大氣射電窗

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

對流層、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。對流層的水汽和氧氣，平流層的臭氧，均對電磁波有吸收作用。降雨時，雨滴對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，按照標準大氣模型（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），大氣對來自天頂方向的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、降雨強度的空間分布等密切相關(guān)?，F(xiàn)在人們多采用冪律式來統(tǒng)計衰減率A(單位是分貝/公里)和降雨率R（單位是毫米/小時）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發(fā)生反射和衰減。當電磁波的頻率低于電離層（F層）的臨界頻率時，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活動、太陽高度角、地理經(jīng)緯度等因素的不同而變化。一般說來，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產(chǎn)生折射現(xiàn)象。當電磁波的頻率接近臨界頻率時，電磁波的折射達到最大，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,白天和夜晚的衰減值分別為0.05分貝和0.005分貝。在強太陽耀斑發(fā)生后,100兆赫的電磁波的衰減值可達 1分貝。電子密度起伏造成的電離層微小的不均勻性,也會引起電磁波的閃爍。角徑約小于30′的射電源，其射電信號在通過射電窗后就可能有此現(xiàn)象。這種信號強度起伏的時間尺度,在200兆赫以下的頻段上，量級約為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地面。按所屬范圍不同分為光學窗口、紅外窗口和射電窗口。

大氣窗口光學窗口

可見光波長約300～700nm。波長短于300nm的天體紫外輻射，在地面上幾乎觀測不到，因為200～300nm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的遠紫外輻射被氧分子吸收，只能到達約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毫米波長處，由于水汽的嚴重吸收，對地面的觀測者來說完全不透明。但在海拔高、空氣干燥的地方，24.5～42μ的輻射透過率達30～60%。在海拔3.5公里高度處，能觀測到330～380μ、420～490μ、580～670μ（透過率約30%）的輻射，也能觀測到670～780μ（約70%）和800～910μ（約85%）的輻射。

大氣窗口射電窗口

這個波段的上界變化于15～200米之間，視電離層的密度、觀測點的地理位置和太陽活動的情況而定（見大氣射電窗）。

常用大氣窗口

由于大氣對電磁波散射和吸收等因素的影響，使一部分波段的太陽輻射在大氣層中的透過率很小或根本無法通過。電磁波輻射在大氣傳輸中透過率較高的波段稱為大氣窗口。為了利用地面目標反射或輻射的電磁波信息成像，遙感中對地物特性進行探測的電磁波“通道”應選擇在大氣窗口內(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、全部可見光和部分近紅外，即紫外、可見光、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，透過率約為70%；0.4~0.7μm，透過率大于95%；0.7~1.1μm，透過率約為80%。

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

3、2.0~2.5μm，近紅外窗口，透過率約80%。

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

5、8.0~14.0μm，熱紅外窗口，透過率約80%。主要來自物體熱輻射的能量，適于夜間成像，測量探測目標的地物溫度。

6、1.0~1.8mm，微波窗口，透過率約35%~40%。

7、2.0~5.0mm，微波窗口，透過率約50%~70%。

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

紅外輻射大氣窗口是指大氣對不同波長的紅外輻射具有不同的透過率，其中透過率較高的波段范圍稱為大氣窗口。