基本介紹
- 中文名：自由大氣
- 外文名：free atmosphere
- 特點：遠離地面、不受地面摩擦力影響
- 範圍：冬季約500米、夏季約2000米以上
介紹,特徵,重力波,天氣背景,主要特徵,觀測方法,水汽壓,平衡運動,地轉風,熱成風,梯度風,慣性圓,正壓與斜壓,紫外光通信,分類,現狀,
介紹
自由大氣（free atmosphere）是指遠離地面、不受地面摩擦力影響的大氣，通常是指2000米高度以上的大氣層。自由大氣層中，由於沒有摩擦力的作用，空氣的運動主要受氣壓梯度力和科里奧利力的影響。通常將單位距離內氣壓變化的大小稱為氣壓梯度，氣壓梯度使空氣產生運動的力稱為氣壓梯度力;科里奧利力或又簡稱為科氏力，是對旋轉體系中進行直線運動的質點由於慣性相對於旋轉體系產生的直線運動的偏移的一種描述。
特徵
（1）自由大氣遠離地面、不受地面摩擦力影響；
（2）自由大氣空氣的運動主要受氣壓梯度力和科里奧利力的影響；
（3）自由大氣與天氣發生、發展的物理過程有關；
（4）自由大氣距離地面2000米以上；
重力波
重力波可能引起各種中尺度環流以及動力學現象，包括觸發對流性風暴、傳輸能量和動量等，因此具有重要意義。
天氣背景
重力波是因靜力穩定大氣受到擾動而產生的慣性振盪的傳播。當氣塊受到擾動離開平衡高度向上移動時絕熱冷卻，重力使其回復到平衡位置。而當氣塊繼續向下運動時，氣塊絕熱增溫，浮力使其回復到平衡位置去。這種振動向外傳播便形成波動，由於引起氣塊上下移動的力是重力或浮力，因此這種波叫重力波或浮力波。
重力波是一種垂直橫波。這類波動水平傳播時，空氣質點上、下移動。與之相對照，縱波或壓縮波傳播時，質點運動是平行於波的傳播方向的。而水平橫波緯向傳播時，質點是作經向移動的。背風波也是一種重力波，是一種有與地形有關的固定發生源的重力波。
重力波可發生在大氣層的各個高度上。低至近地面層，高至75~100 km的高空都能觀測到重力波。它們一般可分為三種類型。第一種是發生在大氣很高層(高於20km)的重力波；第二種是發生在很低層(低於500 m)的重力波，這種波通常是開爾文-赫姆霍茨波(簡稱K-H波)，這類波的波長很短，它們通常是中、小尺度系統之間的聯繫者；第三種重力波是發生在500 m至20 km之間的大氣層，也就是大氣層主體中的重力波。
主要特徵
發生在大氣層主體中的重力波包括次天氣尺度和中尺度兩類，其中次天氣尺度重力波的波長長達上千千米。中尺度重力波波長範圍很寬。根據15名研究者的17份研究報告統計，中尺度重力波的波長為4.4~300 km，平均約34 km；振幅約852 m，氣壓振幅為0.1~5 hPa，平均為0.9 hPa；周期為4~160分鐘，平均約為27分鐘；相速為5.9~60 m/s，平均約為26 m/s。
觀測方法
早年對重力波的觀測主要使用微壓計。現代觀測中微壓計仍是主要儀器之一。現代的微壓計靈敏度很高，可測出10微巴以下的氣壓變化。根據觀測，典型的對流層中尺度重力波有兩種類型。一種是大振幅的不規則型(如圖3.1a所示)。另一種是振幅較小的較規則型。除了微壓計外，現代還用衛星、雷達、氣象飛機和聲學探測法等方法和工具來探測重力波。
水汽壓
水汽壓是一個基本的氣候要素，探討水汽壓的時空分布對於了解各地濕潤狀況有著重要意義。經前人研究，得出自由大氣水汽壓的基本特徵如下：
1.無論自由大氣或山地，水汽壓都以相當高的精度服從e = a ( P /1000)6規律垂直向上遞減。遞減的快慢取決於水汽壓遞減係數b, b越大，遞減越快。自由大氣中b平均為4,0，山地則為2.5。
2.水汽壓遞減係數與測點緯度、離大水體距離、山脈走向、拔海高度等地理條件以及和環流狀況、下墊面狀況等有關.對於自由大氣，以離大水體遠近和環流狀況影響最為顯著;而山地則以山脈走向和下墊面狀況影響為主。
3.水汽壓遞減係數存在著季節變化。在我國自由大氣水汽壓遞減係數年變化可以分為四種型式:全年少變型、春秋雙峰型、夏季型、冬季型.且以前兩種型式最為普遍;山地的遞減係數年變化可分為兩種:春秋雙峰型、冬季型。
4.自由大氣和山地水汽壓遞減係數的分布規律，既有共同點又有不同點.其共同點為:高原大於平原，平原大於盆地，乾燥地區大於濕潤地區，夏季分布比冬季均勻。不同在於:山地水汽壓遞減係數分布較自由大氣複雜，水平梯度比自由大氣大，尤以山脈的迎風坡和背風坡的水平梯度最大。另外，水體對自由大氣水汽壓遞減係數的影響有明顯的季節變化，而對山地則不然。
平衡運動
