北航大气辐射导论第04讲 大气中的热辐射传输
合集下载
课件：大气对电磁辐射传输的影响
课程导入
臭 氧 层 吸 收 紫 外 线 示 意 图
臭氧层
吸收99%的紫外线
大气
散射、反射电磁波
第四讲 大气对电磁辐射传输的影响
知识点
350km
90km 50km
14km
18km
知识点
知识点
知识点
知识点
温
室
效
应 示
辐射回太空的大部分热量被 阳光穿过大气层使地表升温
意 图
温室气体所吸收，这些热量被吸
减较程高度的各波不段相被同称。为大气窗口。 2.4-5μm
3.4-4,2μm：90% 电磁波信息包括地面目标的反射光谱和发射光 4.6-5μm：50-60% 谱，可以用来探测海面温度等。
8-14μm
Hale Waihona Puke 60%-70%受到水汽、二氧化碳、臭氧三种气体的共同影
响，电磁波信息属于地面目标的发射光谱，即
热辐射光谱，常用来探测地表温度
当电磁波通过两种介质的交界面 无云的天气接收遥感信号
发生在云层顶部 取决于云量和雾量
知识点
窗口分类 可摄影窗口 近红外窗口
中红外窗口
远红外窗口 微波窗口
波长范围 透射率
特点
0.3-1.3μm 90%以上
可以用摄影成像的方法来获取和记录地物的电
磁波信息，电磁波信息来自于地面的反射光谱，
1.5使-射 大2.4μ大m气过大电气对去80气磁%在，电以对波上不而磁电在同另波磁有波一衰波的段些减是属摄用的波目于影于对波较前地，探选段电遥面只测段小感目可植择能磁很，上标以被应的用的性顺波难投用反扫含吸最射描水利的透射广光仪量收透的谱光以衰过率窗，谱及，口但仪区，已来别经测不不量同能记的用录岩胶，石片可
臭 氧 层 吸 收 紫 外 线 示 意 图
臭氧层
吸收99%的紫外线
大气
散射、反射电磁波
第四讲 大气对电磁辐射传输的影响
知识点
350km
90km 50km
14km
18km
知识点
知识点
知识点
知识点
温
室
效
应 示
辐射回太空的大部分热量被 阳光穿过大气层使地表升温
意 图
温室气体所吸收，这些热量被吸
减较程高度的各波不段相被同称。为大气窗口。 2.4-5μm
3.4-4,2μm：90% 电磁波信息包括地面目标的反射光谱和发射光 4.6-5μm：50-60% 谱，可以用来探测海面温度等。
8-14μm
Hale Waihona Puke 60%-70%受到水汽、二氧化碳、臭氧三种气体的共同影
响，电磁波信息属于地面目标的发射光谱，即
热辐射光谱，常用来探测地表温度
当电磁波通过两种介质的交界面 无云的天气接收遥感信号
发生在云层顶部 取决于云量和雾量
知识点
窗口分类 可摄影窗口 近红外窗口
中红外窗口
远红外窗口 微波窗口
波长范围 透射率
特点
0.3-1.3μm 90%以上
可以用摄影成像的方法来获取和记录地物的电
磁波信息，电磁波信息来自于地面的反射光谱，
1.5使-射 大2.4μ大m气过大电气对去80气磁%在，电以对波上不而磁电在同另波磁有波一衰波的段些减是属摄用的波目于影于对波较前地，探选段电遥面只测段小感目可植择能磁很，上标以被应的用的性顺波难投用反扫含吸最射描水利的透射广光仪量收透的谱光以衰过率窗，谱及，口但仪区，已来别经测不不量同能记的用录岩胶，石片可
辐射在大气中的传输
下一页
返回4.1
4.1.3 大气模式
1. 标准大气
目前最权威的1976年美国标准大气是在1962年美国标准大气和1966 年美国标准大气增补(USSAS-1966)的基础上，经过大量实验数据的 收集和分析，对1962年标准大气进行了修正和补充，并把高度延伸 到1000km。经我国国家标准总局批准，在建立我国自己的标准大气 之前，可使用1976年美国标准大气30km以下作为国家标准。
一般地，辐射通过介质的消光作用与入射辐射能量Φ(λ,s)、衰减 介质密度ρ(s) (单位为g/m3)以及所经过的路径ds成正比，即
d(, s) k(, s)(, s)(s)ds (4-9)
式中, k(λ,s)为光谱质量消光系数，单位为M-1·L-1。
下一页 返回4.2
4.2.2 波盖耳(Bouggner)定律
通常描述大气中水蒸气含量可用以下方法：
（1）水蒸气分压强ev，单位为大气压或毫巴(atm或mb)； （2）体积比浓度，单位为% （3）混合比或质量密度比，即单位质量空气中所包含的水
蒸气量，单位为g/kg （4）绝对湿度，即单位体积空气中所含水蒸气的质量，单
位为g/m3；
上一页 下一页
4.1.2 大气的组成
由式(4-9)解得辐射衰减规律为
s
(, s) (,0) exp[0 k(, s)(s)ds]
式中，Φ(λ,0)为s=0
(4-10)
上一页
下一页
4.2.2 波盖耳(Bouggner)定律
若介质具有均匀的光学性质，ρ(s)=ρ, k(λ,s)=k(λ), 则可简 化得到Bouggner定律
(, s) (,0) exp[k()s
上一页
返回4.1
大气中的辐射-ppt课件
(1)光学厚度
18
2. 辐射传输的有关物理量
(1)光学厚度
19
2. 辐射传输的有关物理量
(2) 光学质量
辐射传输路径上气体的质量
20
2. 辐射传输的有关物理量
(2) 光学质量
标准状态下厚度
21
2. 辐射传输的有关物理量
(3)单色透射率和单色吸收率
辐射通过一段大气路径后，辐射通量密度之比
常将整层大气在垂直方向的透过率称为透明系数
2
n
k
1.333
0
2.6
1.0
1.96
0.66
1.55
0
1.544
0
1.53
0
1.53
0
1.52
0
1.55
0
NOTE: hematite (赤铁矿) is a mineral that is a main light absorbing components of mineral d1u2st.
