3太阳辐射地球辐射大气影响

感 原
理 技
质量为5.976×1027t，平均半径为
理 技
术
应 用 》 武 汉
6.371×106m，表面温度约为平均288K～ 300K，变化范围在184K～332K。物质成分有 100多种元素，主要元素丰度为：
术
应 用 》 武 汉
大 学
Fe>O>Mg>Si>Ni>S>Ca>Al>Co>Na。图2.35
技 术
(1 − ρ)R ↓ ，ρ为全波段反射率；接收太阳和大
应 用 》
S
气的长波辐射R ↓，同时又向外辐射出部分长 Ld
武 汉 大 学
波能量
R Lu
↑ 。因此地表的净辐射能收入
R n
可
表示为：
资
源 与
环
Rn = (1 − ρ )RS ↓ + RLd ↓ + RLu ↑
境
学
院
-..
《 遥 感
3.2 大气对辐射传输的影响
-..
图2.42 大气分子吸收谱
5
-..
遥感-原理.技术.应用
-..
大气窗口：就是大气对电磁辐射透过率比较高的
《
《
遥 感
波段。大气吸收率近似于1的波段是大气非透明
遥 感
原 理
波段，在那些波段可将大气视为黑体。各种遥
原 理
技 术
感器(特别是星载遥感器)只能选择大气窗口作为
技 术
应 用
工作波段才有意义。光学遥感的可用窗口有：
学 院
子所组成的混合物，主要分布在地表以上
学 院
10km内。表2.5列出了干洁大气的基本成分。
-..
干洁大气：除去水汽和气溶胶
4
-..
遥感-原理.技术.应用
-..
大气外层无明显的边界，逐渐稀薄进入宇宙空
《 遥
间。大气上界没有统一的界定。一种方法是以
感 原
流星和极光发光的最高点推算，据此定大气的
理 技
应 用
》
》
武 汉
¾ 紫外-可见-近红外区：0.4μm − 0.75μm
武 汉
大
大
学 资
¾ 0.77μm − 0.91μm 1.0μm −1.12μm 1.19μm −1.34μm
1
-..
遥感-原理.技术.应用
-..
太阳辐射
《
《
遥 感
太阳常数
遥 感
原 理
太阳是一个近似于黑体的巨大辐射源，地球的能
原 理
技 术
量绝大部分来自太阳辐射。地球在很大程度上
技 术
应 用
可以看作相对太阳而言的二次辐射源。太阳的
应 用
》 武
总辐射功率为38.62×1025J.s-1。离太阳距离为
》 武
汉 大
武 汉
大 学 资
(原子、分子的受激激化)，大部分被用于增加
大 学 资
源 与
大气的能量。臭氧加上氧气和氮气吸收 0.3μm
源 与
环 境
以下的全部短波。因此，光学遥感利用的辐射
环 境
学 院
能一般在 0.4μm −14μm 。
学 院
图2.42列出了重要大气分子的光谱吸收带。
臭氧的最强吸收在9.6μm，宽度1μm。此外9.0μm和14.1μm也是其强吸收带。
应 用 》
射，其二是太阳的辐射。若把太阳和地球都近
武 汉
似看作黑体，则由于太阳的温度远远高于地
大 学
球，地球又处于太阳的强烈辐射之中，因此太
资
源 与
阳辐射对地球辐射的影响，还要大于地球本身
环 境
的辐射，在很大意义上地球可以看成是一个辐
学 院
射主要来自太阳的二次辐射源。
-..
-..
《 遥 感
3.1 太阳和地球的辐射
日地平均距离处，垂直太阳光线的单位面积单
汉 大
学 资
位时间内接收到的太阳辐射能(即大气顶界的
学 资
源 与
环
太阳辐照度)称为太阳常数，其值为E0 = 8.25
源 与
环
境 学
J.cm-2.min-1(或1.36×103W.m2)，图2.36所
境 学
院 示。太阳辐射在大气上界的分布是由地球的天
院
文位置决定的，称为天文辐射，它受日地距
图2.41 大气对辐射传输的影响
-..
大气的影响包括两个方面：
《 遥
地面反射或辐射的信息穿过地球大气层时将发生
感
原 变化，对地表信息产生干扰，这是遥感中需要
理
技 术
克服的不利影响；
应 用
测量大气对来自太阳和地表辐射的吸收、反射、
》
武 汉
散射和其自身的发射，可用于确定大气温度和
大 学
压力的分布、云高以及对悬浮微粒和气体进行
胶和灰沙容易在该层扩散与输运移。
-..
《 遥 感 原 理 技 术 应 用 》 武 汉 大 学 资 源 与 环 境 学 院
图3.9大气垂直结构
-..