討論在一些力的平衡下的大氣水平運動，即所謂大氣平衡運動。這些平衡運動有：地轉風、梯度風、旋轉風等，這些平衡運動反映了大氣運動的基本特徵。
平衡流場：氣流方向無外力的定場水平流場。
地轉風
自由大氣中，水平氣壓梯度力與科氏力二者的平衡稱為地轉平衡；相應的空氣水平運動稱為地轉風。
在離地約1000米以上的自由大氣中，摩擦力很小。同時，我們也知道大尺度大氣運動非常接近水平，而且慣 性力相對又比較小 。因此，對於水平面上的大尺度大氣運動可以只考慮地轉偏向力和氣壓梯度力。
地轉風的方向平行於等高面上的等壓線或等壓面上的等高線，在北半球，背風而立，高壓在右，低 壓在左。在南半球則相反。地轉風的大小與水平氣壓梯度的大小或位勢梯度的大小成正比，與地轉參數及空氣密度成反比。在自由大氣中，一般把地轉風看作是實際風的一個良好近似，所以在天氣圖分析和預報時常用地轉風來代表實際風。
熱成風
地轉風隨高度的變化，如果在某氣層中平均氣溫是均勻分布的，則兩氣壓層間的垂直厚度也是均勻的。在這種情況下，氣壓場在垂直萬向上沒有改變，等壓面在垂直方間的坡度也不改變，地轉風不隨高度變化，各等壓面上最低高度的位置正好在同一垂直線上。如果氣層中平均溫度分布不均勻，右側比左側暖，這時最低氣壓的軸線愈往高處則愈偏於冷空氣一側。
一般當風自暖空氣吹向冷空氣時（暖平流），風向將隨高度作反氣旋式旋轉；當風自冷空氣吹向暖空氣時（冷平流），風向將隨高度作氣旋式旋轉。
梯度風
地轉風是地轉偏向力與氣壓梯度力嚴格平衡時的運動，這時空氣質點的速率和方向是不改變的，也就是說等壓線是直的。因此，在等壓線曲率較大的地區，或者沿氣流方典等壓線分布的疏密很不均勻的條件下，地轉風近似就比較差。在空氣質點運動時，如果其軌跡的曲率甚大，則向心加速度很顯著而切向加速度卻很小。這種情況下，地轉偏向力、氣壓梯度力和離心力相平衡，我們稱這種平衡運動為梯度風。
有氣旋性彎曲的氣流中，梯度風比地轉風小而在有反氣旋性彎曲的氣流中，梯度風要大於地轉風 。
慣性圓
慣性運動表現出了地球自轉的一個固有偏向本質，它只能改變運動的方向，而不能改變運動的速度，這就是地轉偏向力。在地轉偏向力起作用的運動中，運動總包含著一種以半擺日為周期的振動。
正壓與斜壓
正壓和斜壓是動力氣象學中的重要概念之一，是表示大氣中氣壓場和質量場分布的關係，這種分布關係對於大氣的運動有著很大的影響。如果在大氣中各個高度上等壓面和等密度面相重合，即大氣中氣壓場和質量場密度場滿足，這時密度分布僅決定於氣壓分 ，稱這種大氣是正壓的。在正壓大氣中，由於等壓面和等密度面相重合，因此等壓面也和等溫面相重合，故等壓面上沒有等溫線出現。而且任何兩個等壓面之間的氣層厚度到處相等，因此地轉風不隨高度改變，也就不存在熱成風。又由於正壓大氣中沒有風的垂直切變，所以可用一個層次（例如500毫巴等壓面）的運動狀況來代表整個大氣的情況。在正壓大氣中擾動也是可以發展的，但由於等壓面上水平溫度梯度為零，沒有位能的釋放，擾動發展的能源僅來平均運動動能的轉換。密度的空間分布不僅依賴於氣壓還依賴於密度，這種大氣狀態稱為斜壓。
紫外光通信
自由大氣紫外光通信（簡稱紫外光通信）是利用大氣中的粒子、氣凝膠、灰塵等微粒對日盲波段紫外光的散射作用進行信息傳輸的一種新型的通信模式，可工作在非視距方式下，具有低竊聽、低位辨、全方位、隱蔽性和抗干擾能力極強等優點，是滿足戰術通信要求的理想手段，尤其適用於在無線電靜默時段內調度部隊和指揮戰役。近年來，紫外光通信技術的研究倍受世界軍事強國的重視。
分類
陽光中的紫外輻射在通過地球大氣層時會受到對流層上部臭氧層對200—300nm的紫外光的強烈的吸收作用，使得這一波段的紫外輻射在海平面附近幾乎衰減為零，該波段被稱為"日盲區"。紫外光通信通常選用230—280nm這一波段，利用該波段的紫外光進行通信不會受到太陽光紫外線的干擾。紫外日盲區光源是紫外光通信系統中的關鍵部分，其特性直接決定整個系統的性能。
目前，套用於紫外光通信系統中的紫外日盲區光源主要有紫外氣體燈、紫外雷射器、紫外發光二極體（紫外LED）三大類。
現狀
紫外光通信技術越來越受到各軍事大國的重視，相關器件材料的研製工作也正在如火如荼地展開。上述幾類光源器件近年來也得到了較快的發展，其中紫外LED正在成為紫外日盲區光源的研究熱點。隨著大功率紫外LED和紫外LED陣列的出現，它將逐步替代氣體光源和雷射器，以其低功耗、低成本、易高速驅動、體積重量小、壽命長、堅固不易碎等優點，為實現高速率的紫外光通信系統以及堅固耐用、便攜的通信設備提供了堅實的保障。