2．散射削弱系数
1
谱线增宽
2
5.3.2 大气吸收光谱
H2O
吸收约20%的太阳能量
几乎覆盖长波辐射整个波段 6.3 m振动带
大于12 m转动带
3
5.3.2 大气吸收光谱
• O2
• 主要在小于0.25 m的紫外区：
• 舒曼-龙格(Schumann-Runge)吸收带 • 赫 兹 堡 ( Herzberg) 带
• 因小于0.25 m的太阳辐射能量不到0.2%，而且 O2在可见光波段的两吸收带较弱，所以对太阳 辐射的削弱不大。
22
2. 辐射传输的有关物理量
• 透射率函数
• 光谱间隔内的平均透过率
18
2. 辐射传输的有关物理量
(1)光学厚度
19
2. 辐射传输的有关物理量
(2) 光学质量
辐射传输路径上气体的质量
20
2. 辐射传输的有关物理量
(2) 光学质量
标准状态下厚度
21
2. 辐射传输的有关物理量
(3)单色透射率和单色吸收率
辐射通过一段大气路径后，辐射通量密度之比
常将整层大气在垂直方向的透过率称为透明系数
2
n
k
1.333
0
2.6
1.0
1.96
0.66
1.55
0
1.544
0
1.53
0
1.53
0
1.52
0
1.55
0
NOTE: hematite (赤铁矿) is a mineral that is a main light absorbing components of mineral d1u2st.
2．散射削弱系数
1
谱线增宽
2
5.3.2 大气吸收光谱
H2O
吸收约20%的太阳能量
几乎覆盖长波辐射整个波段 6.3 m振动带
大于12 m转动带
3
5.3.2 大气吸收光谱
• O2
• 主要在小于0.25 m的紫外区：
• 舒曼-龙格(Schumann-Runge)吸收带 • 赫 兹 堡 ( Herzberg) 带
• 因小于0.25 m的太阳辐射能量不到0.2%，而且 O2在可见光波段的两吸收带较弱，所以对太阳 辐射的削弱不大。
22
2. 辐射传输的有关物理量
• 透射率函数
• 光谱间隔内的平均透过率
(完整word版)北航大气辐射导论复习题库参考答案
写出电磁波波长、波数和频率之间的关系。
1v=-=4 （入是波长."是波数.帝是频率） c A写出立体角的定义。
立体角定义为锥体所拦截的球面积"与半径r 的平方之比，表示为G=£ = sm&d&d0（极坐标中&为天顶角，0为方位角），单位为球面度（sr ）or对于各向同性辐射，已知辐射强度为I,写出其通量密度・ 大气的消光作用主要包括哪些？散射和吸收两种作用从介质中传播的光束内移除能量，光束被衰减，我们称这种 衰减为消光。
什么是消光截面？与粒子的儿何面积类似，用来表示粒子从初始光束中所移除的能崑人小。
简述消光截面、质量消光截面、消光系数之间的关系• 消光系数二消光截面X 粒子数密度 消光系数二质量消光截面X 密度简述消光截面.吸收截面和散射截面之间的关系.散射截血是描述微观粒子散射概率的一种物理量，衣示单位时间内粒子被散射到单位立体角内的概率。
消光截面=吸收截面+散射截面（加‘）。
什么是散射尺度参数？散射的分类？粒子人小对散射的作用可以用一个称为尺度参数的物理项来推求。
对于球形粒子我 而言，它的尺度参数定义为粒子周长与入射波长久之比，即X=— OA散射的分类：若%«1,则散射称为瑞利散射，当xni,则散射称为洛伦茨一米散 射。
什么是独立散射？当人气分子和微粒的间距分开得足够宽，以致每个粒子散射光的情况严格等同于其 他粒子不存在时的情况时的散射，称为独立散射。
什么是单散射和多次散射？ 只发生一次的散射叫做单散射。
多于一次的散射称为多次散射。
简述黑体的物理意义？黑体是指能够完全吸收的物质结构。
写出普朗克公式的三种形式•频率域： R 「八2尿BQ)-加c 2(e^-l)波长域： 诃=址e 一 1）波数域：R(T 、 2hcV BQ)-心 內一1写出斯蒂芬•玻尔兹曼定律・光谱辐射强度随温度不同，各条曲线互不相交，温度越高，所仃波长的光谱辐射出 射度也越大.每条曲线下的而积代表给定温度的总辐射强度。
(完整word版)北航大气辐射导论复习题库参考答案
或
56、试利用几何光学理论说明华的形成原因和出现位置。
当太阳、月亮或其他发光体透过轻雾或薄云而可见时，华就是与光源周围经常观测到的发光相联系的现象。华常呈圆形，并与发光体同心。当薄云由尺度几乎相等的粒子组成，即达到所谓的单分散条件时，薄云就可能形成华。
57、试利用几何光学理论说明天空中虹的形成原因和出现位置。
中性点为偏振度为零的点。瑞利散射理论预测中性点仅出现在正前方和正后方。由于分子和粒子的多次散射以及地表的反射，通常在无云大气中存在许多中性点。
42、写出矢量波动方程和标量波动方程。
矢量波动方程
（ 是波数，表示真空中的传播常数。 是真空中的波长。 ，是介质在频率 上的复折射率。A可以使E或H。）
标量波动方程
38、分别写出垂直/平行分量瑞利散射的强度方程和相函数，它们各有什么特点。
垂直分量：
平行分量：
39、画图说明散射方程中平行分量和垂直分量的定义。
入射电场强度可以是个矢量，它可任意分解为一个平行分量（l）和一个垂直分量（r），每个分量均受到偶极子的散射。我们可以选择这样一个分量，它的方向总是垂直于由入射光束与散射光束确定的散射截面，这个分量为垂直分量，而另一个分量则总是平行于散射平面，即平行分量。
频率域：
波长域：
波数域：
13、写出斯蒂芬-玻尔兹曼定律。
光谱辐射强度随温度不同，各条曲线互不相交，度越高，所有波长的光谱辐射出射度也越大，每条曲线下的面积代表给定温度的总辐射强度。 （ ）
