Лекции по "Навигационной гидрометеорологии"

Ослабление УКВ в атмосфере. Дальность радиолокационного наблюдения, кроме условий рефракции, зависит также от поглощения и рассеяния энергии радиоволн в атмосфере, поскольку эти явления вызывают ослабление напряженности электромагнитного поля. На процессы поглощения и рассеяния энергии в атмосфере большое влияние оказывает водяной пар, находящийся в атмосфере.

Поглощение энергии внешнего поля молекулами воздуха и прежде всего водяного пара и кислорода сводится к расходу энергии на раскачивание диполей. Этот процесс повышает энергетический уровень движения молекул, следствием чего будет переход электромагнитной энергии в тепловую, а также излучение электромагнитных волн самими молекулами при определенном («дозволенном») энергетическом уровне.

Следствием поглощения и рассеяния энергии электромагнитных волн в атмосфере является затухание (ослабление) поля с расстоянием и временем. Поглощающими и рассеивающими средами в атмосфере являются как неоднородности воздуха, так и находящиеся в воздухе капли воды и кристаллы льда.

Рассеяние энергии радиоволн имеет следствием не только ослабление поля, но также и отражение энергии. Всякого рода неоднородности в самой атмосфере рассеивают энергию, которая, интерферируя с полем прямой волны, обусловливает флуктуации последнего, а также увеличивает напряженность поля и тем самым увеличивает дальность распространения, а следовательно, и дальность приема. Такого рода неоднородности могут иметь как форму слоев, так и форму случайно расположенных объемов.

В чистой атмосфере некоторое ослабление сигналов обусловливается поглощением энергии молекулами газов за счет затраты работы на их колебания, а также на вторичное излучение. При этом имеется монотонное ослабление с укорочением длины волны и резонансное, обязанное тому, что частоты собственных колебаний молекул, имеющих постоянный дипольный момент, могут совпадать с частотами электромагнитного поля. Для кислорода резонансные длины волн равны 0,5 и 0,25 см, а для водяного пара 1,3 см. Вследствие этого волна с длиной 0,5 см на расстоянии в 1 км ослабевает более чем в 100 раз, а волна с длиной 1,33 см — более чем в 10 раз. Вне резонансных областей ослабление невелико. Так, амплитуда волн длиной 3 см на 100 км ослабевают в 18 раз, а волн длиной 10 см — в 11 раз.

Нерезонансное поглощение волн 10-сантиметрового диапазона уменьшает дальность обнаружения цели, находящейся на расстоянии 200 км, на 10%, а волн 3-сантиметрового диапазона — на 25%. Степень ослабления поля увеличивается с увеличением плотности воздуха и содержания в нем водяных паров.

Если для чистой атмосферы доля рассеяния в общем ослаблении радиосигналов пренебрежимо мала, то при наличии в воздухе пыли и гидрометеоров доля рассеяния увеличивается с увеличением размеров примесей (капель, пыли) и уменьшением длины волны. В обычных осадках доля рассеяния в несколько раз меньше доли поглощения.

Степень ослабления радиоволн в осадках зависит от их водности, размеров капель и температуры. Наименьшее ослабление наблюдается в тумане, наибольшее в тропическом дожде. Туманы при температуре воздуха 0° вызывают большее сокращение дистанции обнаружения, чем туманы при +15°. Это объясняется увеличением поляризации капель воды с ростом температуры воздуха.

При визуальной видимости в тумане более 90 м дальность радиолокационного обнаружения практически не зависит от тумана; при видимости менее 45 м дальность обнаружения для объектов с хорошей отражательной способностью заметно сокращается, а с плохой — сокращается несколько меньше. Такая закономерность объясняется тем, что поглощение энергии в среде пропорционально самой энергии, попадающей в нее.

Облака влияют на ослабление радиосигнала так же, как и туманы, т. е. ослабление пропорционально водности, и только мощные кучевые и кучево-дождевые облака сильно ослабляют сигналы из-за больших размеров капель в них. Кроме ослабления сигнала, рассеяние радиоволн в облаках и осадках приводит к тому, что сигнал вторичного излучения (отраженный) принимается радиолокационной станцией, как помеха, затрудняющая наблюдение за полезной целью (маскирует ее).

Ослабление радиоволн при выпадении града обычно много меньше, чем в случае выпадения дождя той же водности.

Сигналы, отраженные от снега, зависят от интенсивности снега (водности), размеров снежинок и главным образом от наличия на них слоя воды (смачивания). При низких температурах отраженные от снега сигналы намного слабее сигналов от дождя равной водности. Отраженные сигналы от мокрого снега больше, чем сигналы от дождя равной интенсивности. Это объясняется тем, что отражающая поверхность мокрого снега больше, чем капель с таким же количеством воды, а электрическая проницаемость его смоченной поверхности равна таковой для капель дождя. Сухой же снег имеет электрическую проницаемость в десятки раз меньшую, чем вода, вследствие чего он слабо отражает радиоволны.

