大气辐射学wp01

F I

由公式计算得到
F I cosd
0 2 2

0

/2
0
I cos sin dd
辐亮度与辐射通量的测量

？？
辐射强度表（辐亮度），辐射通量表
散射和吸收过程

蓝天、白云、彩虹+绿草地+鲜花：多么美 好！
思考：

为什么出现蓝天、白云、彩虹？ 要回答这个问题，我们要好好研究一番光 散射的物理过程。
大气中的电磁波

电磁波

射线，x 射线，紫外线，可见光，红外线， 微波，无线电波 微波雷达，电视与调频广播，中、短波无线 电广播，无线电通讯
应用：放射医疗，可见光照相，红外照相，

本课程主要关注
UV---VIS---IR---MW
电磁场理论
电磁波的描述 波长或频率 能量或振幅 相位 偏振度
2h 3 B T 2 h kT c e 1


或
2hc 2 B T 5 hc kT e 1


k 是 Boltzmann 常数,
c—
光速 ， T —绝对温度。
几个物理常数
k 是Boltzmann（玻尔兹曼）常数，h是 Planck常数。 k= 1.3806x10-23 J•K-1 h= 6.626x10-34 J•s 关于Planck函数的推导可以参考廖国男 （2004）535页。
2
d sin dd
思考题
地平面以上的半球立体角是多少？ 中华人民共和国的地心立体角有多大？

思考题答案

半球立体角= 2 960 10000 中国立体角：= 4（6370) 4 =0.018825* 4
2
基本辐射量
基本辐射量

dE I cos dAd ddt
考察：黑体总辐射强度
黑体总辐射强度与黑体温度是什么 关系？
？？ 这个问题导致了Stefan-Boltzmann（斯蒂 芬-玻尔兹曼）定律

黑体的总辐射强度
2hc 2 BT B T d 5 hc kT d e 1 0 0



BT bT 4

思考：大气辐射过程
大气发射、吸收； 大气辐射在路径上的传输过程，遭遇大气吸收、散射、折射、反射； 大气辐射：太阳（短波）辐射，地球大气（长波）辐射；
问题：大气辐射的控制方程是什么？
力学：牛顿三定律（惯性定律、加速定律、 作用与反作用定律） 电磁学：麦克斯韦方程组 量子力学：薛定谔方程 辐射学：？？？


光散射的物理过程可以这样说明：位于电 磁波传输路径上的粒子从入射电磁波中连 续地提取能量，再把提取的能量向各方向 重新辐射出去。
大气中有哪些散射介质？散射粒子 与天气现象的关系？
晴空万里，蓝天：分子散射 蓝天白云：分子散射+云滴散射
彩虹：雨滴散射
霾，能见度较差：大气气溶胶散射
电磁波波谱（频谱） 立体角 辐亮度、辐照度
散射和吸收

黑体辐射定律
Planck（普朗克）定律 Stefan-Boltzmann（斯蒂芬-玻尔兹曼）定
律 Kirchhoff（基尔霍夫）定律

光谱线及其特征描述
基本概念、定义、度量单位

电磁波谱（频谱）图1.1
wenku.baidu.com
电磁波谱 射线 x 射线 紫外线 可见光 红外线 微波 无线电波
辐射传输过程*

散射现象
蓝天、白云、曙光、暮光。 华：水滴、冰晶衍射。 虹：可见光在雨滴中发生两次折
射和一次反射形成。
日晕、月晕：可见光在冰晶粒子
中发生折射形成晕。
为什么会出现不同的天气现象？物 理上如何解释呢？

？？
物理解释
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。 分子尺度：约10-4 um；气溶胶，约1 um； 云滴，约10 um。雨滴更大一些。
2 4 k 4 b 15h3c 2
由于黑体辐射为各向同性的，所以黑体辐射的通量 密度
F BT bT 4 T 4
称为 Stefan-Boltzmann 常数，等于 5.67
erg cm 2 sec 1 k 4 。
思考：？？
在Planck定律发现之前，发现StefanBoltzmann定律有没有其他途径呢？ 实验方法？ 理论方法？