黑体发射的通量密度 （ ）
14、写出维恩位移定律。
1.每条曲线都有一个极大值。
2.随着温度升高，辐射的峰值波长减小，辐射中包含的短波成分增加。
氮、氧、臭氧、二氧化氮
60、写出红外区主要的大气吸收分子。
56、试利用几何光学理论说明华的形成原因和出现位置。
当太阳、月亮或其他发光体透过轻雾或薄云而可见时，华就是与光源周围经常观测到的发光相联系的现象。华常呈圆形，并与发光体同心。当薄云由尺度几乎相等的粒子组成，即达到所谓的单分散条件时，薄云就可能形成华。
57、试利用几何光学理论说明天空中虹的形成原因和出现位置。
中性点为偏振度为零的点。瑞利散射理论预测中性点仅出现在正前方和正后方。由于分子和粒子的多次散射以及地表的反射，通常在无云大气中存在许多中性点。
42、写出矢量波动方程和标量波动方程。
矢量波动方程
（ 是波数，表示真空中的传播常数。 是真空中的波长。 ，是介质在频率 上的复折射率。A可以使E或H。）
标量波动方程
38、分别写出垂直/平行分量瑞利散射的强度方程和相函数，它们各有什么特点。
垂直分量：
平行分量：
39、画图说明散射方程中平行分量和垂直分量的定义。
入射电场强度可以是个矢量，它可任意分解为一个平行分量（l）和一个垂直分量（r），每个分量均受到偶极子的散射。我们可以选择这样一个分量，它的方向总是垂直于由入射光束与散射光束确定的散射截面，这个分量为垂直分量，而另一个分量则总是平行于散射平面，即平行分量。
频率域：
波长域：
波数域：
13、写出斯蒂芬-玻尔兹曼定律。
光谱辐射强度随温度不同，各条曲线互不相交，度越高，所有波长的光谱辐射出射度也越大，每条曲线下的面积代表给定温度的总辐射强度。 （ ）
黑体发射的通量密度 （ ）
14、写出维恩位移定律。
1.每条曲线都有一个极大值。
2.随着温度升高，辐射的峰值波长减小，辐射中包含的短波成分增加。
氮、氧、臭氧、二氧化氮
60、写出红外区主要的大气吸收分子。
大气科学概论-大气辐射
第二节、辐射基本定律
Planck（普朗克）定律（黑体辐射）
绝对黑体的辐射能力（辐射通量密度）Eλ,T为黑体的 波长λ和温度,T的函数。
E ,T
2hv2 5
vh
(e kT
1) 1
v为光速，h为普朗克常数，e为自然对数的底 波尔兹曼常数 k = 1.381 * 10-23 J / K
第二节、辐射基本定律
Planck定律
– 任何温度的黑体都会放 射不同波长的辐射。
第二节、辐射基本定律
Planck定律
温度不同，黑体的 放射能力不同，温 度越高，放射能力 越强。
任何温度的黑体放 射能力都有一个最 大值，且温度升高 时，最大值对应的 波长越短。
第二节、辐射基本定律
Planck定律
不同温度的黑体 对应的波长范围 不同。即黑体辐 射能力集中的波 段不同。
太阳表面温度为6000K，而地球表面的平均温度为288K。因此， 太阳表面单位面积上放射的能量要比地球表面放射的能量大几 百万倍。
第二节、辐射基本定律
Wien(维恩)位移定律（黑体辐射）
绝对黑体的放射能力最大值对应波长，与其本身的绝对温度成反比
（黑体辐射光谱极大值对应的波长和温度的乘积为一常数。）
一、太阳辐射强度和太阳常数
一、太阳辐射强度和太阳常数
太阳常数
当地球位于日地平均距离时，在地球大气上界投射到 垂直于太阳光线平面上的太阳辐射强度称为太阳常数， 用S0表示。
S0 = 1367 W / M2 太阳常数的变化范围为 1325 ～ 1457 W / M2 之间
太阳辐射强度主要由太阳高度角和大气透明度决定 大气对太阳辐射强度和地面光照度都有减弱作用
第一节 辐射概述
北航大气辐射导论第02讲 基本辐射定律
B T 4 0.3542W / cm 2
(2) 2 由维恩位移定律，峰值波长为 由维恩位移定律 峰值波长为
m a / T 5.79 m
基本辐射量
(3)由普朗克公式
B m 402W / m 2 m
(4)在4-10μm范围内的辐射强度
10
B4 10 m B d 0.2W / cm 2
大气的散射与吸收
无论是空气分子、云滴、雨滴、还是气溶胶，都可以看作是球形粒子 ，对电磁辐射的散射都可以用统一的散射理论来解释，关键参数是粒 子的尺度。
不同大小的球形粒子，散射光的强度分布和光谱分布很不相同，造成 了不同天气现象。
显然，地球大气的辐射场就整体而言不是各向同性的，它的温度 也不是均一的。
但是 对于大约 60-70 但是，对于大约 60 70 千米以下的局部空间而言，作为较好的近 千米以下的局部空间而言 作为较好的近 似，可以将它当作具有均一温度且各向同性。此时，能量跃迁由 分子碰撞确定。 分子碰撞确定
黑体（blackbody）概念
术语 黑体 是指能够完全吸收的 术语“黑体”是指能够完全吸收的 物质结构。
直观上 黑体可以当做一个具有小 直观上，黑体可以当做一个具有小 孔入口的准封闭腔体。
黑体的发射/吸收过程与腔壁温度的热 力学平衡状态
黑体辐射腔
在没有外界影响的条件下，如果某个系统各部分的宏观性质（如系 统的化学成分、各物质的量、系统的温度、压力、体积、密度等 等） 在长时间内不发生任何变化 则称该系统处于热力学平衡状 等），在长时间内不发生任何变化，则称该系统处于热力学平衡状 态。不受外界影响的任何系统，总是单向趋向于平衡状态。
第四章辐射在大气中的传输
引入大气光谱透射比描述辐射通过大气时的透射性 质，定义为： , s , s exp k s ,0 如果是某一波段内的大气透射性质，定义平均透射 1 比: exp k s d
N z N 0 exp z / h0
