大气射电窗

帕考尔楚克著,王绶琯等译：《射电天体物理学》,科学出版社，北京，1973。(A.G.Pacholczyk,Radio Astrophysics,W.H.Freeman,San Francisco,1970.)

对流层、平流层的影响从地面起到高约 12公里（因纬度而有差异）的空间是对流层，再往上到高约50公里的空间是平流层,继续往上到高约1,000公里的空间是电离层。对流层的水汽和氧气，平流层的臭氧，均对电磁波有吸收作用。降雨时，雨滴对电磁波有散射和吸收作用。这些作用就是射电窗高频截止的基本原因。在1,000兆赫到300京赫的微波频段内，大气的吸收谱线主要有：22京赫和 183京赫的水汽吸收线、60京赫附近和118京赫的氧气吸收线和100京赫以上的许多条较弱的臭氧吸收线。在微波频段，特别是在高频端，水汽和氧气的非谐振吸收仍颇显著。例如，按照标准大气模型（水汽随高度的变化在15公里以下为指数型，水汽密度的地面值为10克/米,密度标高取2公里；15公里以上水汽固定不变，混合比取为2×10），大气对来自天顶方向的100京赫和300京赫的微波衰减,分别约为1分贝和10分贝。雨滴对10京赫以上的电磁波有显著衰减作用，衰减值与雨滴大小的分布、降雨强度的空间分布等密切相关。现在人们多采用幂律式来统计衰减率A(单位是分贝/公里)和降雨率R（单位是毫米/小时）间的关系,即A=αR（其中β ≈1随频率的变化不明显,α 随频率的改变则很大；约在70京赫以下，α 随频率的增高而增加，不同地区的α和β 亦有所不同。

电离层的影响电磁波传播到电离层会发生反射和衰减。当电磁波的频率低于电离层（F层）的临界频率时，就要受到电离层的反射，这就是射电窗低频截止的基本原因。电离层的临界频率与最大电子密度的平方根成正比，而电子密度又随太阳活动、太阳高度角、地理经纬度等因素的不同而变化。一般说来，电离层的临界频率很少高于15兆赫,但可低于9兆赫。电离层的电子密度随高度而变化,因此,电离层的折射率也随高度而变化，这就引起电磁波在电离层传播时产生折射现象。当电磁波的频率接近临界频率时，电磁波的折射达到最大，直至发生反射。如果电磁波的频率高于临界频率，电磁波就可以穿透电离层。电离层的 D层是使电磁波衰减的主要区域。衰减源于电子与中性分子的碰撞，衰减的大小正比于电子密度和碰撞频率的乘积，反比于电磁波频率的平方。在中纬度地区,频率为100兆赫的电磁波垂直穿透电离层时,白天和夜晚的衰减值分别为0.05分贝和0.005分贝。在强太阳耀斑发生后,100兆赫的电磁波的衰减值可达 1分贝。电子密度起伏造成的电离层微小的不均匀性,也会引起电磁波的闪烁。角径约小于30′的射电源，其射电信号在通过射电窗后就可能有此现象。这种信号强度起伏的时间尺度,在200兆赫以下的频段上，量级约为1分钟。

穿透大气的一些波段

大气窗口（atmospheric window）

指天体辐射中能穿透大气的一些波段。由于地球大气中的各种粒子对辐射的吸收和反射，只有某些波段范围内的天体辐射才能到达地面。按所属范围不同分为光学窗口、红外窗口和射电窗口。

大气窗口光学窗口

可见光波长约300～700nm。波长短于300nm的天体紫外辐射，在地面上几乎观测不到，因为200～300nm的紫外辐射被大气中的臭氧层吸收，只能穿透到约50公里高度处；100～200nm的远紫外辐射被氧分子吸收，只能到达约100公里的高度；而大气中的氧原子、氧分子、氮原子、氮分子则吸收了波长短于100nm的辐射。300～700nm的辐射受到的选择吸收很小，主要因大气散射而减弱。

大气窗口红外窗口

水汽分子是红外辐射的主要吸收体。较强的水汽吸收带位于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处出现二氧化碳的吸收带。这些吸收带间的空隙形成一些红外窗口。其中最宽的红外窗口在8～13μ处（9.5μ附近有臭氧的吸收带）。17～22μ是半透明窗口。22μ以后直到1毫米波长处，由于水汽的严重吸收，对地面的观测者来说完全不透明。但在海拔高、空气干燥的地方，24.5～42μ的辐射透过率达30～60%。在海拔3.5公里高度处，能观测到330～380μ、420～490μ、580～670μ（透过率约30%）的辐射，也能观测到670～780μ（约70%）和800～910μ（约85%）的辐射。

大气窗口射电窗口

这个波段的上界变化于15～200米之间，视电离层的密度、观测点的地理位置和太阳活动的情况而定（见大气射电窗）。

常用大气窗口

由于大气对电磁波散射和吸收等因素的影响，使一部分波段的太阳辐射在大气层中的透过率很小或根本无法通过。电磁波辐射在大气传输中透过率较高的波段称为大气窗口。为了利用地面目标反射或辐射的电磁波信息成像，遥感中对地物特性进行探测的电磁波“通道”应选择在大气窗口内。目前在遥感中使用的一些大气窗口为：

1、0.3～1.155μm，包括部分紫外光、全部可见光和部分近红外，即紫外、可见光、近红外波段。这一波段是摄影成像的最佳波段，也是许多卫星遥感器扫描成像的常用波段。比如，Landsat卫星的TM的1～4波段；SPOT卫星的HRV波段等。其中：0.3～0.4μm，透过率约为70%；0.4~0.7μm，透过率大于95%；0.7~1.1μm，透过率约为80%。

2、1.4~1.9μm，近红外窗口，透过率为60%~95%，其中1.55~1.75μm透过率较高。该波段在白天日照条件好的时候扫描成像常用这些波段。比如，TM的5、7b波段等用以探测植物含水量以及云、雪或用于地质制图等。

3、2.0~2.5μm，近红外窗口，透过率约80%。

4、3.5~5.0μm，中红外窗口，透过率为60%~70%。该波段物体的热辐射较强。这一区间除了地面物体反射太阳辐射外，地面物体自身也有长波辐射。比如，NOVV卫星的AVHRR遥感器用3.55~3.93μm探测海面温度，获得昼夜云图。

5、8.0~14.0μm，热红外窗口，透过率约80%。主要来自物体热辐射的能量，适于夜间成像，测量探测目标的地物温度。

6、1.0~1.8mm，微波窗口，透过率约35%~40%。

7、2.0~5.0mm，微波窗口，透过率约50%~70%。

8、8.0~1000.0mm，微波窗口，透过率约100%。由于微波具有穿云透雾的特性，因此具有全天候、全天时的工作特点。而且由前面的被动遥感波段过渡到微波的主动遥感波段。

红外辐射大气窗口是指大气对不同波长的红外辐射具有不同的透过率，其中透过率较高的波段范围称为大气窗口。