单色辐射通量密度
F I cosd
0 2

2
0

/2
0
I cos sin dd

总辐射通量密度
F F d ， 单位 Wm 2 0

思考题

对于各向同性辐射场，辐射通量密度与辐 亮度之间的关系是什么？
思考题

对于各向同性辐射场，辐射通量密度与辐亮度之 间的关系是什么？ 对于接收平面来说，
dE I cosddAddt
单位：
单色辐亮度（radiance）图1.3
Wm ster
2 1
1
基本辐射量

单色辐亮度（radiance）图1.3
dE I cosddAddt
Wm ster
2 1
1
单色辐亮度是单位面积、单位时间、单位波长 和单位球面度上所通过的辐射能量。辐射强度 是来自一定方向的辐射流。


定义一个尺度参数
x 2a


当x<<1时，称作瑞利（Rayleigh）散射 当x>或≈1时，称作洛仑茨-米散射（Lorenz-Mie） 图1.4
多次散射过程 图1.5 区分单次散射和多次散射 单次散射：移走了一部分入射光，削弱了原来的光强度。 多次散射：两次以上（含）的散射称作多次散射。被单次散 射移走的光有一部分再次回到原来的传输方向，增强了原 来的光。 单次散射+多次散射，综合作用一般情况下还是削弱了原来 的光强度。

有了Planck函数，就可以很完美地描述 黑体辐射强度与黑体温度的关系
推论：黑体辐射的峰值波长是多少？ 跟黑体温度有什么关系？

Wien讨论了这个问题， 得到Wien位移定律。
2hc 2 B T 5 hc kT e 1


对 Planck 函数求极大值，取
B T 0

思考：光速如何获得？测量？计算？

超光速是否存在？如果存在，现有物理学 体系就被打乱了。特别是爱因斯坦的相对 论。

人眼视网膜敏感的电磁波频率在 4.3x104Hz——7.5x104Hz，即0.4-0.7μm， 称作可见光区（Visible Region）。比可见 光频率高（波长短）的紫外线，人类眼睛 看不见。比可见光频率低（波长长）的红 外线人类也看不见。一些动物比人类能看 见波长更长的近红外线。

波长（Wavelength）
可见光波长范围0.4——0.7
微米
频率（Frequency） 波长、频率、光速之间的关系 波长X频率=光速 公式表达： 波数=1/波长 公式表达：

f
c

1


立体角


r
2
微分立体角（图1.3）
ds d 2 r
ds r sin dd

C.G.S单位制
MKS单位制
辐射学有什么规律（定律）？ ？？


辐射学有什么规律（定律）？
光谱辐射强度与波长和温度的函数关系； 总辐射强度与温度的函数关系； 发射过程与吸收过程存在什么样的关系？


谱线是什么？谱线有什么特征？
第2章 大气辐射过程与辐射性质

基本概念、定义、度量单位

辐射吸收过程
在许多情况下，散射过程都伴有吸收过程。 吸收过程容易理解，就是把传输路径的光能 量“吃”掉了，不“吐”出来。 哪些物质会吸收辐射呢? 部分粒子，如气溶 胶。更主要的是气体， 如水汽、CO2等。 散射和吸收的结果都会造成光束能量的衰减。

辐射传输过程*

吸收过程
吸收主要由大气中吸收气体引起，但悬浮粒
2 2 kT 2kT 2 B T 2 c
2 2 kT 2kT 2 F T 2 c
( W m 2 Hz 1 ster 1 )
思考：