从对遥感的影响来看，大气成分可以分为三类：
《 遥
一是悬浮微粒或气溶胶。半径介于
感 原
0.1μm~20μm之间的悬浮微粒具有重要光学效
理 技
应。二是水汽。在通常的相对湿度下，水汽对
大气窗口内的散射是最主要的效应。
大气对辐射的影响
《 遥
①大气吸收
《 遥
感 原
对辐射的透射率产生最重要影响的是大气的吸
感 原
理 技
收。大气层对太阳辐射的影响主要发生在大气
理 技
术 应
的对流层和平流层。又主要发生在可见光-近红
术 应
用 》
外-热红外波段(光学波段)。大气在吸收辐射
用 》
武 汉
后，小部分辐射能可以被大气再次发射光子
《 遥 感
中未画出)，与5900K黑体辐射特性近乎一致，
原 理
可见光波段辐射最强且稳定，通过大气后各波
技 术
段受大气的影响不一，但到达地面后被大气吸
应 用
收作用等衰减了许多。事实上，照射在大气顶
》 武 汉
界的太阳辐射能，经过大气后，约30%被云层
大 学
和其他大气反射回太空，约17%被大气吸收，
资 源
资 源
分析，这是遥感要加以利用的有利方面。
与
环 境
前者在遥感中属于大气影响纠正，后者属于遥感
学
院 探测的一项重要内容，即大气遥感。此处我们
只讨论前者。
大气概况
《 遥
大气是包裹在地球外层成分较为复杂的气体圈
《 遥
感
感
原 层。其物质构成主要为气体分子和微粒。分子
原
理
理
技 术
的成分有：N2和O2(99％)，其他成分占1%，
遥感-原理.技术.应用
第三章 太阳和地球的辐射特性
3.1 太阳和地球的辐射 3.2 大气对辐射传输的影响 3.3 地表辐射的几何特性 3.4 地面辐射测量
-..
《
遥 感
对地遥感以地球为探测对象，因此了解地球的电
原 理
磁辐射的基本环境是必要的。地球辐射环境中
技 术
有两个最重要的因素，其一是地球本身的辐
《 遥 感
原
原
理 技
1. 太阳和地球的辐射
理 技
术
术
应 太阳概况
应
用
用
》 武
太阳是一个由炽热气体组成的恒星，是地球的最
》 武
汉 大
重要能源来源。太阳的主要参数有：
汉 大
学 资
质量为1.99×1033g，直径为1.4×109m，表面温
学 资
源 与
度约为6000K(或5900K)，日地平均距离为
源 与
环 境
离、太阳高度角和昼长的影响。
-..
图2.36 太阳常数和大气 顶界辐照度示意图
-..
-..
太阳光谱
《
《
遥 感
太阳辐射能的光谱分布如图2.37和表2.3所示。
遥 感
原
原
理
理
技
技
术
术
应
应
用
用
》
》
武
武
汉
汉
大
大
学
学
资
资
源
源
与
与
环
环
境
境
学
学
院
院
图2.37 地球表面的太阳 辐照度曲线
太阳光谱是连续光谱(有夫朗和费吸收暗线，图
学 院
层)：热力学温度高，达1500K。O2、N2增温。
散逸层：稀薄，受地球引力较小，可以散逸入
宇宙空间。
-..
大气的分层结构
《
遥
感
原 理
外 逸
技层
术
应
用 》 武
热 层
汉
大
学中
资间
源 与
层
环 境
平
学流
院层
对 流 层
地表以上1km称为大气边界层，此层受同等强 度的科里奥利力和地表摩擦力共同作用。 地 表以上10m称为表面边界层，该层内湍流引起 的应力近似为常数， 烟尘、汽车尾气、气溶
原
理
技 术
大气是太阳辐射和地表辐射传输过程中的必经介
应 用
质，它对辐射产生吸收、散射等多种影响，加
》 武
上介质自身的辐射，使得空间遥感探测器接收
汉
大 学
到的来自地表的辐射，在传输方式和路径上受
资 源
到很大的影响。图2.41说明大气对辐射传输的
与 环
主要影响。
境
学
院
-..
《 遥 感 原 理 技 术 应 用 》 武 汉 大 学 资 源 与 环 境 学 院
1.496×1011m(称为天文单位，记为AU)，物质
环 境
学 院
成分有73种元素(按质量%)：氢为71，氦为
学 院
26.5，氧+碳+氮+氖为2，鎂+镍+硅+硫+铁+钙
为0.4，其他为0.1。太阳的结构和辐射如图2.34
所示。
地球概况
《 遥
地球是距离太阳的第三颗行星，形态接近于一个小
《 遥
感 原
扁率旋转椭球体。地球的主要参数有：
-..
被地球吸收的长波辐射使地表增温。按照基尔霍
《 遥
夫定律，地球又将以长波辐射形式向外空间辐
感 原
射而降温。当两者平衡后，地球温度就保持不
理 技
变的状态，这个状态下的温度称为地球的平衡
术 应
温度。地球辐射平衡温度为255K，但地球表面
用 》
实际平均温度为288K，是由于地球大气的温室
武 汉
效应所引起。
大 学
资 源
地球的构造示意图。
资 源
与 环
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
地球具有明显的圈层结构，固体圈层主要有地核、
与 环
境 学
地幔、地壳。地球表层有水圈、生物圈，外层有
境 学
院 大气圈。地球表层及其水圈、生物圈和大气圈是
院
遥感的对象，它们的特征和变化也对遥感产生重
要的影响。地球的结构如图2.35所示。
-..
