大气对光吸收、散射
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大气与光的相互作用
卜令兵
主要内容
• 大气辐射吸收 • 散射
– 分子散射 – 气溶胶散射
• 光谱加宽 • 散射系数
一 大气辐射传输概述
• 大气吸收地面长波辐射的同时，又以辐射的方式 向外放射能量。大气这种向外放射能量的方式， 称为大气辐射。由于大气本身的温度也低，放射 的辐射能的波长较长，故也称为大气长波辐射 （约3～120微米） ）。
• 电磁波在单位时间内通过垂直于传播方向单 位面积的能流或平均功率由poynting矢量决 定，其中E0为电场的最大值
• 计算处Poynting矢量的大小为： • 这个次波的平均功率由外电场引入的电偶极
矩确定。转化成波长的形式就是：
将平均功率转化为散射通量强度
• (3)在散射的前半球和后半球具有相同的 散射强度
• (4)90度方向的散射光几乎是全徧振的．
分子偶极子的辐射
• 单个分子是最简单的电磁波辐射源，吸收 电磁波，辐射电磁波。
• 分子是散射能的点源，由于散射过程时间 很短，此时，外界入射波可以忽略不计。 散射波的发射过程如同没有入射波存在一 样。
瑞利散射机制模型
• 无电场作用时，正负电荷重合
• 在外电场作用下，不重合形成极性分子， 这种极化是所有反射和折射的基础。
• 电场力与弹性力平衡，当电场周期性的变 化是，偶极距与外电场同步，振动，
• 各向同性，振动方向总和与入射波保持一 直，又分子的尺寸远远小于波长，因此， 分子范围内的瞬时相位可以认为是相同的。
散射体的自振和共振频率
模型中的假设
• 不离子化，总体上没有净电荷，在电场中 总体不受力
• 无极化，负电荷均匀的分布在球壳上，因 此也可以看作对应的对称中心
• 各向同性，束缚力的弹性系数在各个方向 上相同，不会有振动最强的方向。
• 线性和弱阻尼性，离共振频率较远的地方 振幅小，谐振频率部位阻尼所变。
正负电荷位移形成偶极矩
辐射频率有关。
以Kv与 作图：
表征吸收线轮廓(峰)的参数： 中心频率O(峰值频率) ： 最大吸收系数对应的频率；
中心波长：λ(nm)
半 宽 度：ΔO
吸收峰变宽原因：
（1）自然宽度
照射光具有一定的宽度。 （2）温度变宽（多普勒变宽） ΔVo
多普勒效应：一个运动着的原子发出的光，如果运动方 向离开观察者（接受器），则在观察者看来，其频率较静止 原子所发的频率低，反之，高。
• 中心不动，质量大，则电子谐振，其角频 率为：
• K为弹性系数，m为电子质量
（1）
•
（2）
（3） （4）
典型的振动频率
• r为1×10-10米，可以得到典型的振动波长 为：
• 当假设分子只有一个电子的话，其辐射处 在近紫外波段。
实际情况
• 不止一个振子参与震荡，总的频率将与振 动电子数的平方根增加，
偶极子对外辐射
• 分子电子电荷的来回运动是宏观尺度中赫兹偶极 子天线中电流运动的一个小尺度模拟，向外发射 电磁波，在几个波长以外，辐射是一个向外传输 的球面波。考虑电偶极矩的最大值，
• 根据Frank的工作，次波电矢量的瞬时值为
• Ø为偶极子方向和观察方向的夹角，R为沿这个方 向的距离，由于sinø这一因子的存在使得在电偶 极子方向上没有电磁辐射
VD7.162107V0
T M
（3）压力变宽（劳伦兹变宽，赫鲁兹马克变宽）ΔVL
由于原子相互碰撞使能量发生稍微变化。 劳伦兹（Lorentz）变宽： 待测原子和其他原子碰撞。随原子区压力增加而增大。 赫鲁兹马克（Holtsmark）变宽（共振变宽）： 同种原子碰撞。浓度高时起作用，在原子吸收中可忽略 （4）自吸变宽
分立吸收线及其展宽
谱带吸收
• 分子的振动-转动或者甚至在很窄的吸收带 内可能含有数十条或数百条以上的吸收线， 虽然每条吸收线都有其确定的参数，但要 找出这个普代总吸收的分析形式是极其困 难的，解决的办法之一是进行逐线积分， 存在的误差5～10%。
大气对太阳辐射的吸收光谱
大气散射
• 包括瑞利散射和Mie散射，散射源分别是大 气中的分子与大气中的气溶胶。