太阳光的峰值波长是多少？ 地球表面热辐射的峰值波长是多少？ 地球大气向太空热辐射的峰值波长是多少？
UV-VIS-IR-MW
电离-电子跃迁-分子振转-分子转动
VIS+IR波段
MW波段
19世纪，麦克斯韦尔（Maxwell）建立了 统一电磁场理论，阐述了光也是电磁波的 本质。 不同波长的电磁波在真空中传播速度是恒 定的，为2.99793*108 m/s。 大气中的光速也非常接近真空光速。
Kirchhoff（基尔霍夫）定律
子（气溶胶）、云、雨、雾、雪也有一定的 吸收作用。
气体吸收具有强烈的选择性（臭氧的紫外吸
收，水汽、CO2的红外吸收，水汽、氧气的 微波吸收）
散射和吸收对辐射传输的衰减如何度量？

？？
散射和吸收对辐射传输的衰减如何度量？ 散射或吸收粒子对辐射传输衰减的能力可 以用散射（吸收）截面来表示，物理单位 是cm2. 传输介质（一群粒子）对辐射传输衰减的 能力用N*截面表达。N是粒子数密度，单位 是个/cm3。 衰减系数： N*截面，单位是cm-1或者 m-1 或者km-1
大气辐射学
石广玉 王普才 王标
思考： • 地球大气的气压垂直结构对人类活动的影响（高 原、飞行活动、临近空间飞行、低轨道卫星）； • 大气的热力结构对人类生活、生产的影响； • 大气组成的变化导致大气热力结构的变化对人类 生活的影响； • 哪些大气组分发生了显著变化? 哪些变化是重要 的？
第2章 大气辐射过程与辐射性质

评注：对科学规律的认识往往是从事物的片段开始的。
Planck 定律
Planck (1901)对原子振子作了两个假定: （一） 振子具有形式为
h ——Planck 常数， n ——量子数 ， ——
频率。 量子力学给出的结果稍有不同 E n 1 / 2 h
E nh
1. 振子以量子形式发射能量 推出黑体辐射函数
得到
mT 0.2897
律。
cm K
最大强度对应的波长与温度的关系称为 Wien 位移定
Rayleigh-Jeans 公式
对于波长较长的微波， 1 mm, h kT , h hc e h kT 1 eh kT 1 kT kT 代入 Planck 公式,
可见光光谱 Violet: 0.4 - 0.446 m Blue: 0.446 - 0.500 m Green: 0.500 - 0.578 m Yellow: 0.578 - 0.592 m Orange: 0.592 - 0.620 m Red: 0.620 - 0.7 m

改变黑体温度，则可以通过测量获 得黑体辐射强度与黑体温度的关系
我们需要一只理想的温 度表和一台理想的光谱 仪，把实验数据绘图 思考：实验中可能存在 什么困难？

如何用理论公式来表达黑体辐射强度与温 度的关系？ 早期，科学家得到两个公式，分别适用于 短波和长波，即Rayleigh-Jeans和Wien分 布公式。 完美吗？不完美。谁来解决统一的公式表 达？Planck。

辐射定律

考察一下物体的辐射光谱
太阳；地表；白炽灯；日光灯；氙灯；人体；

理想黑体概念
黑体辐射定律
黑体概念：封闭腔体。 从实用来说，是指一个开一小 孔的准封闭腔体。因为封闭腔 体是无法探测的。 黑体发射和吸收过程，最终达 到热平衡状态，即发射=吸收。 我们从实验和理论两个方面来 讨论。

Kirchhoff（基尔霍夫）定律

假定有一个孤立的恒定温度的空腔。这样的空腔 就是一个黑体。它的辐射场必定是 各向同性，无偏振发射; (2) 与器壁的材料、形状 无关; (3)只与温度T有关。
Kirchhoff（基尔霍夫）定律

为了了解基尔霍夫定律的物理意义，我们考虑一 个具有黑色器壁的完全绝热的封闭体。另外一个 物体置于其中。 假定该系统达到了热力学平衡状 态，具有均一的温度和各向同性辐射。