兰州大学《卫星气象学》第3章-气象卫星遥感大气的基本原理-1分解

f = (EJ –EI)/h
电磁辐射既有波动特性，也有粒子特性。波长较长的可见、红外 线波动性表现明显；波长较短的r、x射线，其粒子性表现明显。
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3.1.2 描述辐射的基本物理量
预备知识：
① 通量的概念：单位时间内通过某一表面的辐射能（传递速率） ② 平方反比定律：表示辐射能通过空间传播方式的原则，表示光 的强度与到光源的距离的平方成反比。
红外线：波长0.76 -1000 m 产生：分子、原子的振动转动； 特 征：与温度有关。
微波：波长1mm -30cm。大于30cm的波称无线电波 产生：内部分子的转动引起的。
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1、电磁波谱基本公式：
= c, E = hv = h c /
E ：能量 (joules, or j) v ： 频率 (1/s or s-1) h ： 普朗克常数 (6.63 x 10-34 j –s) c ：真空中的光速(m/s) ：波长 (m)
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3.1 电磁波谱和辐射度量
气象卫星遥感地球大气的温度、 湿度、云雨演变等气象要素,是通过 探测地球大气系统发射或反射的电磁 波而实现的。因此，电磁辐射是气象 卫星遥感的基础。
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3.1.1 电磁波谱
不同波长的电磁波有不同的物理特性，因此可以用波长来区分辐射， 并给以不同的名称，称之为电磁波谱。
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3、电磁波的量子特性
从量子的观点看，电磁辐射可以看作是一粒一粒以光速c运动的粒 子流，这些粒子称为光量子，每一光量子具有的能量为
Q = hf (Q 能量，h 普朗克常数)
电磁辐射看成是粒子，就一定有质量m和动量p。 m = Q/c2 = hf/c2 p = mc = h/ = hf/c 电磁辐射的发射或吸收是由于物质内原子或分子的能量状态发生 改变引起的，若物质中原子的状态由高能级EJ跃迁到低能级EI，便发 出辐射；若从EJ EI便要吸收辐射。发出或吸收辐射时光量子的频率
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γ 射线：波长10-11-10-4nm 产生：放射性元素蜕变；特征：具有很高的能量，几兆电子伏特
x 射线：波长10-5-0.0045m 产生：原子内部的电子从激发态恢复到稳态； 特征：波长短，频率高能穿透密度很大的物质。 紫外线：波长10-5-0.35 m 产生：原子和分子内部的电子状态改变； 特征：频率较高，各种物质对短的紫外线有吸收。 可见光：波长0.35 -0.76 m 产生：原子内部的电子状态； 特征： 对人眼有特殊的刺激。
关系：
f = c f = C/ = c/f = 1/ = f/c
单位：
1千兆赫(GHz) = 103兆赫(MHz) = 106千赫(KHz) = 109赫(Hz)
1米(m) = 102厘米(cm) = 103毫米(mm) = 106微米(m) = 109纳米(nm)
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辐射场物理量包括： • 辐射能；
• 辐射功率；
• 辐射强度； • 辐射通量密度； • 辐亮度，等。
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辐射能Q：焦耳、热力学卡（1k=4.1840J）
辐射功率φ（或Radiant Flux 辐射通量W） 单位时间内通过任意表面的辐射能量，单位J/s
与大气辐射能量传输有 关的电磁波谱大多数都 位于紫外光和微波之间
• 紫外线：UV-C(0.150-0.28) UV-B(0.28-0.315), UV-A(0.315-0.4), unit: um
• 红外线：近红外(0.7-2.5)，远红外(2.5-1000)；微波：1mm到1m波段。
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③ 立体角概念：锥体所拦截的球面积σ与半径r的平方之比，单
位为球面度（sr: Steradians）。
2 r
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那么立体角如何计算？？？（长方形面积微元求解公式）
d rd r sin d
d d 2 sin d d r
dQ dt
辐射强度I：点辐射源在某方 向上单位立体角内传送的辐 射通量
d I d
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辐射通量密度E (Radiant Flux Density) 单位时间通过单位面积的辐射功率，单位为W/m2。 设面元为dA，则E为： d dQ E dA dtdA 当表示面元接受的E时，又称辐照度（Irradiance）；
超 短 波
短 中 Leabharlann Baidu 波
长 波
光谱区
微
无 线 电 波 1cm 31010 1m 3108 3106
迟缓电振荡
波
3104 3102
长
频率(Hz)
可见光
近红外 1.5
中红外 15
远红外 750 m
紫 蓝 青 绿 黄
0.40 0.43 0.45 0.50 0.57 0.60
橙
0.63
红
0.76 m
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电磁波谱
太阳 地球大气 辐射 电 离 电子跃迁 宇 宙 射 线 r 射 线 紫 外 线 X 射线 1nm 31022 31020 31018 31016 1m 31014 31012 可 见 光 红 外 线 分子振动转动 亚 毫 米 波 毫 米 波 电磁振荡
产生机制
厘 米 波 波
分 米 波
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2、电磁波各参数的关系和使用单位
参数：
波长 f 频率 波数（单位长度内含有的波数，波长的倒数） c 光速=3108米/秒。
c = f 波在真空中的速度。
n = /n 波在介质的波长。 V= fn 波在介质中的速度。 n = (r/r)1/2 介质折射指数。r 介电常数, r导磁率。
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第三章 气象卫星遥感大气的基本原理
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章节内容
3.1 电磁波谱和辐射度量 3.2 辐射基本定律及传输方程 3.3 太阳短波辐射在大气中的传输 3.4 长波辐射在大气中的传输 3.5 卫星接收到的辐射