无线电波在对流层中的折射

物理学术语

对流层大气是折射率不均匀的介质，电波在对流层大气中传播时，由于不同区段的传播速度不同，引起电波传播方向改变，出现电波传播路径弯曲的现象。在正常情况下，大气折射率随高度变小。

类型

无线电波的传播路径有如下几种类型：①路径与地面的弯曲同向的为正折射；②路径与地面的弯曲反向的为负折射；③路径是直线的为零折射；④路径的曲率和地面曲率相同的为临界折射；⑤路径的曲率大于地球曲率的为超折射,这时，无线电波将折返地面（图1）。标准大气下的折射，称为标准折射，属正折射。

原理

在讨论电波的长距离传播时，视大气层为包围地球的球层，电波射线的折射路径应该用球面折射定律来计算(见大气折射)。也可以用通常的折射定律来计算，但此时的折射率应用订正后的折射模数来代替。其值为

式中为无线电波的空气折射率，为离地面高度，为地球半径。若为常数,则电波传播路径的曲率和地球的曲率相等，此时电波传播处于临界折射状态。地面的约为300。和的铅直变化d/d都和大气状态有关，当d/d＜-15.7×10米或 d/d＜0时,就发生超折射现象（见表）。例如有逆温层（气温随高度增加）或水汽随高度急剧减小时，可以形成超折射。此时电波从上层折回，再被下层反射，似在波导内传播一样，产生这种现象的空气层称为大气波导。大气波导可在一个薄层内使电磁能向远方传播,这个薄层在对流层中可以是贴地面的,也可以是悬空的。在一定折射率差见无线电波的(空气折射率)铅直梯度和一定厚度的大气波导中，只有仰角小于一定值〔称为穿透角〕的无线电波才能在大气波导中传播，大于该仰角的无线电波将穿透大气波导(图2)。折射率差铅直梯度愈大,波导层愈厚，则穿透角愈大。同时，在大气波导中，只有小于一定波长（称临界波长）的无线电波才能构成波导传输，大于该波长的无线电波则不能。大气波导层愈厚，波导传输的临界波长愈大。一般大气波导层的厚度小于20～30米，波导传输的临界波长在厘米波或分米波的范围中。

无线电气候学

由于大气折射的原因，无线电波在大气中的传播是弯曲的，因此仰角、距离和速度的观测值，与电波直线传播下的数值是不同的。故必须根据温、湿、压分布进行订正，即大气折射修正。为了能够对于修正值有所预期，从气候的观点研究大气无线电折射率的空间分布及其随时间变化的平均特性，就出现了无线电气候学或无线电折射率气候学。由于大气各种复杂过程，折射率随时间和空间而变化，这些变化可分为随机的和规律的两个分量。无线电气候学是研究它的规律性部分，如折射率的高度分布和水平分布，日变化和季节变化等。无线电折射率有强烈的地域性变化，它和气候条件有关系。正确的气候预报，将有利于对无线电传播的折射作出正确的估计，并可预测大气波导的出现。

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