До сих пор отражения радиоволн от облаков и осадков мы рассматривали как помехи для радиолокационного наблюдения. В то же время эти отражения широко используются для метеорологических наблюдений. С помощью радиолокационных станций представляется возможным вести наблюдения за облаками и осадками на расстояниях в сотни километров, причем одновременно обозревать большие пространства.

Эти наблюдения позволяют определять области, занятые облаками и осадками, интенсивность осадков по интенсивности отраженного сигнала, скорость и направление перемещения облаков по данным повторных наблюдений, а также определять характер осадков. Так, внутримассовые осадки на индикаторе кругового обзора представляются в виде разбросанных по полю экрана пятен, а в случае фронтальных осадков пятна расположены в виде сплошной полосы. Осадки тропических циклонов представляются в виде яркого слитного пятна с быстроменяющимися формами краев, которые напоминают брызги, вылетающие от центра пятна по спиралям. Обычно на окраине пятна имеется незасвеченная площадь в виде полуокружности. Так изображается «глаз бури» — центр тропического циклона, в котором отмечается прояснение. Он не попадает в центр пятна потому, что из-за ослабления энергии в передней части циклона его тыловая часть не освещается радиолокатором.

Таким образом, представляется возможным освещать метеорологическую обстановку в районах, где нет обычных метеорологических наблюдений, например над морями и океанами. Такие наблюдения широко используются для службы предупреждений об опасных метеорологических явлениях как на кораблях, так и в базах и на аэродромах. Кроме этого, радиолокационные наблюдения за облаками и осадками используются для определения их вертикальной протяженности, что обычными средствами наблюдений производить не представляется возможным.

Радиолокационные наблюдения за облаками и осадками имеют большое значение для изучения их структуры. Например, установлено, что облака состоят из отдельных элементов разной водности; размеры этих элементов — от нескольких сотен метров до нескольких километров. Представляется также возможным определять слои в облаках, где происходит обледенение самолетов.

С помощью радиолокационных наблюдений за облаками и осадками установлено, что фронтальные облачные системы и осадки не являются непрерывными; в зоне фронта обнаруживаются разрывы, характеризующиеся ясным небом.

АКУСТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В АТМОСФЕРЕ

Звук является частным случаем упругих колебаний среды с малыми амплитудами. В связи с этим состояние среды (в данном случае атмосферы) существенным образом сказывается на распространении звуковой энергии. Изучением зависимости распространения звука в атмосфере от состояния последней занимается атмосферная акустика

Закономерности атмосферной акустики необходимы для расчетов звуковых средств навигационного оборудования и звукометрической разведки. Кроме того, методы атмосферной акустики используются для исследования атмосферы. Основными характеристиками атмосферной акустики являются скорость и сила звука. Под силой звука понимается количество энергии, проносимой звуковой волной в единицу времени через единицу поверхности, перпендикулярной к направлению распространения звуковой волны.

Человеческое ухо воспринимает звуковые колебания в интервале от 40 до 20 000 гц. Более низкие и более высокие частоты обнаруживаются только с помощью специальных приборов. Наибольшая чувствительность восприятия приходится на частоты 1000—3000 гц.

При изучении акустических (звуковых) явлений нас в первую очередь интересует скорость звука и условия распространения звуковых волн в атмосфере.

Скорость звука. Скорость звука в воздухе определяется формулой Лапласа:

где р — давление; ρ — плотность воздуха; cv — теплоемкость воздуха при постоянном давлении; cp — теплоемкость воздуха при постоянном объеме. Используя уравнение состояния газа, можно получить ряд зависимостей скорости звука от метеорологических параметров.

Скорость звука в сухом воздухе определяется по формуле с0 = 20,1 √Т м/с, а во влажном воздухе с0 = 20,1 √ТВ м/с, где ТВ = так называемая акустическая виртуальная температура, которая определяется по формуле ТВ = Т (1+ 0,275 е/р).

При изменении температуры воздуха на 1° скорость звука изменяется на 0,61 м/с. Скорость звука зависит от величины отношения е/р (отношение влажности к давлению), но эта зависимость мала, и, например, при упругости водяного пара менее 7мм пренебрежение ею дает ошибку в скорости звука, не превышающую 0,5 м/сек.

При нормальном давлении и Т = 273°  (0 °С) скорость звука в сухом воздухе равна 331 м/сек. Во влажном воздухе скорость звука может быть определена по формуле с = 331 + 0,6t + 0,07е.

В диапазоне температур (t) от —20° до +30° эта формула дает ошибку в скорости звука не более ± 0,5 м/сек. Из приведенных формул видно, что скорость звука повышается с повышением температуры и влажности воздуха.