其中，N是粒子浓度，z为高度，h0是与气候和地区 有关的特征高度，见表4-2(不同能见度条件下)。 气溶胶粒子对光波将产生散射，并且不同尺度 的粒子对不同波长的光波散射也不一样。气溶胶粒 子尺度的分布决定了光波的散射。
下午12时55分
8
下午12时55分
14
光电成像原理
§4.2 大气消光和大气窗口
二、波盖耳定律
波盖耳定律：辐射通过介质的消光作用与入射辐射 能量、衰减介质密度和所经过的路径成正比： d , s k , s , s s ds, k是光谱质量消光系数 上式的解即为辐射衰减规律：
等密度模式，式(4-6) 等温模式，式(4-7) 多元模式，式(4-8)
；
；
。
下午12时55分
11
光电成像原理
§4.2 大气消光和大气窗口
大气是混合物，由多种元素和化合物混合而成， 是复杂的光学介质。
辐射在其中传输时将产生折射、吸收和散射等现 象，从而导致辐射能量的衰减，影响光电成像系统 对目标的探测。 大气遥感
外辐射； 地面观测到的太阳光谱辐射中有明显的气体吸收带 结构。
下午12时55分
13
光电成像原理
§4.2 大气消光和大气窗口
大气的消光作用主要由大气中各种气体成分及气 溶胶粒子对辐射的吸收和散射造成。 辐射在大气中传输时与气体成分和气溶胶粒子相 互作用，原子或分子发生极化并依从入射光频率做 强迫振动，从而发生能量交换：
大气环境中可见光与红外辐射的传输特性
大气环境中可见光与红外辐射的传输特性大气环境中的可见光和红外辐射对我们的日常生活和科学研究有着重要影响。
它们的传输特性在很大程度上决定了我们所看到的世界和我们对地球气候变化的认识。
在本文中，我们将探讨大气中可见光和红外辐射的传输特性，以及这些特性对人类和地球的影响。
大气中的可见光传输是人眼所能感知的电磁辐射的一部分。
可见光的传输特性主要受到大气中的散射和吸收影响。
散射是指光线遇到大气中的分子和大气微粒时改变方向的现象。
大气中的气溶胶、水蒸气和悬浮微粒会对可见光进行散射。
这就解释了为什么在雾霾天气中，我们看不清楚远处的景物，因为大气中的微粒使得光线散射，导致景物变得模糊不清。
而吸收是指光线被大气中的分子吸收，其中特定波长的光线被特定的分子吸收。
例如，大气中的氧气和臭氧吸收紫外线；水蒸气吸收红外线。
这种吸收现象在夜晚的天空中尤为明显，因为大气中的水蒸气会吸收太阳光的红外辐射，形成黑色的天空。
另外，近年来，随着大气中的温室气体浓度增加，温室效应引发了全球变暖的问题。
温室气体主要包括二氧化碳和甲烷，它们对地球表面的红外辐射起到了吸收和反射的作用，导致了地球的气温上升。
与可见光相比，大气中对红外辐射的影响更加复杂。
红外辐射主要是地球表面向大气传播的热辐射。
地球表面的对流和辐射过程会导致热量向大气中传输，这部分热量就以红外辐射的形式发出。
然而，红外辐射在大气中的传输过程中面临着散射、吸收和透射这三个主要的影响因素。
大气中的气溶胶和气体会散射红外辐射，影响到红外传输的能量和方向；同样，大气中的水蒸气、二氧化碳等温室气体会吸收红外辐射，改变辐射能量的大小和方向；而透射是指红外辐射通过大气透过到空间中，这取决于大气中温室气体的浓度。
红外辐射的传输特性对于地球气候的研究和太阳能的利用都具有重要意义。
在气候研究中，科学家通过观测和模拟大气中的红外辐射传输，了解地球表面与大气之间热量的分配和变化规律，这有助于预测和解释气候变化现象。
4-大气辐射传输
该式即瑞利散射公式，说明散射辐射的强度与 入射辐射的强度成正比，与散射介质的体积成正 比，但与入射辐射波长的四次方成反比。所以短 波辐射的散射很强，长波辐射的散射较弱。 瑞利散射强度随波长的变化
瑞利散射公式表明，散射强度不是各向同性的，而与sin2θ成正比。如果入射的线 偏振波沿x方向传播，电场矢量E的振动方向是y轴，则极化偶极子的振动方向也是y 轴方向，偶极子辐射引起的电磁波传播方向如下图(a)所示，它向各方向散射的电磁 波也是线偏振的，偏振的方向也如该图(a)所示。散射光强与sin2θ成正比，在xy平面 内辐射强度的分布如下图(b)所示，由于图中φ＝（π/2）—θ，故光强分布正比于 cos2φ，如把xy平面内的强度分布绕y轴旋转一周，即可得到强度在三维空间的分布 图。
(2 )2 V I0 (n 1)2 I 0 (sin 2 1 sin 2 2 ) 4 2 2 R N1
自然光的散射强度分布见上图(b)。如以x 轴为轴把此图旋转—周，即可得到自然光散 射强度的三维分布。
（a）自然光入射时θ1、θ2与φ的几何关系； （b）与自然光入射时瑞利散射强度的角分布
大气效应对于遥感地球表面的辐射信息，却是一种不利因素。它不仅使传向 太空的地表辐射信息遭到衰减，而且由大气效应产生的天空光也一并进入遥感 器，造成对地表辐射信息的干扰。 电磁辐射在传播过程中，由于介质的不均匀性而产生散射现象。介质中微粒 密度的局部涨落尺度与电磁辐射波长相比较，如果小于1／l0波长，产生的散射 称为瑞利散射，如大气分子的散射。 大气介质的另一种不均匀性是含有较大的微粒，它们的折射率与周围其它物 质的折射率不同，如乳状液、气溶胶等，产生的散射称为米氏散射。散射造成 的电磁辐射随传播距离的增加而不断衰减，可见光谱段辐射与大气作用时，主 要由于散射而导致衰减——消光，因而常用消光系数的大小表示可见光散射的 强弱。
大气中的辐射过程(ppt文档)
