Лабораторна робота № 5

Поглинання інфрачервоного випромінювання атмосферою

Мета роботи: вивчити механізми втрат світла у атмосфері, які зумовлені поглинанням інфрачервоного випромінювання та оволодіти навиками розрахунків спектрального коефіцієнта пропускання у діапазоні довжин хвиль 0,7…14 мкм за методом Ельдера-Стронга.

5.1 Основні теоретичні відомості

Земна атмосфера є середовищем, що складається з аерозольної суміші газів і водяної пари зі зваженими в ній частинками різних розмірів (частинки диму, земного та космічного пилу, органічні частинки і т.д.)

Нижні шари атмосфери складаються з механічної суміші азоту (78%), кисню (21%) і ряду інших газів. З цих газів, на частку яких у повітрі приходиться близько 1%, на оптичні властивості атмосфери впливають вуглекислий газ та озон. Вміст CO₂ у поверхневому шарі атмосфери (для висот порядку 20...25 км) є нерівномірним та коливається в межах 0,3…0,05%, а О₃ – близько 10^–5…10^–3%.

Концентрація водяної пари Н₂О в атмосфері може бути від 10^–3 до 4% і залежить від географічної широти, висоти над рівнем моря, часу, пори року і місцевих метеорологічних умов. Основна кількість водяної пари є зосередженою в нижньому шарі атмосфери (до 5 км) та різко зменшується з подальшим збільшенням висоти.

Крім газів і водяної пари в нижніх шарах атмосфери постійно є пил, дим, мінеральні й органічні частинки, бактерії, краплі води і кристалики льоду. Ці частинки та домішки можуть бути центрами концентрації водяної пари, що приводить до утворення серпанку, туману, хмар і дощу.

При проходженні інфрачервоного (ІЧ) випромінювання крізь атмосферу спостерігається вибіркове поглинання багатоатомними молекулами газів і водяною парою. Селективність поглинання пояснюється тим, що воно відбувається на тих хвилях, частота яких є резонансною для молекул атмосферних газів [20].

Найбільш інтенсивно ІЧ випромінювання поглинається парами води, вуглекислим газом та озоном. У поверхневому шарі атмосфери смуги поглинання водяної пари перекривають смуги поглинання інших газів. У ІЧ діапазоні виділяють такі основні смуги пропускання Dl_і (вікна прозорості) [5]:

• 0,95...1,05 мкм;

• 1,15...1,35 мкм;

• 1,5...1,8 мкм;

• 2,1...2,4 мкм;

• 3,3 ... 4,2 мкм;

• 4,5...5,1 мкм;

• 8...13 мкм.

•  

  Відносна величина пропускання у вікнах прозорості не є однозначною для всіх умов, вона залежить від висоти над рівнем моря та вмісту в атмосфері водяної пари. Зі збільшенням висоти густина повітря та вміст у ньому водяної пари зменшуються, відповідно зростає прозорість атмосфери і збільшується ширина смуг пропускання.

  Т. Ельдером і Д. Стронгом був запропонований метод наближеного розрахунку прозорості атмосфери всередині спектральних смуг пропускання. Для розрахунку вибіркового поглинання всередині ділянки прозорості ними була запропонована логарифмічна залежність

       , %, (5.1)

  де – водність (приведена товщина водяних пар у мм на 1 км відстані); , – сталі відповідної спектральної ділянки, знайдені Ельдером і Стронгом експериментально (таблиця 5.1)

  Таблиця 5.1 – Сталі Ельдера і Стронга [21]

  

  Для атмосфери, яка містить водяну пару, але є вільною від твердих частинок, дощу і туману, застосовується така формула для розрахунку (розрахункова висота 2–20 км)

       , (5.2)

  де – гранична абсолютна вологість біля поверхні Землі у г/см³ (табл. 5.2); Y_n – відносна вологість повітря на відповідній висоті, %; – довжина траси, у км.

  Для розрахунку вибіркового поглинання водяною парою, наприклад, у випадку розсіювання ІЧ випромінювання туманом на висотах > 2км Ельдером і Стронгом була запропонована емпірична формула [6]

  . (5.3)

  Таким чином, інтегральний коефіцієнт прозорості чистої вологої атмосфери може бути розрахований так

  (5.4)

  Таблиця 5.2 – Гранична абсолютна вологість на поверхні Землі [21]

  

  При значному замутненні атмосфери (дощі, тумани і т. д.) характер проходження ІЧ світла є більш складним. У приземних шарах атмосфери завжди знаходяться зважені тверді та рідкі частинки, що утворюють хмари, туман і атмосферні опади. На цих частинках відбувається аерозольне дифракційне та геометричне розсіювання.

  Встановлено, що характер та інтенсивність аерозольного розсіювання залежить від співвідношення між радіусом розсіювачів і довжиною хвилі діючого випромінювання :

  в області коротких хвиль розсіювання залежить тільки від розміру частинок;

• при розсіювання є максимальним. Вимірявши залежність коефіцієнта розсіювання від довжини хвилі , можна довжину хвилі максимального розсіювання вважати приблизно рівною радіусу переважної кількості розсіювачів;

• при розсіювання починає зменшуватися. За умови починається область розсіювання, в якій працює закон Релея (розсіювання змінюється пропорційно ). При штучному тумані та серпанку (розмір розсіювачів ) ІЧ випромінювання із довжиною хвилі мкм поширюється на більш значну відстань у порівнянні з видимим світлом.