大氣射電窗

帕考爾楚克著,王綬琯等譯：《射電天體物理學(xué)》,科學(xué)出版社，北京，1973。(A.G.Pacholczyk,Radio Astrophysics,W.H.Freeman,San Francisco,1970.)

對(duì)流層、平流層的影響從地面起到高約 12公里（因緯度而有差異）的空間是對(duì)流層，再往上到高約50公里的空間是平流層,繼續(xù)往上到高約1,000公里的空間是電離層。對(duì)流層的水汽和氧氣，平流層的臭氧，均對(duì)電磁波有吸收作用。降雨時(shí)，雨滴對(duì)電磁波有散射和吸收作用。這些作用就是射電窗高頻截止的基本原因。在1,000兆赫到300京赫的微波頻段內(nèi)，大氣的吸收譜線主要有：22京赫和 183京赫的水汽吸收線、60京赫附近和118京赫的氧氣吸收線和100京赫以上的許多條較弱的臭氧吸收線。在微波頻段，特別是在高頻端，水汽和氧氣的非諧振吸收仍頗顯著。例如，按照標(biāo)準(zhǔn)大氣模型（水汽隨高度的變化在15公里以下為指數(shù)型，水汽密度的地面值為10克/米,密度標(biāo)高取2公里；15公里以上水汽固定不變，混合比取為2×10），大氣對(duì)來(lái)自天頂方向的100京赫和300京赫的微波衰減,分別約為1分貝和10分貝。雨滴對(duì)10京赫以上的電磁波有顯著衰減作用，衰減值與雨滴大小的分布、降雨強(qiáng)度的空間分布等密切相關(guān)。現(xiàn)在人們多采用冪律式來(lái)統(tǒng)計(jì)衰減率A(單位是分貝/公里)和降雨率R（單位是毫米/小時(shí)）間的關(guān)系,即A=αR（其中β ≈1隨頻率的變化不明顯,α 隨頻率的改變則很大；約在70京赫以下，α 隨頻率的增高而增加，不同地區(qū)的α和β 亦有所不同。

電離層的影響電磁波傳播到電離層會(huì)發(fā)生反射和衰減。當(dāng)電磁波的頻率低于電離層（F層）的臨界頻率時(shí)，就要受到電離層的反射，這就是射電窗低頻截止的基本原因。電離層的臨界頻率與最大電子密度的平方根成正比，而電子密度又隨太陽(yáng)活動(dòng)、太陽(yáng)高度角、地理經(jīng)緯度等因素的不同而變化。一般說(shuō)來(lái)，電離層的臨界頻率很少高于15兆赫,但可低于9兆赫。電離層的電子密度隨高度而變化,因此,電離層的折射率也隨高度而變化，這就引起電磁波在電離層傳播時(shí)產(chǎn)生折射現(xiàn)象。當(dāng)電磁波的頻率接近臨界頻率時(shí)，電磁波的折射達(dá)到最大，直至發(fā)生反射。如果電磁波的頻率高于臨界頻率，電磁波就可以穿透電離層。電離層的 D層是使電磁波衰減的主要區(qū)域。衰減源于電子與中性分子的碰撞，衰減的大小正比于電子密度和碰撞頻率的乘積，反比于電磁波頻率的平方。在中緯度地區(qū),頻率為100兆赫的電磁波垂直穿透電離層時(shí),白天和夜晚的衰減值分別為0.05分貝和0.005分貝。在強(qiáng)太陽(yáng)耀斑發(fā)生后,100兆赫的電磁波的衰減值可達(dá) 1分貝。電子密度起伏造成的電離層微小的不均勻性,也會(huì)引起電磁波的閃爍。角徑約小于30′的射電源，其射電信號(hào)在通過(guò)射電窗后就可能有此現(xiàn)象。這種信號(hào)強(qiáng)度起伏的時(shí)間尺度,在200兆赫以下的頻段上，量級(jí)約為1分鐘。

穿透大氣的一些波段

大氣窗口（atmospheric window）

指天體輻射中能穿透大氣的一些波段。由于地球大氣中的各種粒子對(duì)輻射的吸收和反射，只有某些波段范圍內(nèi)的天體輻射才能到達(dá)地面。按所屬范圍不同分為光學(xué)窗口、紅外窗口和射電窗口。