有时，把放射性物质的粒子放射也称为辐射。这种粒 子辐射不同于本章论述范围，我们只研究电磁波辐射 的问题。辐射和光一样，都是电磁波，具有波动性， 但同时也具有微粒性。物体的辐射是以光子形式不连 续的发射和吸收的。这里我们不研究辐射过程的内部 机制，只是从能量的观点出发，讨论与辐射热力学有 关的大气中的辐射问题。热辐射就是指物体吸收外界 传来的热量或减少本身内能而产生的辐射，也称之为 “温度辐射”。其他的辐射，如：光致辐射，电致辐 射是指物体靠外部供给的光、电能(称激发能)而进行 的辐射，如荧光风，气体放电发光;化学辐射是靠物体 化学反应过程放出的能量产生的辐射，如磷火(磷氧化 发光)都不属于本章讨论的范围。
(图3.4)，其表达式为
I
Q
t s cos
（3.4）
式中 Q为 t时间 s面积在与此面积的法线成角方向 的 球面度内放出的能量。 显然，辐射通量密度就是单位面积在单位时间内向整 个半球空间所辐射的能量即辐射通量密度F为
F
半球dF
I cosd
半球
0
0
所以对于各向同性的辐射来说，辐射通量密度等于辐射 强度的倍。
辐射强度的单位为：Wm-2sr-1( 瓦·米-2 ·球面度-1)。 对于平行辐射，辐射能是在同一方向传播，射线所的张 立体角为零。这时，只需要知道平行辐射的方向及其辐射 通量密度，就可决定辐射能。一个接受平行辐射照射的表 面，它得到的辐射能量只决定于该面与射线垂直方向上的 投影面积，而与自该面视光源的空间张角大小无关。
电磁波作为一种电场与磁场的交变波动，可以用频 率f，波长l，波数及波速c来描述。 不同波长的电 磁波有不同的物理性质，因此可以拉波长来区分辐射，
并给以都间的名称，称之为电磁波谱。如图3.1 电磁波的范围很广，从最短的字宙射线、射线、x
第四章红外辐射在大气中的传输.ppt
)k
– 其中 k=0.5(对H2O)或1.5(对CO2)；P0是海平面上的大 气压强，P是h高度上的大气压强。
– 从文献资料上可以查到(P/P0)k的值。
注意：除了查表法计算大气的透过率外，也可 以使用经验公式对其进行计算。
22
23
24
附：查表法计算过程
1. 根据气温、相对湿度求出绝对湿度HA(g.m-3); 2. 根据绝对湿度HA(g.m-3),得到每公里的可凝水量 w（mm.km-1）, 可凝水
1um时，瑞利散射基本上可以忽略。 – 波长越短，瑞利散射越强烈—天空呈现蓝色。
29
• 4.3.4 弥氏(Mie)散射
– 当b和λ大小差不多时，产生Mie散射。 – 雾粒子的半径在0.5~80um之间，最多的是
5~15um，所以对外红线的散射是很严重的。
• 如设雾粒子的半径为4um，浓度为100cm-3，则 对λ为4um的散射系数为1.91×10-4厘米-1。
其尺寸远大于可见光波长，所以对可见光来 说是无选择性散射，但对红外线来说云和雾 不能认为是无选择性散射。
• 雾呈“白”色 • 抽烟时从烟头上升起的“烟”呈“灰蓝色”，而
从口中吐出的烟呈“白色”。
31
• 4.3.6 大气散射的经验公式
–
散射系数可以写成：
Q q
• 其中Q和q是常数，由散射粒子的尺寸和分布情 况决定。b<<λ时，q=4，即瑞利散射；当b>> λ时， q=0，即无选择性散射；当b与λ相当时，取4~0之 间的值，即Mie散射，对于大气一般取1.3。一般 可取:
17
4.2 大气对红外辐射的吸收衰减
• 4.2.1 途径吸收的一般方程
– 一束波长为λ的红外光透过厚度为L的大气时 会产生衰减，其透过率可表示为
北航大气辐射导论第03讲 大气中的光谱吸收
1/ 2
谱线半宽 D / ln 2
与洛仑兹廓线相比 多普勒 与洛仑兹廓线相比，多普勒 廓线在中心区要强得多，在 翼区要弱得多
多普勒谱线半宽与绝对 温度的平方根成正比
谱线增宽
沃伊特廓线
大约20-50km高度范围内，需要综合考虑碰撞增宽和多普勒增宽 ，
f v 0
f 0 f D d
2 1 1 0 2/3 exp d 2 2 2 D D 0
沃伊特廓线满足归一化条件
f v 0 d 0 1
地球大气的化学成分
地球大气的化学成分
地球大气的化学成分
地球大气的化学成分
大气的化学成分
氮氧化合物 NOx (NO,NO2) 对于确定对流层和平流层的 O3 浓度非常重要。由地表 的运输和燃烧过程以及在对 流层高层和平流层低层飞行 的飞机产生。
SO2 平流层的二氧化硫主要 由火山喷发产生，对流层的 二氧化硫主要由地面排放产 生。
美国1976年标准大气（USSA-1976）它给出了中等太阳活动期间，由 地面到1000km的理想化、静态的中纬 度平均大气。 这个标准大气的32km以下与50km以下部分，分别和国际民用航空组 织标准大气及国际标准化组织的标准大气相同。 我国有关部门将此标准大气与我国60个台站的30km以下的气球探空 资料进行比较后，认为与45 °N 的实际大气十分接近，低纬度地区 有较大偏差。 有较大偏差
振动能量：组成分子的原子受某种类似弹簧的 弹力的束缚，单个原子能够相于原子彼此间的 平衡位置而振动 因此分子具有振动能量 平衡位置而振动，因此分子具有振动能量。
北航大气辐射导论第06讲 大气中的辐射传输
j i
1 1 i k j
m m H H 0 1 0 m F Z i 4 1 i / 0
H 0 H 0 1 F Z i 4 1 i / 0
1 m Pl i P 0 l 0 0
因此，第n级近似的各向同性辐射 传输方程的全解具有以下形式
可以证明
满足微分方程的齐次部分，式中的 b和Q是两个任意的积分常数。
半无限各向同性散射大气的漫反射定律
考虑一个半无限大气的顶部 (τ=0) 和底 部（τ=τ1），没有向下和向上的漫反射 考虑第二个边界条件
定义以下函数
则有
同时有反射强度为 通过推导可以得到d @b d 仪器科学与光电工程学院 北京航空航天大学
