Теория и расчет оптико-электронных приборов - Якушенков Ю.Г.
ISBN 5-88439-035-1
Скачать (прямая ссылка):
Углекислый газ обычно содержится в атмосфере в меньших количествах, чем пары воды; средняя его концентрация сохраняется почти постоянной до высот около 20 км, и объем его равен примерно 0,03 %.
Для исследования процессов поглощения важно знать также содержание и распределение озона, концентрация которого изменяется с высотой довольно сложно, резко повышаясь на высотах 22...27 км и понижаясь практически до нуля на высотах свыше 40 км. Средняя концентрация озона в приземном слое составляет 2,7-Ю"4 % объема. В атмосфере содержатся и другие газы, например, СО, CH4, которые также ослабляют проходящее излучение, однако их влияние по сравнению с парами воды, углекислым газом и озоном мало.
Закономерности распределения указанных компонентов по высоте описываются эмпирическими зависимостями, часть которых приведена в монографиях [8,15, 30]. Очень трудно аналитически учитывать всевозможные посторонние включения (пыль, частицы биологического происхождения, кристаллы льда, капли воды и т. д.), которые в виде аэрозолей могут присутствовать на всех высотах (до 100 км) в атмосфере и снижать ее прозрачность. Можно считать, что концентрация аэрозолей убывает по экспоненте до высот 5...6 км, относительно постоянна в верхних слоях тропосферы и имеет резко выраженный максимум на высотах 15...23 км. Аэрозольное ослабление определяется формой и составом частиц, образующих аэрозоль, их концентра-
66 Глава 4. Влияние среды распространения оптического излучения на работу ОЭП
цией, распределением по размерам и т. д., что в значительной степени зависит от метеорологических и географических условий. Радиусы частиц аэрозоля могут меняться в широких пределах — от 4-Ю"3 мкм до 0,2 мм. Как размеры частиц, так и закон их распределения зависит от вида аэрозоля, места наблюдения и ряда других факторов. Поэтому очень трудно создать достаточно строгий аппарат для расчета ослабления излучения.
В литературе [15, 30] приводятся таблицы распределения основных поглощающих и рассеивающих компонентов атмосферы, а также температуры и давления в зависимости от высоты над уровнем моря для различных климатических поясов (тропики, средние широты летом, высокие широты зимой и т. д.), образующие модель атмосферы, используемую для расчета ее оптических свойств.
4.2. Поглощение излучения в земной атмосфере
В общем случае для неоднородной среды закон Бугера можно записать в следующем виде:
Ji(X) = J0(X)exp
где hJX.l) — монохроматический коэффициент поглощения. Для слоя однородной среды единичного сечения
/г(Х)=/0(Х)ехр[-ад^=/0(Х)ехр[-^п(Х)р^
где k'n — массовый коэффициент поглощения, т. е. коэффициент поглощения на единицу массы поглощающего вещества (м2т'х); р — плотность среды (гм'3).
Коэффициенты поглощения можно рассчитывать на основе учета поглощения излучения данной длины волны или частоты каждой линией спектра, а также на основе моделей полос поглощения. Эти коэффициенты очень часто определяются и экспериментально — в естественных или лабораторных условиях.
Физическая природа рассматриваемого процесса заключается в поглощении излучения отдельными спектральными линиями. Ширина спектральной линии зависит от ряда факторов: радиационного затухания, уширения линий за счет эффекта Доплера, возникающего при тепловом движении молекул, уширения линий за счет столкновений молекул. Как показали специальные исследования этих процессов, в приземном слое (до 20 км) ширина спектральных линий обусловлена главным образом столкновениями молекул. Теория процесса
3* 67
t
- ^kn(XJ)Iil
(4.3) Ю.Г. Якушенков. Теория и расчет оптико-электронных приборов
была разработана Лоренцем, который дал формулу распределения интенсивности в спектральной линии поглощения как функции частоты v. Для группы перекрещивающихся линий спектральный коэффициент поглощения
где Ii — интегральная интенсивность і-й перекрывающейся линии; Yi — полуширина линии; v0i — частота центра линии.
Квантовая механика позволяет определить значения kjv) в чисто вращательных спектрах, однако для длин волн менее 10 мкм необходимо учитывать и колебательные спектры молекул отдельных составляющих атмосферы и, в первую очередь, водяного пара. Аналитическое решение для >.<10 мкм практически невозможно, поэтому для вычисления kn и тп пользуются так называемыми моделями полос поглощения.
Экспериментально было определено, что в УФ и в ближней к ней видимой областях спектра основные линии поглощения создаются озоном (0,2...0,3; 0,32...0,35 и 0,45... 0,48 мкм).
Приведем некоторые результаты исследований колебательно-вращательных ИК спектров поглощения в атмосфере. Наиболее мощная поглощающая компонента H2O имеет значительные полосы, располагающиеся около 0,94; 1,1; 1,38; 1,87; 2,7; 3,2; 6,3 мкм. Наличие этих полос вызвано колебательно-вращательным движением молекул воды. Чисто вращательный спектр поглощения воды создает полосы, располагающиеся в диапазоне от 10 мкм до миллиметровой границы. Молекулы углекислого газа CO2 создают значительное поглощение около 1,4; 1,6; 2,0;4,3;4,8; 5,2;9,4; 10,4; 13,9 мкм, а молекулы озона наиболее значительно ослабляют излучение в области 9,6 мкм. В совокупности эти полосы, а также полосы других, слабее поглощающих компонентов (N2O, СО, CH4, HDO) создают так называемую картину поглощения излучения атмосферой (рис. 4.1), которая меняется в зависимости от концентрации и состояния отдельных поглощающих веществ. Для расчетов ОЭП очень важно отметить наличие «окон» пропускания атмосферы. Так, в атмосфере приземного слоя имеются следующие окна: 0,95...1,05; 1,2...1,3; 1,5...1,8; 2,1...2,4; 3,3...4,2; 4,5...5,0; 8...13 мкм. С увеличением высоты плотность воздуха и количество поглощающих компонентов уменьшаются, что приводит к весьма заметному расширению «окон» пропускания атмосферы.
