【気象学】大気の屈折率について

大気の屈折率が地表面から上方に向かって大きく減少している場合にシークラッタ等のレーダーの異常伝播が生じやすいとのことです。
これは逆転層に起因するものであるため上層ほど気温が高くなってる状態と理解しています
一方で　大気の屈折率は気温が高くなるほど大きくなると理解しております
よって逆転層が生じている時は屈折率が上方ほど高くなってると思われ　「屈折率が上方に向かって大きく減少している場合」と矛盾してるいると思いますがどなたか解説をお願いします。

質問者からの補足コメント

• 基本的なことをお聞きしますが気温が高いと屈折率が大きくなるという理解が間違ってるのでしょうか？
  気温が高いと揺らぎも生じますし、屈折率が大きいと思っておりました。

  No.1の回答に寄せられた補足コメントです。 補足日時：2021/07/15 15:54

No.1 ベストアンサー 回答者： himagene 回答日時： 2021/07/14 22:56

>大気の屈折率は気温が高くなるほど大きくなると理解して...

なぜその様な理解になりますか？　屈折率は分子の数密度に比例し、圧力は温度と数密度の積です。従って、全く矛盾していないことはお分かりになるでしょう。

No.2 回答者： yos1912 回答日時： 2021/07/17 18:31

質問を見て気になっているところを書かせてもらいます。

　天体観測をする上で、地表付近に見える天体には大気差という現象があるのが知られています。沈んでしまっている星が見えたり、沈む太陽が縦方向に縮められて見られる現象です。光の伝播方向が下方向に曲げられることによって見られる現象です。同じ電磁波ですから電波でも同じことが起こっているであろうことは想像できます。
　これの原因は、主に地表付近ほど気圧が大きいことに起因しています。気圧差によって地表付近は上空ほど光の伝播速度が大きくなっています(屈折率という書き方に慣れないのでこう書かせてください。地震波や音波でも同じことが起こりますから)。
　速度の違う層が順番に積み重なっている層に沿って波が伝わるときには、速度の速い層に迂回するように進みます。地表付近では上空ほど気温が低くなるため音波は上空の方に曲がっていきます。そのため山に登ると遠くの音がよく聞こえるようになることがあります。音は電磁波ほど気圧の違いによって速度差が生じないようです。

　シークラッタが逆転層で発生するのは、ふだん起こっている大気差(のような現象)が、大気の温度差によってさらに光の経路が大きく曲げられたためと見ることができます。このことからも、上空ほど速度が大きい(屈折率が小さい)と読み取ることができます。余分に大きくなった分が、大気の温度の影響によるものです。

　基本的には、温度が上がれば速度が速くなると考えられます。蜃気楼ができるときの解説を読んでもこのようなことが書かれています。大気差(のような現象)が温度だけで発生したとして、屈折率と温度の関係が逆になるように導き出したのではありませんか。

　揺らぎができるのは流れに乱れが生じているからです。暖かい冷たいというのは別段関係がありません。水に氷を浮かべても、氷から下方向に揺らぎが生じています。

No.3 回答者： yoreyore 回答日時： 2021/07/18 11:26

＞ 大気の屈折率が地表面から上方に向かって大きく減少している場合にシークラッタ等のレーダーの異常伝播が生じやすいとのことです。

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レーダエコーには、物標からのエコー（物標エコー）だけでなく、陸地反射によるエコー（グランドクラッタ）、海面反射によるエコー（シークラッタ）、雨、雪等の反射によるエコー（レインクラッタ）、レーダ干渉等の不要なエコーが含まれている。
レーダーのシークラッターの発生に寄与するのは風波の峯付近の海面粗度である。
レーダー電波は､海面に存在する風波の峯によって遮ぎられ､海面の一部は蔭となってしまう。　従って､結果的に風波やうねりの峯の近傍の海面だけが電波の後方散乱に寄与することになる。　それ故､風上側のシークラッタ一は風波の峯の前面の海面粗度によって生じ､風下側では風波の峯の後面の海面粗度が寄与する。海面粗度は､風波が共存するとそれによって著しい変調を受ける。風波の前面では水粒子の軌道速度の収束によって粗度を増し，後面では軌道速度の発散によって粗度が減少する。
この結果，風上側の海面のシークラッターが強められ、風下側が弱くなるのであろう。
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シークラッタ等のレーダーの異常信号(エコー)の増減は、｢大気の屈折率が地表面から上方に向かって大きく減少している場合に生じる｣のではないでしょう。

No.4 回答者： yoreyore 回答日時： 2021/07/18 11:48

https://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s& …

4.2. ラジオダクト
大地上の修正屈折指数M は高度が上昇するに従って直線上に増大するが、高度と共に温度分布 が上昇したり湿度が減少したりすると、高度が上昇しても 修正屈折指数 M が 減少する逆転現象を起こすことがある。このような逆転層の部分をダクトという。
この時、電波は屈折率の変曲点と地表面との間で反射を繰り返して伝搬するので、電波は極めて遠くまで伝搬可能となる。この現象をラジオダクトといい、また伝搬形式をダクト伝搬という。
図4.2.1 は通常大気での電波伝搬とラジオダクト発生時での電波伝搬の違いを表している。通常大気、つまり高度の上昇に伴って修正屈折指数 M が増大している場合は、電波は地面に向かって屈折していることがわ かる。しかし、ラジオ ダクト発生時、つまり高度が上昇しても 修正屈折指数 M が減少している場合は、逆転層で反射を繰り返して伝搬していることがわかる。また、全ての電波が反射を繰り返すのではなく、電波の一部は地面に向かって屈折している。
　　図4.2.1 通常大気とラジオダクト発生時での伝搬経路の違い

No.5 回答者： yoreyore 回答日時： 2021/07/18 14:29

レーダーの異常伝播を利用して風速測定する気象レーダーがありますが、大気中のエアロゾルでの反射と、エアロゾルの量、エアロゾルの運動方向が絡み合って、異常伝播として生じたものをドップラーとか屈折とか、そのように分類？しているのではないでしょうか。

　実際に起きているのは、エアロゾル、雨滴などのサイズで区別されるレイリー散乱やミー散乱に、エアロゾル･雨滴の濃度差の状態と移動の総体状況による複雑な現象。
https://ameblo.jp/teru-fu/entry-12440682039.html

｢大気の屈折率は、気温が高くなるほど大きく、気温が低くなるほど小さくとうこと｣が起きているでしょうか。　｢電磁波の伝搬速度が、大気の温度あるいは大気の密度で異なるために、屈折率が異なる｣のだとすると、例えばどの程度の違いが生じますでしょうか。例えば、-30℃と70℃とでは　60hPa程度の気圧差しかないと仮定した場合に、屈折率がどう違うと、それがレーダーの異常伝播として観測されるものでしょうか。
レーダーのノイズやエコーのように観測されるものならば、ある空間位置に部分的に散乱物の濃淡があって、移動していると推定した方が、わかり易いように思います。