Для слоя однородной среды единичного сечения

где k'_п — массовый коэффициент поглощения, т. е. коэффициент поглощения на единицу массы поглощающего вещества (м²×г^-1); r — плотность среды (г×м^-3).

Коэффициенты поглощения можно рассчитывать на основе учета поглощения излучения данной длины волны или частоты каждой линией спектра, а также на основе моделей полос поглощения. Эти коэффициенты очень часто определяются и экспериментально — в естественных или лабораторных условиях.

Физическая природа рассматриваемого процесса заключается в поглощении излучения отдельными спектральными линиями.

Ширина спектральной линии зависит от следующих факторов:

- - -радиационного затухания;

- - от уширения линий за счет эффекта Доплера, возникающего при тепловом движении молекул;

- - от уширения линий за счет столкновений молекул.

Как показали специальные исследования этих процессов, в приземном слое (до 20 км) ширина спектральных линий обусловлена главным образом столкновениями молекул. Теория процесса была разработана Лоренцем, который дал формулу распределения интенсивности в спектральной линии поглощения как функции частоты n. Для группы перекрещивающихся линий спектральный коэффициент поглощения

где I_i — интегральная интенсивность i-й перекрывающейся линии; g_i — полуширина линии; n_0i — частота центра линии.

Квантовая механика позволяет определить значения k_п(n) в чисто вращательных спектрах, однако для длин волн менее 10 мкм необходимо учитывать и колебательные спектры молекул отдельных составляющих атмосферы и, в первую очередь, водяного пара. Аналитическое решение для l<10 мкм практически невозможно, поэтому для вычисления k_п и t_п пользуются так называемыми моделями полос поглощения.

Экспериментально было определено, что в УФ и в ближней к ней видимой областях спектра основные линии поглощения создаются озоном (0,2...0,3; 0,32...0,35 и 0,45... 0,48 мкм).

Приведем некоторые результаты исследований колебательно-вращательных ИК спектров поглощения в атмосфере.

Наиболее мощная поглощающая компонента Н₂О имеет значительные полосы, располагающиеся около 0,94; 1,1; 1,38; 1,87; 2,7; 3,2; 6,3 мкм. Наличие этих полос вызвано колебательно-вращательным движением молекул воды. Чисто вращательный спектр поглощения воды создает полосы, располагающиеся в диапазоне от 10 мкм до миллиметровой границы.

Молекулы углекислого газа СО₂ создают значительное поглощение около 1,4; 1,6; 2,0; 4,3; 4,8; 5,2; 9,4; 10,4; 13,9 мкм.

 Молекулы озона наиболее значительно ослабляют излучение в области 9,6 мкм.

В совокупности эти полосы, а также полосы других, слабее поглощающих компонентов (N₂O, СО, СН₄, HDO) создают так называемую картину поглощения излучения атмосферой (рис. 4.1), которая меняется в зависимости от концентрации и состояния отдельных поглощающих веществ.

Для расчетов ОЭП очень важно отметить наличие «окон» пропускания атмосферы. Так, в атмосфере приземного слоя имеются следующие окна: 0,95...1,05; 1,2...1,3; 1,5...1,8; 2,1...2,4; 3,3...4,2; 4,5...5,0; 8...13 мкм. С увеличением высоты плотность воздуха и количество поглощающих компонентов уменьшаются, что приводит к весьма заметному расширению «окон» пропускания атмосферы.

На основе практических измерений поглощения в атмосфере Эльдером и Стронгом была предложена следующая формула для вычисления (в процентах) значения t_п на трассах, расположенных на высотах 2...3 км:

 (4.4)

где t₀ и k₁ — постоянные для рассматриваемого участка спектра, (табл. 4.1); w = w₀l — толщина слоя осажденной воды (водность) км; w₀ — количество осажденной воды на трассе длиной 1 км; l — путь излучения, км.

Величина w₀ может быть найдена как функция температуры воздуха t (рис. 4.2) и практически равна абсолютной влажности, или концентрации водяного пара a_H.

Рис. 4.2. К определению абсолютной влажности.

Для определения w₀ необходимо умножить значение относительной влажности на количество осажденной воды. Например, при t=10°С и относительной влажности 60% w₀=10×0,6=6 мм·км^-1. Для высот Н>3км по методике Эльдера и Стронга следует вводить поправку на высоту, и тогда

где Н измеряется в километрах.

Наиболее распространенными методами расчета коэффициента пропускания t_п(l), обусловленного поглощением, являются метод учета отдельных составляющих поглощения с последующим их объединением и несколько более приближенный, но и более простой метод, использующий модели земной атмосферы, среди которых наиболее известна модель LOWTRAN [30].

Таким образом, поглощение излучения имеет ярко выраженный селективный характер и проявляется в виде полос поглощения или их совокупности, разделенных окнами пропускания с незначительным поглощением. Внутри окон пропускания атмосферы основное ослабление излучения происходит в результате рассеяния