大氣窗口光學(xué)窗口

可見(jiàn)光波長(zhǎng)約300～700nm。波長(zhǎng)短于300nm的天體紫外輻射，在地面上幾乎觀測(cè)不到，因?yàn)?00～300nm的紫外輻射被大氣中的臭氧層吸收，只能穿透到約50公里高度處；100～200nm的遠(yuǎn)紫外輻射被氧分子吸收，只能到達(dá)約100公里的高度；而大氣中的氧原子、氧分子、氮原子、氮分子則吸收了波長(zhǎng)短于100nm的輻射。300～700nm的輻射受到的選擇吸收很小，主要因大氣散射而減弱。

大氣窗口紅外窗口

水汽分子是紅外輻射的主要吸收體。較強(qiáng)的水汽吸收帶位于0.71～0.735μ（微米），0.81～0.84μ，0.89～0.99μ，1.07～1.20μ，1.3～1.5μ，1.7～2.0μ，2.4～3.3μ，4.8～8.0μ。在13.5～17μ處出現(xiàn)二氧化碳的吸收帶。這些吸收帶間的空隙形成一些紅外窗口。其中最寬的紅外窗口在8～13μ處（9.5μ附近有臭氧的吸收帶）。17～22μ是半透明窗口。22μ以后直到1毫米波長(zhǎng)處，由于水汽的嚴(yán)重吸收，對(duì)地面的觀測(cè)者來(lái)說(shuō)完全不透明。但在海拔高、空氣干燥的地方，24.5～42μ的輻射透過(guò)率達(dá)30～60%。在海拔3.5公里高度處，能觀測(cè)到330～380μ、420～490μ、580～670μ（透過(guò)率約30%）的輻射，也能觀測(cè)到670～780μ（約70%）和800～910μ（約85%）的輻射。

大氣窗口射電窗口

這個(gè)波段的上界變化于15～200米之間，視電離層的密度、觀測(cè)點(diǎn)的地理位置和太陽(yáng)活動(dòng)的情況而定（見(jiàn)大氣射電窗）。

常用大氣窗口

由于大氣對(duì)電磁波散射和吸收等因素的影響，使一部分波段的太陽(yáng)輻射在大氣層中的透過(guò)率很小或根本無(wú)法通過(guò)。電磁波輻射在大氣傳輸中透過(guò)率較高的波段稱為大氣窗口。為了利用地面目標(biāo)反射或輻射的電磁波信息成像，遙感中對(duì)地物特性進(jìn)行探測(cè)的電磁波“通道”應(yīng)選擇在大氣窗口內(nèi)。目前在遙感中使用的一些大氣窗口為：

1、0.3～1.155μm，包括部分紫外光、全部可見(jiàn)光和部分近紅外，即紫外、可見(jiàn)光、近紅外波段。這一波段是攝影成像的最佳波段，也是許多衛(wèi)星遙感器掃描成像的常用波段。比如，Landsat衛(wèi)星的TM的1～4波段；SPOT衛(wèi)星的HRV波段等。其中：0.3～0.4μm，透過(guò)率約為70%；0.4~0.7μm，透過(guò)率大于95%；0.7~1.1μm，透過(guò)率約為80%。

2、1.4~1.9μm，近紅外窗口，透過(guò)率為60%~95%，其中1.55~1.75μm透過(guò)率較高。該波段在白天日照條件好的時(shí)候掃描成像常用這些波段。比如，TM的5、7b波段等用以探測(cè)植物含水量以及云、雪或用于地質(zhì)制圖等。

3、2.0~2.5μm，近紅外窗口，透過(guò)率約80%。

4、3.5~5.0μm，中紅外窗口，透過(guò)率為60%~70%。該波段物體的熱輻射較強(qiáng)。這一區(qū)間除了地面物體反射太陽(yáng)輻射外，地面物體自身也有長(zhǎng)波輻射。比如，NOVV衛(wèi)星的AVHRR遙感器用3.55~3.93μm探測(cè)海面溫度，獲得晝夜云圖。

5、8.0~14.0μm，熱紅外窗口，透過(guò)率約80%。主要來(lái)自物體熱輻射的能量，適于夜間成像，測(cè)量探測(cè)目標(biāo)的地物溫度。

6、1.0~1.8mm，微波窗口，透過(guò)率約35%~40%。

7、2.0~5.0mm，微波窗口，透過(guò)率約50%~70%。

8、8.0~1000.0mm，微波窗口，透過(guò)率約100%。由于微波具有穿云透霧的特性，因此具有全天候、全天時(shí)的工作特點(diǎn)。而且由前面的被動(dòng)遙感波段過(guò)渡到微波的主動(dòng)遙感波段。

紅外輻射大氣窗口是指大氣對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外輻射具有不同的透過(guò)率，其中透過(guò)率較高的波段范圍稱為大氣窗口。