分子吸收
大气对光谱的吸收并不是连续的
I0 I0 I Q Q Q F 0 s P 0 U k 2 r 2 U 0 4 r 2 U 0 V V0 V0
重排各项，并设
可以得到如下联立方程组
其中
i 代表辐射流方向
在二流近似中，取两个辐射流方向：即 在 流近似中，取两个辐射流方向 即 j=-1和1，且N=1。1 1/ 3, a1 a1 1
散射相函数的不对称因子
a / 0.001
a / 1
a/ 3
a / 10
m m N m m l l
离散纵坐标法的矩阵描述
不含方位角的漫射辐射传输方程为
式中可以选择满足以下条件的点和权重
辐射在大气中的传输课件
地球科学中的应用
地质勘测
遥感卫星利用辐射传输原理，通过测 量地表的反射和发射的辐射，推断出 地表岩石、土壤和植被的类型，帮助 地质学家进行地质勘测。
地球磁场的研究
地球的磁场对辐射的传输有重要影响 ，通过研究辐射在大气中的行为，科 学家可以更深入地了解地球的磁场。
环境监测和保护中的应用
空气质量监测
瑞利散射
小颗粒对光的散射，主要影响晴朗天空的颜色 。
米氏散射
大气中的气溶胶对光的散射，影响天空的能见 度。
非球形颗粒散射
不规则颗粒的散射，影响特定波长和方向的散射。
大气中辐射的衰减系数
01
吸收系数
描述辐射在大气中被吸收的程度 。
散射系数
02
03
衰减系数
描述辐射在大气中被散射的程度 。
综合考虑吸收和散射的影响，表 示辐射在大气中总体的衰减程度 。
辐射在大气中的传输
目录
CONTENTS
• 辐射的基础知识 • 大气对辐射的吸收和散射 • 辐射在大气中的传输模型 • 辐射在大气中的传输现象 • 辐射在大气中的传输应用 • 辐射安全与防护
01 辐射的基础知识
辐射的定义和类型
定义
辐射是能量以波或粒子的形式在空间 中传播的过程。
类型
根据传播的媒介，辐射可以分为电磁 辐射和粒子辐射。电磁辐射包括无线 电波、可见光、紫外线和X射线等； 粒子辐射包括电子、质子、中子和重 离子等。
慢性辐射损伤
长期接触低剂量辐射可引起慢性 辐射损伤，如造血系统障碍、免 疫系统障碍等。
遗传效应
辐射可引起基因突变和染色体畸 变，增加后代出生缺陷和遗传疾 病的风险。
辐射防护的基本原则
尽可能减少不必要的照射
大气中的热红外辐射传输
陆地表面观测
陆地海洋生态环境监测
陆地海洋生态环境监测
环境监测 地质研究
地质云雪植被
地球物理大气海洋陆地表面
地质和环境 研究
化学蒸发 光谱特征
SMIFTS空间可调成像傅立叶变换光谱仪
美国
100
1.0-5.2
始于1993年
0.7
0.77
陆地表面观测
传 感 器
国 别
在大气中任一高度ｚ处，向上和向下的辐射为L↑,L↓,辐射通量密度为F ↑， F↓。
按照基尔霍夫定律， 也就是气层元在 方向上的放射率。气层在 方向放射的辐射亮度为 : 式中 ，是绝对黑体辐射亮度，可由温度、波长按普朗克定律定出。 向下辐射 经过du气层，在 方向的变化为
02
通过大气中的任一平面射出的都是具有各个方向的漫射辐射；
04
必须把大气的发射和吸收同时考虑；
热红外辐射的大气传输方程
1
通过大气中某一水平面的长波辐射通量密度 应当由该面上的辐射亮度 对半球空间积分求得，即：
2
一般说，大气中 是 的函数，但是与 无关，所以有
若只考虑经过气层的吸收削弱时， 方向辐射亮度 的变化为： 上式中 为气层中吸收物质的订正光学质量， 不随z而变。
11
0.405-12.5
600m 星下点/无
TMG温室气体 干涉监测仪
ADEOS (日本)
0.33-14.0
10km/2-6km
10
VIRS可见光 红外光扫描仪
TRMM (美国,日本)
5
3.75,10.8 12.0
2km/无
VISSR可见光红外光 旋转式辐射扫描仪
陆地海洋生态环境监测
陆地海洋生态环境监测
环境监测 地质研究
地质云雪植被
地球物理大气海洋陆地表面
地质和环境 研究
化学蒸发 光谱特征
SMIFTS空间可调成像傅立叶变换光谱仪
美国
100
1.0-5.2
始于1993年
0.7
0.77
陆地表面观测
传 感 器
国 别
在大气中任一高度ｚ处，向上和向下的辐射为L↑,L↓,辐射通量密度为F ↑， F↓。
按照基尔霍夫定律， 也就是气层元在 方向上的放射率。气层在 方向放射的辐射亮度为 : 式中 ，是绝对黑体辐射亮度，可由温度、波长按普朗克定律定出。 向下辐射 经过du气层，在 方向的变化为
02
通过大气中的任一平面射出的都是具有各个方向的漫射辐射；
04
必须把大气的发射和吸收同时考虑；
热红外辐射的大气传输方程
1
通过大气中某一水平面的长波辐射通量密度 应当由该面上的辐射亮度 对半球空间积分求得，即：
2
一般说，大气中 是 的函数，但是与 无关，所以有
若只考虑经过气层的吸收削弱时， 方向辐射亮度 的变化为： 上式中 为气层中吸收物质的订正光学质量， 不随z而变。
11
0.405-12.5
600m 星下点/无
TMG温室气体 干涉监测仪
ADEOS (日本)
0.33-14.0
10km/2-6km
10
VIRS可见光 红外光扫描仪
TRMM (美国,日本)
5
3.75,10.8 12.0
2km/无
VISSR可见光红外光 旋转式辐射扫描仪
AP04大气中的辐射
• If you give the electron more energy, it gain potential energy and will move farther away from the nucleus!!!
