大气湍流的分类及其特点

大气湍流形成过程[77](图8-1):大气最先出现的涡旋即大尺度湍流,其气流范围称为大气湍流的外尺度(标记为L0);大尺度湍流的能量来源于外界,不同尺度的大气湍流之间存在能量传递,能量流动使大尺度湍流自身结构并不稳定;伴随能量输出,大尺度湍流不断分裂为小尺度湍流,其气流范围称为大气湍流的内尺度(标记为l0)。以大尺度湍流为参考,其外尺度以下各级大气湍流的尺度可表示为:

图8-1　图像大气湍流模糊及其成像过程

大气湍流根据气流尺度范围及能动关系可划分为不同区域,包括能量区、惯性区与耗散区[76-78]。

(1)能量区。其气流尺度范围大于L0,该区域气流受外界能量影响,大气整体湍流运动。

(2)惯性区。其气流尺度范围l0＜Ln＜L0,该区域气流仍可从外界获取能量,但不断向下一级尺度气流传输能量,动能由大尺度湍流向小尺度湍流传递,能量守恒使大气整体仍能保持运动状态。

(3)耗散区。其气流尺度范围Ln＜l0,该区域气流因流体黏性力影响其动能大量耗散,且从上一级尺度气流获取动能较少,大气整体湍流运动减弱。

光波在大气湍流的不同区域受到不同影响,其在大尺度湍流区域易发生折射效应,其在小尺度湍流区域易发生衍射效应,光线在该传输过程中随机变化,汇聚成像时导致图像模糊。