。谱线的宽度主要由几个物理过程形成的。

一是气体的辐射或吸收光子的过程需要持续一定的时间，如同脉冲辐射的过程，脉冲持续时间越短，则其占用的频谱将越宽，这种物理原因形成的谱线宽度被称为固有宽度。

二是所谓的多普勒增宽（热增宽）。我们知道，运动的物体发射电磁波时，会出现所谓的多普勒频移现象，即接收到的频率要偏离发射的原有频率，这种频率偏离正比于分子运动的速度。气体的分子总是处于不停的热运动中，分子可以随机地具有不同的速度，分子的速度服从麦克斯韦分布。所以具有不同速度的分子，其辐射的多普勒频移是不一样的，以致产生谱线的一定增宽。气体分子的运动速度决定于气体的温度，温度越高，分子运动速度越大，多普勒频移越宽。从这里我们也可以看到了气体辐射和吸收频谱与温度的关系，所以这种增宽也被称为热增宽。同时从分子速度服从麦克斯韦分布的规律，我们也可以知道

频率，GHz

大气气体吸收衰减率，d B / k m

A ：全球平均参考大气

图7.1 大气气体吸收衰减率[2]

这种增宽的谱线形状因子是高斯正态型的。

三是所谓的碰撞增宽（压强增宽）。气体分子总是处于运动之中，分子与分子或与其它核素之间就有可能发生相互碰撞，这种碰撞会扰乱甚至阻止从一种能级从另一种能级的跃迁过程，因此跃迁过程的持续时间就要被缩短，从而使谱线增宽。压强越高，分子运动的速度就越大，分子自由程（两次碰撞之间分子走过的路程长度）越小，碰撞的次数和可能性就越高，所以碰撞增宽随压强的增加而增加，故碰撞增宽又称为压强增宽。

在远离中心频率的地方，碰撞增宽频谱形状因子的降低比多普勒增宽频谱形状因子的降低要慢得多，所以，在谱线附近，固有增宽和多普勒增宽（热增宽）是占优势的，而在谱线的远端两翼，碰撞增宽（压力增宽）是重要的。

实际的气体分子的辐射和吸收频谱是多条谱线、多种增宽效应叠加的总效果。图7.2表明了350GHz 以下频率水汽、干燥空气和大气总的吸收损耗率与频率的关系。对于350GHz 以上频率，大气气体的吸收衰减很严重，则大大地限制了这些频段的使用。

7.3 氧气吸收

对于1000Ghz 以下频率，氧气具有44条主要的谱线，主要集中在60GHz 附近，将这些谱线的吸收衰

减率线性相加，并考虑到亚毫米波频段和红外区域强度极高的那些谱线的影响以及连续谱的影响，便可以

得到氧气的吸收损耗率。氧气的吸收损耗率（dB/km ）可以写为：

)(1820.0'

f N f w O =γ （7.1）

频率，GHz

图7.2 大气气体吸收衰减率[2] 大气气体吸收衰减率，d B / k m

地面气压：1013 hpa 地面气温：15℃

水汽

干燥空气

水汽

干燥空气

总衰减率