Ллойд Дж. Системы тепловидения (1978), страница 8

[10[. Монографии по инфракрасной технике содержат обобщающие сведения о моделях поглощения в одиночных линиях и полосах. При высокой относительной влажности молекулы паров воды собираются в скопления, образуя аэрозоль. Такое состояние атмосферы занимает промежуточное положение между влажной атмосферой н туманом или дымной. Используя подходящие модели молекулярного поглощении и рассеяния, а также модель рассеяния на аэрозолях, Ходжес [151 сравнил расчетные и экспериментальные данные и выяснил, что при высокой относительной влажности ослабление практически полностью определяется поглощением на жидких аэрозолях.

На небольших высотах и на умеренных расстояниях, когда концентрация паров воды мала, ослабление, по данным Ходжеса, определяется одним молекулярным поглощением. Рассеяние молекулами, аэрозолями, туманом, дымкой и облаками можно объяснить с помощью теории Ми. Теория Ми справедлива для рассеяния на малых частицах, размер ното- ТЕОРИЯ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ПРОХОЖДЕНИЕ ЧЕРЕЗ АТМОСФЕРУ 4Т рых значительно меньше длины волны (рэлеевское рассеяние), и для рассеяния на больших частицах, размер которых значительно больше длины волны (неселективное рассеяние). Поскольку рэлеевское рассеяние происходит по закону А, 4, молекулярное рэлеевское рассеяние не играет существенной роли в области А ) 2 мкм.

В результате рассеяние на молекулах (р (< А) в этой области можно не учитывать по сравнению с поглощением; нужно принимать во внимание только рассеяние на скоплениях молекул. Наиболее подробное рассмотрение всех источников ослабления излучения в атмосфере содержится в работе Макклэтчи и др.[10!. Их методы расчета ослабления в интервале длин волн 0,25 — 25 мкм основываются на следующих механизмах: на молекулярном поглощении в отдельных линиях для всех основных газов; на молекулярном поглощении в уширенных давлением линиях паров воды; на молекулярном рассеянии для всех компонентов атмосферы: на ослаблении на аэрозолях всех типов. В работе [10! приведены также таблицы характеристик семи моделей атмосферы: тропические условия, лето и зима в средних широтах, субарктические вима и лето, условия чистой атмосферы (метеорологическая дальность видимости 23 км)и дымка (метеорологическая дальность видимости 5 км).

На фиг. 2 15 — 2.19 [10)приведены зависимости коэффициентов пропускания от длины волны для различных плотностей поглощающих компонентов или длины трассы для молекулярного поглощения в линиях паров воды, не уширенных давлением; для непрерывного спектра поглощения паров воды, уширенного давлением; для равномерно распределенной смеси газов; для молекулярного рассеяния и ослабления на аэрозолях. Для однородной атмосферы кривые можно использовать непосредственно.

Если атмосфера неоднородна, необходимо сначала определить эквивалентную длину трассы по методике, приведенной в работе [10!. В этой работе содержится также много других кривых для отдельных компонентов атмосферы. Порядок определения коэффициента пропускания по кривым фиг. 2.15 — 2.19 следующий. Соответствующая шкала коэффициента пропускания наносится на прозрачную бумагу. Совмещая заданное количество поглотителя (или длину трассы) с горизонтальной линией и передвигая шкалу на заданную длину волны, считывают значение коэффициента пропускания для этой длины волны на пересечении шкалы с кривой.

Концентрация паров воды как поглотителя выражается различными способами. Основной мерой является абсолютная влажность — масса воды в граммах на 1 см' объема воздуха, содержащего пары воды, при определенных температуре и давлении. ГЛАВА 2 0000 3 ОР0 ~. 400 й50 в газо ф Одо ор~ прот 2,5 зр 0,5 е 5 0 т ототгтежтогоугуе раича Вам м мам Фиг. 2 т5. Молекулярное пропускание паров воды в дискретных линиях [10]. 12 73 Го и алима Оалиы. млм Фиг. 2.16.

Молекулярное пропускание паров воды в непрерывном спектре, утпиренпом давлением Г[0]. ТЕОРИЯ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ПРОХОГИДЕНИЕ ЧЕРЕЗ АТМОСФЕРУ 49 0001 , 007 3 га 700 1000 10000 2,5 3,0 3,5 1,0 4,5 50 Я 7 Я 0 10И770117570771В13 Ялама Я м7ео мам Фиг. 2.17. Молекулярное пропускание равномерно распределенной смеси СО„1Ч,О, СО и СКа 10]. 025 03 01 05 05 07000510 15 20 30 1,0 50 Яаана Яамвс мам Фиг. 2Н8. Пропускание, обусловленное молекулярным рассеянием всех компонентов атмосферы [10), 1-с373 50 ГЛАВА 3 йО/ й ф.