• The opposite is also true. When an electron gives up energy to move closer, it will be emitted as a photon of light
“15 um motion”
分子光谱—举例
• N2和O2分子：对称的电荷分布，没有振 动或转动谱。其吸收和发射谱由电子轨 道跃迁造成，位于紫外和可见光辐射区。
• H2O分子的原子呈三角形分布，是极性 分子，有三种振动方式。这三种振动过 程都引起电偶极距变化，产生吸收和发 射，而转动和振动态的结合使得水汽的 吸收谱十分复杂。
5.3.2 大气吸收光谱（ CO2等）
CO2吸收主要分布在大于2m的红外区：较强中心为 2.7m、 4.3m 和15m（最重要）。
紫外波段：O2、O3把0.29m以下的紫外辐射几乎全部吸收 可见光波段：只有非常少量的吸收 红外波段：主要是水汽的吸收，其次是CO2和CH4。 14m以外的辐射不能透过大气传向外空。
Purely absorbing
Photon pathlength = L
With Scattering Photon pathlength >> L
L
1. 散射过程的分类
定义无量纲尺度参数
2 r
① 当α<<1时：Rayleigh散射（分子散射），如空气分子对短波辐 射的散射。
② 当0.1<α<50：Mie散射，如大气中的云滴等气溶胶粒子对短波 辐射的散射。
• The opposite is also true. When an electron gives up energy to move closer, it will be emitted as a photon of light
“15 um motion”
分子光谱—举例
• N2和O2分子：对称的电荷分布，没有振 动或转动谱。其吸收和发射谱由电子轨 道跃迁造成，位于紫外和可见光辐射区。
• H2O分子的原子呈三角形分布，是极性 分子，有三种振动方式。这三种振动过 程都引起电偶极距变化，产生吸收和发 射，而转动和振动态的结合使得水汽的 吸收谱十分复杂。
5.3.2 大气吸收光谱（ CO2等）
CO2吸收主要分布在大于2m的红外区：较强中心为 2.7m、 4.3m 和15m（最重要）。
紫外波段：O2、O3把0.29m以下的紫外辐射几乎全部吸收 可见光波段：只有非常少量的吸收 红外波段：主要是水汽的吸收，其次是CO2和CH4。 14m以外的辐射不能透过大气传向外空。
Purely absorbing
Photon pathlength = L
With Scattering Photon pathlength >> L
L
1. 散射过程的分类
定义无量纲尺度参数
2 r
① 当α<<1时：Rayleigh散射（分子散射），如空气分子对短波辐 射的散射。
② 当0.1<α<50：Mie散射，如大气中的云滴等气溶胶粒子对短波 辐射的散射。
大气辐射和遥感第四章大气粒子的散射类型和表示
P34 P33
称P(θ) 为单个球形粒子的散射相矩阵，各矩阵元素为（见 下页）：
P11
4 s
11
2 s
[1(
)
2
(
)]
1 2
[P1(
)
P2 (
)]
P12
4 s
12
2 s
[ 1 (
)
2
(
)]
1 2
[P1(
)
P2 (
)]
P33
4 s
33
P34
4 s
34
（4.5.12）
式中P11 即为上两节中讨论的相函数，在不需要讨论偏振 状态，仅仅研究能量关系时，则只需知道P11就够了。
对于多分散粒子系，偏振状态的散射辐射强度与入射 辐射的关系为：
I j ( ) j ( )F0
I
1 2
I0[1( ) 2 ( )]
Q
1 2
I 0 [ 1 (
)
2 (
)]
U 0
V 0
（4.5.7）
可见此时散射辐射为部分偏振的，可得出散射辐射强度为：
I1(
)
1 2
(I
Q)
1 2
I01(
)
I2
(
)
1 2
(I
Q)
1 2
)d
1 2
[1
(
)
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
辐射传输方程
辐射通过介质强度的减弱
dI k I ds
介质的密度
k 对辐射波长的质量消光截面
辐射通过介质强度的增加
dI j ds j 由多次散射和发射产生， 与质量消光截面有相同的物理意义
辐射通过介质后强度总的变化
dI k I ds +j ds
1 d T exp k du exp k g du dg ? u u 0
对非均质大气的应用
考虑在谱区间 Δν 中一根任意形状 的单谱线，并令这一区间为 -Δν/2 至 +Δν/2。在线中心 ν(kmax) = 0， 在线两端 |ν(kmin)| = Δν/2。累积概 率函数 写为 率函数可写为
谱线增宽
问题：由原子/分子的能态跃迁发射的辐射是单色，但实际上从未观测 到过单色发射辐射，什么原因？
原因：外界对原子和分子的影响，以及发射中的能量损耗
发射中的能量损耗造成的振子振动的阻尼（自然增宽） 吸收分子之间以及吸收与不吸收分子之间相互碰撞产生扰动（碰撞增宽） 各种分子和原子之间的热运动速度差异造成的多普勒效应（多谱勒增宽）
总配分函数：Q T g exp c2 E / T
c2 第二辐射常数
E 跃迁低能态能量
谱线跃迁频率
谱线增宽
洛仑兹线型
半宽 nair air p, T air pref , Tref Tref / T
Tref p, T air pref , Tref p ps self pref , Tref ps T p 压强；ps 吸收气体的分压
单谱线 周期谱线 1.3μmH H2O带中 10 0cm-1区 间内的一组洛仑兹谱线
由此推得
对一根单谱线，在 ν 域中的积分可 用 g 域中的积分来代替。 域中的积分来代替
对非均质大气的应用
考虑一组 n 根谱线在谱区间 Δν 中 周期的出现，谱线间隔 δ，则有
单谱线 周期谱线
由此推得
对 n 根周期谱线，在 根周期谱线 在 ν 域中的积分 也可以用 g 域中的积分来代替。
逐线积分法
谱线截断
经验函数截断方法
洛仑兹廓线乘以一个经验函数 χ ， 在谱线中心处 χ=1 ，在离中心某一 距离处χ=0。
在指定距离处截断