С высотой температура, упругость водяного пара и давление воздуха изменяются, следовательно, и скорость звука тоже. Рассмотрим изменение скорости звука с изменением температуры воздуха. Полагая, что изменение температуры с высотой происходит по линейному закону, т. е. T = T0 – γh, получим выражение для скорости звука в сухом воздухе

где T0 — температура воздуха у земной поверхности; γ — вертикальный градиент температуры.

Из этой формулы следует, что в обычных атмосферных условиях скорость звука с высотой уменьшается.

Наличие ветра в атмосфере вызывает дрейф звуковой волны, что создает впечатление смещения источника звука. Скорость звука в этом случае (c1) определится выражением c1 = c + U cos ω, где U—скорость ветра; ω — угол между направлением ветра в точке наблюдения и наблюдаемым направлением прихода звука.

Следовательно, наибольшая скорость звука отмечается в направлении ветра, а наименьшая — в противоположном направлении.

Рефракция звука. Как мы уже отметили, скорость звука в атмосфере является функцией температуры, упругости водяного пара и скорости ветра. Если ограничить рассмотрение небольшим по горизонтали районом, то максимальные изменения вышеуказанных элементов будут иметь место в вертикальном направлении, поэтому и скорость звука будет изменяться главным образом по вертикали.  

 

А	Б	В
Г		д

 

 

Рис. 1.5.3.

Если источник звука находится на некоторой высоте от земной поверхности, зоны слышимости определяются в зависимости от распределения по высоте температуры воздуха. На приведенных рисунках представлен ход звуковых лучей в случае понижения температуры c высотой (рис. 1.5.3а), в случае высотной инверсии (рис. 1.5.3б) и в случае приземной инверсии (рис. 1.5.3в). Заштрихованные области представляют собой зоны звуковой тени.

Изменение ветра с высотой оказывает заметное влияние на распространение звукового луча. На приведенных ниже рисунках изображены траектории звуковых лучей и распределение зон слышимости в случае увеличения (рис 1.5.3г) и уменьшения (рис. 1.5.3д) скорости ветра с высотой. Из рисунков видно, что в зависимости от хода ветра по высоте зоны звуковой тени перемещаются в противоположные направления.

Ослабление звука. По мере удаления от источника происходит ослабление силы звука. Причиной ослабления звуковой энергии является то, что звуковая энергия точечного источника по мере удаления от него распределяется по все большей и большей сферической поверхности. Сила звука убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от источника. Второй причиной ослабления звука является поглощение энергии атмосферой.

Ослабление звука в атмосфере определяется поглощением энергии молекулами воздуха и неоднородностями атмосферы (турбулентные неоднородности температуры, влажности воздуха, жидкие и твердые примеси).

В общем случае, чем более устойчива и 'однородна атмосфера, тем меньше в ней потери энергии и тем лучше слышимость Вот почему зимой и ночью ослабление звука меньше, чем летом и днем. 

 

Грозовое электричество.

В атмосфере Земли всегда существует электрическое поле, которое создается отрицательным зарядом Земли и положительным зарядом облаков или атмосферы. Характеристикой поля в данной точке служит напряженность (Е) или градиент потенциала, т. е.

 где dV/dn- производная от потенциала по нормали; у поверхности Земли она в среднем равна 130 в/м.

Из физики известно, что электрические токи в газах возникают в результате движения заряженных частиц (ионов). Основными ионизаторами тропосферы являются радиоактивные элементы, находящиеся в составе Земли и атмосферы, а также космическое излучение.

Вследствие малой проникающей способности радиоактивного излучения в атмосфере ионизирующее действие на нее радиоактивных элементов Земли невелико. Для слоя до 2—3 км от земной поверхности существенное ионизирующее воздействие оказывают частички радиоактивных веществ, находящихся в атмосфере во взвешенном состоянии. Так, в слое 0—0,5 км на 75% ионизация атмосферы обязана этим ионизаторам, а в слое 0,5—1,0 км доля воздействия этих ионизаторов составляет 35%; 65% ионизации осуществляется здесь уже за счет воздействия космических лучей. Начиная с высот 4-5 км, ионизация атмосферы полностью обязана космическому излучению.

Первичными космическими частицами, проникающими из мирового пространства, являются протоны. В атмосфере, взаимодействуя с атомами газов, они образуют поток разнообразных частиц (электроны, позитроны, фотоны, мезоны и т. д.).

Электрическое поле атмосферы определяется плотностью тока (количеством ионов, проходящих в 1 сек. через единицу площади) и ее проводимостью. Проводимость есть сумма произведений количества полярных ионов на их заряды и подвижность. Последняя представляет собой скорость движения ионов под действием электрической силы в поле с напряженностью, равной единице. Подвижность ионов в лабораторных условиях составляет величину 1-2 см/с; она зависит от природы ионизируемого газа.