5 'ч 19 ог йз д5 д5 йв (0 бо дп оп йп во /йа 15 2о зо Д,вла бояны, ияи Фиг. 2.19. Ироиусиаиие аэрозолей (10). 3 — пеглсшенне; Š— рассеяние. Абсолютная влажность Н, (г/смз) является функцией парциального давления Р (мм рт. ст.) паров воды и температуры Т, (К). Абсолютная влажность насыщенного парами воды воздуха равна Н' 2'89'10 е т ° а (2.21) где парциальное давление Р также зависит от температуры Т,. Более простой мерой концентрации поглотителя является относительная влажность, представляющая собой отношение абсолютной влажности в определенных условиях к абсолютной влажности, соответствующей насыщенному объему при тех же условиях. Абсолютная и относительная влажности не определяют непосредственно количество поглотителя на длине данной трассы.

Мерой, определяющей суммарное поглощение на трассе, является количество осажденной воды, которое можно найти по относительной влажности и длине трассы. Количество осажденной воды ю характеризуется толщиной слоя жидкой воды, образовавшейся при конденсации паров в цилиндре, длина которого равна длине трассы. Эта толщина обычно выражается в сантиметрах осажденной воды на километр трассы (см/км). Величина ш связана с плотностью жидкой воды д, относительной влажностью Н„(выраженной в долях единицы) и абсолютной теОРия теплОвого излучения и пРОхОждение чеРез АтмОсФеРу 55 31 зз зг 31 Зд гд гв г7 гв г5 ге гз гг г1 го 16 16 17 16 15 15 13 /г 11 10 9 в 7 6 5 3 г гв зд С ?,5 В Ъ,~ й ц к о ь е й й т з й й 'ь~ м „мае й Ь ~й й лейд яке ь й ь„,(3 й в /ь -60 -30 -гд -10 0 10 Температура даавуха, Фкг.

2.20, Количество осажденной воды (см/км) и а солютная влажность в условиях насыщения в завкснмостя от температуры. 76 = .х0еН„Н (см/км). (2.23) Полное количество осажДенной воДы на тРассе 7ат выРажаетсЯ в сантиметрах. Если абсолютная и относительная влажности на трассе постоянны, полное количество осажденной воды получается умножением величины п7 (см/км) па длину трассы Н (км).

На фиг. 2.20 показаны толщина слоя осажденной воды и абсолютная влажность в условиях насыщения в функции температуры. влажностью Н следующим образом: НгНа (г/см ) (О Н,На (г/(смм км)) = ИР— "' (см/км). (2.22) Поскольку плотность воды с приблизительно постоянна и равна 1 г/смв, то ГЛАВА 2 Мозер [17) нашел, что в состоянии насыщения на уровне моря величина ю' определяется выражением и>' (см/км) = 0,492+ 3,094 10 зТ,+ +9,5 10 'Т,'+ 2,888 10 зТ,' (2.24) с погрешностью -~- 1,6% в интервалах 0 < Т, < 40 'Си 0 < Н„< <1и и~' (см/км) = 0,502еэ ееТ„ (2.25) с погрешностью ~ 3,6% в интервале 0 < 7, < 35'С.

Умножая приведенные выше выражения на относительную влажность Н„, можно определить толщину слоя осажденной воды ю в ненасыщенной атмосфере. С помощью экспериментальных данных Йетса и Тейлора Ходжес [15) вычислил среднее пропускание в семи диапазонах в пределах окоп 3 — 5 из8 — 14 мкм, определил вклад каждого процесса ослабления и нашел коэффициенты, обеспечивающие хорошее согласие с данными Йетса и Тейлора. Результаты обработки Ходжесом данных Йетса и Тейлора в окне 8 — 14 мкм (фиг. 2.21) показывают приблизительно линейную связь между средним коэффициентом пропускания т, в полосе и толщиной слоя осан денной воды шт (см) на трассе.

Этот интересный результат достаточно точно описывается выражением [16) гч = 0 8326 — 0,0277 шт- (2.26) Потери на поглощение, равные 0,167 при ют = О, обусловлены ослаблением излучения другими компонентами атмосферы. Для окна 3 — 5 мкм не выявляется столь явной зависимости от ют. Это связано с тем, что в окне 3 — 5 мкм поглощение углекислым газом проявляется в большей степени, чем в окне 8 — 14 мкм. Принципы, изложенные в работе [10), были положены в основу программы для ЭВМ, разработанной Селби и Макклэтчем [18).Эта программа была использована Макдональдом [19) для получения кривых, представленных на фиг.

2.22 — 2.42. Для сравнения потерь при пропускании в диапазоне 3 — 5 и 8 — 12 мкм Макдональд выбрал три наклонных трассы протяженностью 30, 15 и 7,5 км и три высоты 90, 1220 и 3660 м. Использованы две модели атмосферы: тропические условия и стандартная атмосфера США 1962 г., обе с дымкой и без дымки.