Расчет показателя преломления

1. Расчет показателя преломления

2.

• Цель работы
• Изучить особенности влияния рефракции на
распространение радиоволн в атмосфере.
Рассчитать послойные значения показателя
преломления радиоволн и его вертикальный
градиент в реальной атмосфере.
Проанализировать полученные
характеристики рефракции, определить тип
рефракции, сравнить результаты с
соответствующими для стандартной
атмосферы.

3.

• Материалы для работы
• 1. Данные комплексного
температурно-ветрового зондирования
атмосферы (ТАЭ-3).
• 2. Психрометрические таблицы.
• 3. Миллиметровка.
• 4. Калькулятор.

4.

• Для метеорологической радиолокации
используются станции излучающие
радиоволны длиной волны от 1 см до 10
см. Радиоволны сантиметрового
диапазона распространяются в
атмосфере не прямолинейно, а по
криволинейным траекториям. Причиной
этого является атмосферная
рефракция, обусловленная, в свою
очередь, диэлектрической
неоднородностью атмосферы.

5.

• Диэлектрические свойства атмосферы
характеризуются диэлектрической
проницаемостью составляющих атмосферу
газов. Диэлектрическая проницаемость (ε)
газа определяется его молекулярным весом,
плотностью, температурой и электрическими
свойствами молекул (поляризацией их в
электрическом поле).
• Реальный воздух можно рассматривать как
смесь сухого воздуха и водяного пара,
молекулы которого хорошо поляризируются.

6.

• Диэлектрическая проницаемость влажного воздуха
будет суммарной величиной:
• (ε – 1) · 106 = (156 / Т) · (р + 4800e / T - e / T),
• По известной ε можно рассчитать показатель
преломления (n) воздуха в исследуемом слое
атмосферы:
• Так как n – 1 ≈ 0,5 (ε – 1), то:
• (n – 1) · 106 = (78 / Т) (р + 4799 e / T) или
• n = 1 + [(78 / Т)(р + 4799 e / T)] · 10-6
• Известно, что у поверхности Земли:
• 260 ≤ (n – 1) ·106 ≤ 460

7.

• На практике для характеристики радиорефракции
пользуются не абсолютными значениями n, а
скоростью его изменения с высотой (h), то есть
вертикальным градиентом – dn / dh.
• Обычно искривление радиолуча происходит плавно
по некоторой кривой с радиусом кривизны:
• R = - (dn / dh)-1.
• При стандартном распределении атмосферных
характеристик (стандартная радиоатмосфера)
• dn / dh = - 4·10-8 м-1, при этом R = 25000 км.
• При некотором градиенте показателя преломления
радиус кривизны луча может быть равным радиусу
Земли (6370 км), тогда радиолуч будет огибать
Землю параллельно ее поверхности. Такой случай
рефракции называется критическим и
соответствующее значение градиента показателя
преломления:
• dn / dh = - 15,7·10-8 м-1.

8.

Различают три основных типа
радиорефракции: отрицательную,
нулевую, положительную.
2- Отрицательная рефракция
наблюдается при положительных
значениях градиента показателя
преломления, при этом радиолуч
переходит из менее плотной среды в
более плотную и отклоняется от земной
поверхности вверх. При отрицательной
рефракции дальность радиосвязи между
наземными пунктами уменьшается.
1- При нулевой рефракции градиент
показателя преломления равен нулю и
радиолуч остается прямолинейным.
Положительная рефракция возникает при
отрицательных значениях (dn/dh) и
делится на несколько видов:
пониженную(1-3), нормальную(3-4),
повышенную(4-5), критическую(5) и
сверхрефракцию(6).

9.

• При значениях dn/dh от 0 до - 4·10-8 м-1 рефракция называется
пониженной положительной.
• При dn/dh = - 4·10-8 м-1 – рефракция называется нормальной и
соответствует условиям стандартного распределения
атмосферных характеристик по высоте.
• При -15,7·10-8 ≤ dn/dh ≤ - 4·10-8 м-1 радиорефракция –
повышенная положительная.
• При dn/dh = -15,7 · 10-8 м-1 – критическая рефракция.
• Если dn/dh меньше критического значения (-15,7· 10-8 м-1 ), то
радиус кривизны луча меньше радиуса Земли, поэтому луч
будет испытывать многократное отражение от земной
поверхности. Такая ситуация в атмосфере называется –
сверхрефракцией.
• Критическая рефракция и сверхрефракция обусловливают
сверхдальнее распространение радиоволн по так называемым
атмосферным волноводам. При таких видах рефракции
существенно повышается дальность радиосвязи на СВЧ и
дальность радиолокационного наблюдения объектов.

10.

Порядок обработки
1. По полученным данным температурно-ветрового
зондирования (ТАЭ-3), используя психрометрические
таблицы, рассчитать значения показателя
преломления N на разных высотах в атмосфере,
• 2. Рассчитать вертикальный градиент показателя
преломления в каждом километровом слое
атмосферы и среднее значение по всем слоям.
• 3. Построить график N (h) на миллиметровой бумаге.
• 4. Определить тип рефракции в каждом слое,
сравнить с условиями стандартной атмосферы.
Сделать заключение об условиях распространения
радиоволн.

11. Поэтапный план работы

• Используем данные температурно-ветрового
зондирования, а именно – данные
изобарических поверхностей и данные
особых точек. Приоритет – особым точкам.
• Высоты выражаются в декаметрах.
• Вместо влажности U, используем
температуру точки росы TD и дефицит точки
росы D (или G).
• Составляем следующую таблицу.
• Таблица 1

12.

0
0
6
Н (дкм)
Р
t ,С
T ,К
G
TD
e
(n-1)*10
(Nед.)
dn/dh
1
2
3
4
5
6
7
8
9
70
999
8.8 281.8
1.4
7.4
10.2
325
590
934
3.8 276.8
0.4
3.4
7.74
301
-4.536E-08
870
902
0
3
7.57
292
-3.177E-08
3
276

13.

• 1. Выписываем только те значения высоты,
разность между которыми 300-400 гПа (не
менее 250).
• 2. Рассчитываем температуру точки росы ТD
по формуле
• TD (Ст.6)= t0,С (Ст.3) –D (Ст.5),
• 3. е – определяем по психрометрическим
таблицам, используя t0С и TD.
• 4. Рассчитываем Nед. по формуле (n-1)*10-6
(столбец 8)
• Nед.= (n-1)*106 =78/Т (Р+4800е/Т),
• где Т – в К

14.

• 5. Строим на миллиметровке график.
По оси абсцисс (Х) откладываем
значения Nед, а по оси ординат (У) –
высоту в км.
• Наносим данные стандартной
атмосферы. (график 1) – это
распределение коэффициента
преломления с высотой (расчетное и
стандартное)

15. Коэффициент преломления для стандартной атмосферы

Н, км
Nед.
0
335
0.5
314
1.0
293
1.5
273
2.0
255
2.5
238
3.0
222
4.0
194
5.0
171
6.0
150
7.0
133
8.0
118
9.0
101
10.0
92
12
10
8
(n-1)*106 (Nед.)
6
Nед стандартный
Na
4
2
0
80
130
180
230
280
330
380

16. Вопросы есть?...

Спасибо за внимание!