• 激光雷达信号的强度直接和散射系数相关。 • 由于其运动速度不同，激光照射后后向散
射的的光谱加宽不同。 • 根据光谱形状的不同，可以把大气后向散
射信号分开，分别得到分子和气溶胶的色 性
瑞利散射的特征
• (1)散射光的强度和波长的四次方成反比， 因此晴朗天空基本上是蓝色而十是太阳光 的颜色：
• (2)散射光的空间分布与观测方向有一个 简单的关系，
• 辐射在大气中传输 辐射在大气中传输时，由于同大气分子与气溶
胶粒子之间的相互作用而产生一系列的效应，这 些效应使辐射衰减，但同时也为我们提供了丰富 的信息，成为大气遥感的基础。
• 物质的辐射特性可由其反射率ρ，吸收率α， 透过率τ，其都为介于0-1的无量纲数值。
布给定律
0
z
z+dz
z
l
大气光谱的透过率
光源空心阴极灯发射的共振线被灯内同种基态原子所吸 收产生自吸现象。灯电流越大，自吸现象越严重。 （5）场致变宽 外界电场、带电粒子、离子形成的电场及磁 场的作用使谱线变宽的现象；影响较小；
在一般分析条件下ΔVo为主。
• 碘吸收稳频的532nmNd：YAG激光是国际 米定义委员会推荐的激光频率标准之一[1]。 1975年国际上正式采用由激光频率和波长 测量得到真空中光速值为国际推荐值。
气体分子吸收光谱
• 线型光谱 很窄分立的吸收线 • 带型光谱 靠很近的吸收线 • 连续光谱 在一个很宽的波长范围内存在较
大的吸收
• 线型光谱的加宽机制
谱线的轮廓与谱线变宽
原子结构较分子结构简
单，理论上应产生线状光
谱吸收线。
实际上用特征吸收频率
辐射光照射时，获得一峰
ຫໍສະໝຸດ Baidu
形吸收(具有一定宽度)。
由：It=I0e-Kvb ， 透射 光强度 It和吸收系数及
• 理想无阻尼的振子，当达到谐振时，其振 幅将无穷大，对一个振动偶极子存在一定 的阻尼，使振幅限于一定的范围，并稍微 使谐振频率加宽。
偶极距及次波
• 当有外来电磁波时，电子受力为：
• 由于阻尼足够小，忽略之，则有：
分子偶极矩的几何图形
二阶一元微分方程
• 其稳态解为：
• 振动的负电荷与相对静止的正电荷构成一 个平行于入射波电场矢量的偶极距P，P的 大小为：
卜令兵
主要内容
• 大气辐射吸收 • 散射
– 分子散射 – 气溶胶散射
• 光谱加宽 • 散射系数
一 大气辐射传输概述
• 大气吸收地面长波辐射的同时，又以辐射的方式 向外放射能量。大气这种向外放射能量的方式， 称为大气辐射。由于大气本身的温度也低，放射 的辐射能的波长较长，故也称为大气长波辐射 （约3～120微米） ）。
• 电磁波在单位时间内通过垂直于传播方向单 位面积的能流或平均功率由poynting矢量决 定，其中E0为电场的最大值
• 计算处Poynting矢量的大小为： • 这个次波的平均功率由外电场引入的电偶极
矩确定。转化成波长的形式就是：
将平均功率转化为散射通量强度
• (3)在散射的前半球和后半球具有相同的 散射强度
• (4)90度方向的散射光几乎是全徧振的．
分子偶极子的辐射
• 单个分子是最简单的电磁波辐射源，吸收 电磁波，辐射电磁波。
• 分子是散射能的点源，由于散射过程时间 很短，此时，外界入射波可以忽略不计。 散射波的发射过程如同没有入射波存在一 样。
瑞利散射机制模型
• 无电场作用时，正负电荷重合
• 在外电场作用下，不重合形成极性分子， 这种极化是所有反射和折射的基础。
• 电场力与弹性力平衡，当电场周期性的变 化是，偶极距与外电场同步，振动，
• 各向同性，振动方向总和与入射波保持一 直，又分子的尺寸远远小于波长，因此， 分子范围内的瞬时相位可以认为是相同的。
散射体的自振和共振频率
模型中的假设
• 不离子化，总体上没有净电荷，在电场中 总体不受力
• 无极化，负电荷均匀的分布在球壳上，因 此也可以看作对应的对称中心
• 各向同性，束缚力的弹性系数在各个方向 上相同，不会有振动最强的方向。
• 线性和弱阻尼性，离共振频率较远的地方 振幅小，谐振频率部位阻尼所变。
正负电荷位移形成偶极矩
辐射频率有关。
以Kv与 作图：
表征吸收线轮廓(峰)的参数： 中心频率O(峰值频率) ： 最大吸收系数对应的频率；
