大气吸收

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1 大气吸收

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大气分子对电磁波能量的吸收。在微波和毫米波段，氧和水汽是大气气体吸收的主要成分。氧分子具有磁偶极矩,水分子具有剩余电偶极矩。在电磁场的作用下,当电磁波的频率与分子转动能级跃迁频率一致时，分子吸收电磁波的能量，其转动能级由低向高跃迁，形成共振吸收。在分子碰撞的情况下，这种共振吸收谱线不是频率单一的谱线，而是有一定的频谱宽度。这样，氧和水汽不仅激烈地吸收频率与吸收谱线中心频率十分相近的电磁波，也会吸收频率不一致的电磁波。
水汽和氧的吸收系数都是吸收谱线中心频率、谱线强度与谱线半宽度三个参数的函数。氧在118.75吉赫有一孤立吸收线；在 48.4～71.05吉赫的频率范围有45根谱线，形成一个以60吉赫为中心的吸收带；此外，还有一根谱线在零频。水汽有很多谱线，在 350吉赫以下频段有三根谱线分别在22.3吉赫、183.5吉赫和323.8吉赫频率上。谱线的强度和半宽度与大气压力、温度和水汽密度有关。因此，可以利用气象仪器测得的气压、温度和水汽密度计算某一频率的氧和水汽的吸收系数。当大气压为760毫米水银柱高、温度为20℃和水汽密度为7.5克／米³时,地面大气吸收系数如图所示。沿射线路径氧和水汽的吸收系数一旦确定，求出吸收系数沿路径的积分值，即得沿此路径上大气气体的总衰减。总衰减与路径的仰角和高度范围等有关。

在大气吸收谱线之间，有一些大气吸收相对轻微的频段，称为大气窗口。在毫米波段，大气窗口共有 4个，中心频率分别在35、94、140和220吉赫，相对带宽都在20％左右。
通常,当频率超过3吉赫时就应考虑大气吸收。利用大气窗口可获得较远的无线电作用距离，如通信距离和雷达作用距离等，吸收谱线可用于保密通信和低截获概率雷达等；大气吸收系数随高度的变化可作为权函数用于大气温度遥感。