对所有波数都使用洛仑兹廓线，但 在离线中心某个距离处截断谱线， 可以是离线中心的一个固定距离， 或是一个随半宽而变化的距离。
截断波数： c ， 为一常数
振动能量：组成分子的原子受某种类似弹 簧的弹力的束缚，单个原子能够相于原子 彼此间的平衡位置而振动，因此分子具有 振动能量。
电子能量：构成分子的原子的电子运动， 分子具有电子能量。
Ee Ev Er
振动跃迁和转动跃迁
分子的振动跃迁
对于非线性分子，有3N-6个振动模； 对于线性分子，有3N-5个振动模。
当截断波数与线中心的距离 约为洛仑兹廓线半宽的200倍 时，吸收计算才稍受影响。
逐线积分法
单色透过率（前面的定义）T exp 平均波数的谱透射比
在红外辐射传输计算中，在小的谱区间内定义辐射参数具有很大
vE 优越性，普朗克函数的变化就可以忽略不计。 优越性 普朗克函数的变化就可以忽略不计
红外辐射传输的k分布法
基本思想
按吸收系数 kν 对气体谱透射 比进行分组计算 在均质大气中，谱透射比的 计算与给定谱区间内 k的排序 无关
计算谱透射比的波数积分可 以用k空间的积分来代替
红外辐射传输的k分布法
在均质大气中，如果在区间 Δν 内 kν 的归一化概率分布函数由 f(k) 给出， 且极小值和极大值分别为kmin和kmax， 为数学上简便，设kmin→0和kmax→∞
j 1 N
单色透过率：T exp p
逐线积分法
光学厚度： j
j 1 N u
k , j u du
j 1
N
定义0到s1的光学厚度为
j 1, 2, , N 是第j条谱线吸收系数的指标 吸收系数可按线强和线型表求为 k p, T S j T f , j p, T
对非均质大气的应用
问题：以上的 k 分布法是在均质大气假设条件下获得的， 对于实际大气，吸收系数按其半宽和线强由 个气压（温 对于实际大气，吸收系数按其半宽和线强由一个气压（温 度）层至另一个气压（温度）层的变化很大。要重新排列 所有的谱线，使得v积分和g积分相同，是很困难的。那么 k 分布法还准确成立吗？也就是下列两个积分（波数空间 的积分和 g 空间的积分）是否等价？
大气辐射传输理论基础
许东 xudong@ d @b d 仪器科学与光电工程学院 北京航空航天大学
振动跃迁和转动跃迁
分子储存能量的方式
平动能量：单个分子在x,y,z方向上的平均 平动动能等于KT/2，K为玻尔兹曼常数。
转动能量：分子能够围转分子重心的轴旋 转或绕转，因此分子具有转动能量。
f k 1 d dk
则谱透射比可表示为
概率分布函数是谱透射比的拉普拉斯 逆变换。
红外辐射传输的k分布法
定义累积概率函数
式中g(0) = 0，g(k →∞) = 1，且dg(k) = f(k)dk， 利用g 函数，谱透射比可写作 函数 谱透射比可写作
从以上定义可以得到
g(k) 是 是一个在 个在 k 空间中的单调平滑函数，其逆函 数 k(g) 存在，k(g) 也是 g 空间中的平滑函数 在空间g上的积分 在 积分 (它代替了繁琐的波数积分 代 了 波数积分)， 可由有限指数项的求和计算得出。
定义源函数：J j / k
dI 普遍辐射传输方程： I J 普遍辐射传输方程 k ds
辐射传输方程
比尔-布格-朗伯定律
简化条件
略去地球-大气系统的发射辐射 的贡献
出射强度为：I s1 I 0 exp k ds 0 单色透过率
0 理想单色光的波数 二分之一极大值处谱线的半宽 二分之 极大值处谱线的半宽
是气压的函数，也是温度的函数 f 0 谱线的形状因子 S 线强
T0 T 0 标准气压p0 =1013hPa和标准 p 0 p0 温度T0 273K 时的半宽 n随分子类型在1/ 2 1范围变动
1.3μmH H2O带中 10 0cm-1区 间内的一组洛仑兹谱线
对非均质大气的应用（弱线）
假设吸收系数和（或）路径长度都 小，则称为弱线极限，在不考虑线 型（灰色化）时可以得到
单谱线 周期谱线
由于 k* 很小，以上方程可写作 很小 以上方程可写作
1.3μmH H2O带中 10 0cm-1区 间内的一组洛仑兹谱线
n
-
k d S
吸收谱线的洛兹线型是大气中 红外辐射传输的理论基础
0的取值范围约为0.01 0.1cm 1，
且随谱线而变化
谱线增宽
线强
S T S Tref
Q T
Q Tref
exp c2 E / T 1 exp c2 / T exp c2 E / Tref 1 exp c2 / Tref Tref 296 K
分子的转动跃迁
一个双原子分子和一个线性三原子分 子具有两个相等的惯性矩和两个转动 自由度
不对称陀螺分子具有三个不等的惯性 矩和三个转动自由度。
更复杂的分子具有更多的转动自由度
分子能级跃迁
分子能级跃迁
H2O的主要吸收带 100→000、001→000、020→000
CO215um吸收带(0110→0000)
2 质量消光截面k： cm / g 3 密度： g cm
线型f ： 1 / cm
1
长度s： cm
逐线积分法
为求解单根谱线的吸收，必须以小于谱线半宽的波数间隔来计算。 在平流层上部，吸收和发射过程由CO2和O3主导，吸收线的增宽主要 由多普勒效应产生。在15μmCO2带和9.6 μmO3带的多普勒半宽约为 0.0005-0.001cm-1。这两个带的谱区间约为400cm-1。要求解单根谱 线吸收必须在多于50万个点上计算。 在对流层中，H2O的吸收占主导地位， H2O吸收线基本覆盖了整个红 外谱区，范围约为15000cm-1 。这些吸收线由于碰撞增宽，它们的半 宽大于0.01cm 0 01cm-1 。要求解H2O谱线的吸收，它的计算必须在约 谱线的吸收 它的计算必须在约100万 个点上进行。 对于每一个点来说 有许多必须考虑的吸收线和大气条件 逐线计算 对于每一个点来说，有许多必须考虑的吸收线和大气条件，逐线计算 方法需要很大的计算机时。
nair
谱线的碰撞偏移 pref p
线型
f , , T , p 1
p, T
吸收系数
p, T 2 p p 2 ref
k , T , p S T f , , T , p
自然增宽与碰撞增宽和多普勒增宽相比可以忽略不计 在高层大气中碰撞增宽和多普勒增宽共同起作用 在低层大气中（20km以下）由于气压效应，碰撞增宽起主导作用