中心波长：λ(nm)
半 宽 度：ΔO
吸收峰变宽原因：
（1）自然宽度
照射光具有一定的宽度。 （2）温度变宽（多普勒变宽） ΔVo
多普勒效应：一个运动着的原子发出的光，如果运动方 向离开观察者（接受器），则在观察者看来，其频率较静止 原子所发的频率低，反之，高。
• 中心不动，质量大，则电子谐振，其角频 率为：
• K为弹性系数，m为电子质量
（1）
•
（2）
（3） （4）
典型的振动频率
• r为1×10-10米，可以得到典型的振动波长 为：
• 当假设分子只有一个电子的话，其辐射处 在近紫外波段。
实际情况
• 不止一个振子参与震荡，总的频率将与振 动电子数的平方根增加，
偶极子对外辐射
• 分子电子电荷的来回运动是宏观尺度中赫兹偶极 子天线中电流运动的一个小尺度模拟，向外发射 电磁波，在几个波长以外，辐射是一个向外传输 的球面波。考虑电偶极矩的最大值，
• 根据Frank的工作，次波电矢量的瞬时值为
• Ø为偶极子方向和观察方向的夹角，R为沿这个方 向的距离，由于sinø这一因子的存在使得在电偶 极子方向上没有电磁辐射
VD7.162107V0
T M
（3）压力变宽（劳伦兹变宽，赫鲁兹马克变宽）ΔVL
由于原子相互碰撞使能量发生稍微变化。 劳伦兹（Lorentz）变宽： 待测原子和其他原子碰撞。随原子区压力增加而增大。 赫鲁兹马克（Holtsmark）变宽（共振变宽）： 同种原子碰撞。浓度高时起作用，在原子吸收中可忽略 （4）自吸变宽
分立吸收线及其展宽
谱带吸收
• 分子的振动-转动或者甚至在很窄的吸收带 内可能含有数十条或数百条以上的吸收线， 虽然每条吸收线都有其确定的参数，但要 找出这个普代总吸收的分析形式是极其困 难的，解决的办法之一是进行逐线积分， 存在的误差5～10%。
大气对太阳辐射的吸收光谱
大气散射
• 包括瑞利散射和Mie散射，散射源分别是大 气中的分子与大气中的气溶胶。
• 激光雷达信号的强度直接和散射系数相关。 • 由于其运动速度不同，激光照射后后向散
射的的光谱加宽不同。 • 根据光谱形状的不同，可以把大气后向散
射信号分开，分别得到分子和气溶胶的色 性
瑞利散射的特征
• (1)散射光的强度和波长的四次方成反比， 因此晴朗天空基本上是蓝色而十是太阳光 的颜色：
• (2)散射光的空间分布与观测方向有一个 简单的关系，
• 辐射在大气中传输 辐射在大气中传输时，由于同大气分子与气溶
胶粒子之间的相互作用而产生一系列的效应，这 些效应使辐射衰减，但同时也为我们提供了丰富 的信息，成为大气遥感的基础。
• 物质的辐射特性可由其反射率ρ，吸收率α， 透过率τ，其都为介于0-1的无量纲数值。
布给定律
0
z
z+dz
z
l
大气光谱的透过率
光源空心阴极灯发射的共振线被灯内同种基态原子所吸 收产生自吸现象。灯电流越大，自吸现象越严重。 （5）场致变宽 外界电场、带电粒子、离子形成的电场及磁 场的作用使谱线变宽的现象；影响较小；
在一般分析条件下ΔVo为主。
• 碘吸收稳频的532nmNd：YAG激光是国际 米定义委员会推荐的激光频率标准之一[1]。 1975年国际上正式采用由激光频率和波长 测量得到真空中光速值为国际推荐值。
气体分子吸收光谱
• 线型光谱 很窄分立的吸收线 • 带型光谱 靠很近的吸收线 • 连续光谱 在一个很宽的波长范围内存在较
大的吸收
• 线型光谱的加宽机制
谱线的轮廓与谱线变宽
原子结构较分子结构简
单，理论上应产生线状光
谱吸收线。
实际上用特征吸收频率
辐射光照射时，获得一峰
ຫໍສະໝຸດ Baidu
形吸收(具有一定宽度)。
由：It=I0e-Kvb ， 透射 光强度 It和吸收系数及
• 理想无阻尼的振子，当达到谐振时，其振 幅将无穷大，对一个振动偶极子存在一定 的阻尼，使振幅限于一定的范围，并稍微 使谐振频率加宽。
偶极距及次波
• 当有外来电磁波时，电子受力为：
• 由于阻尼足够小，忽略之，则有：
分子偶极矩的几何图形
二阶一元微分方程
• 其稳态解为：
• 振动的负电荷与相对静止的正电荷构成一 个平行于入射波电场矢量的偶极距P，P的 大小为：