图2.35 地球的形状和构造示意图
源
与 环
或为255，地
境 学
表无大气时辐
院
射平衡温度
图2.40 与太阳、地球、大气等温的黑体辐射曲线 (a)纵轴为对数坐标的辐亮度，(b)对(a)正规化后的辐亮度曲线
3
-..
遥感-原理.技术.应用
-..
地表的能量收支平衡
《
遥 感
可以分为这样几个部分：接收太阳的短波辐射R ↓
原 理
S
后又反射回去一部分，纯接收的短波能量为
理
技 术
= Φ /(BC 2 / cosθ )
应
用
》 武 汉
= Φ ⋅ cosθ
大 学
BC 2
资
源 与
环 境 学
E = 0 cos θ
D2
院
E
0
/D
2
大气顶界
图2.38 辐照度随天顶角的变化
-..
地球的辐射(短波和长波)
《
遥 感
地球的能量
原 理
地球的能量来自太阳辐射和内部放射性元素蜕变
技 术
的放射能、重力能等。
应 用
地表能量则主要来自太阳。太阳辐射途经地球大
》 武 汉
气时，被大气的气体分子、气溶胶和云所散
大 学
射、反射和吸收，之后约有50%到达地球。
资 源
而到达地球的太阳辐射的大部分转换为长波(3～
与 环 境
120μm)热能，为地球所吸收；小部分被地球表
学 院
面反射回大气和消耗于植物光合作用、有机物
的腐烂、潮汐作用、对流作用等。
上界为1000km；另一种是根据与星际气体密
术 应
度的比较，定义大气上界在2000km~3000km
用 》
之间。在垂向上大气表现出热力学性质的差
武 汉
异，自下而上被分为：对流层：空气垂直运动
大 学
产生对流形成天气现象。平流层：无明显对
资 源 与
流，无天气现象。O3增温。中间层：平流层顶
环 境
部。两个能量吸收层的交界带。热层(增温
约22%被大气散射散发到地面和外层空间，只
与
环 境
有31%的太阳辐射能以直射方式照射地面。
学
院
-..
太阳天顶角对太阳辐照度的影响
《 遥
地球大气顶界的太阳辐照度与太阳的天顶角(或
感
原 理
高度角)有关。在忽略外层稀薄大气影响的情
技 术
况下，近似地有
应 用
E
》
武 汉 大
E = 0 cos θ D2
学 资 源 与
原 理
右，所以它自身的发射辐射总体上与300K黑体
技 术
的辐射接近。地表辐射包括对太阳辐射的反射
应 用
和自身的发射辐射，前者在短波区域，后者在
》 武
长波区域，中间波长区域则反射和发射兼有，
汉
大 学
表2.4。
资
源 与
表2.4 地球辐射的分段特性
环
境
学
院
-..
《 遥 感
原 理
技 术
应
用
》
武
汉
大 学 资
或为288，地 表平均温度
其 中 E0 为 太 阳 常 数 ， D 为 以 AU 为 单 位 的 日 地 距 离。 θ为太阳天顶角，图2.38。
环
境 学
1/D2因子是由于点辐射源的距离平方反比定律。
院
太阳天顶角 (或高度角)随纬度、季节、时间而变
化，可由公式求得。
2
-..
遥感-原理.技术.应用
-..
《
遥
感 原
E = Φ / AB2
大
学
资
源
与
环
境
学
院
-..
《 遥 感 原 理 技 术 应 用 》 武 汉 大 学 资 源 与 环 境 学 院
地面不同纬度的辐射能收入与支出情况 美国NOAA卫星1974.4-1978.2实测数据
地表温度的年变化
因此地球的辐射包括地表辐射和大气辐射。这里
《 遥 感
讨论地表辐射情况。由于地球的常温在300K左
术 应
大气层的光学特性有较大的影响。三是其他气
用
》 武
体。主要是臭氧和二氧化碳。微量气体的作用
汉 大
不大。大气臭氧层能有效防止太阳紫外线对地
学 资 源
球生物的过量照射，二氧化碳则是影响地球表
与 环
层温度的主要因素。
境
学 院
这种成分的大气对遥感产生的影响因素有散射、
吸收、折射和湍流四大类。在大多数情况下，
技 术
应 用
主要有O3(臭氧)、CO2、H2O、N2O、CH4、
应 用
》
武 汉 大 学
NH3等。微粒有：烟、尘埃、雾霾、小水滴、 气溶胶。大气汽溶胶是指在地球大气中的具有
》
武 汉 大 学
资 源
一定稳定性、沉降速度小、尺度范围在
资 源
与 环 境
10−3 μm ~ 10μm 之间的分子团、液态或固态粒
与 环 境