大气辐射与遥感-第二章.

第二章大气辐射基础知识兰州大学大气科学学院专业必修课-《大气辐射与遥感》授课人：葛觐铭2015·春季第二章大气辐射基础知识§2.1电磁辐射的性质§2.1.1电磁波§2.1.2立体角§2.1.3基本辐射量§2.1.4散射和吸收的概念§2.2黑体辐射定律§2.2.1普朗克定律§2.2.2斯蒂芬-玻尔兹曼定律§2.2.3维恩位移律§2.2.4基尔霍夫定律§2.3大气顶的太阳辐射§2.3.1太阳结构§2.3.2地球绕日轨道与日分布§2.3.3太阳光谱与太阳常数的测定§2.1电磁辐射的性质电场磁场变化水波：动能==势能电磁波：运动的电场==磁场横波§2.1.1电磁波电磁波的性质电磁波频谱γ射线X射线紫外线可见光红外线微波电视信号及无线电波大多数情况，电磁波段的划分是人为的，彼此之间并没有显著的物理差异！γ射线和X射线紫外线（UV）UV-A占所有太阳紫外辐射的99%，大气对其透明，对生物体无害UV-B99%的UV-B会被平流层O3吸收，对组织和细胞DNA有害UV-C几乎所有的UV-C会被中层大气和平流层上层大气吸收，会把氧气离解成为氧原子。可见光红外波段近红外主要源于太阳辐射，约占太阳辐射的50%，有很多大气吸收带。热红外绝大部分的大气辐射能量交换和大气吸收带都在这个频段。远红外能量交换不再那么重要，但可以用于卷云的遥感探测。微波和无线电波太阳辐射与地球辐射4μm电磁波的频率分解任意两个单独电磁波的传输都是完全独立的，他们或许会相交，甚至一起传输，但是一列波并不会影响到另一列波。这个原则被很好的应用到以正弦函数为基函数的傅立叶分解。因此，我们不仅仅可以把任意电磁波看作成有一系列不同角频率的正弦函数组成的混合波，我们甚至可以追踪每种频率分量的传播。这一点对大气辐射传输意义重大：在计算、模拟电磁波和云、水汽、氧气、二氧化碳等相互作用的时候，我们一次仅考虑一个单一频率（波段），然后再把所有相关频率的结果求和。单色光与宽波段辐射•单色光（monochromaticradiation），单一频率（或波长）的光。不能产生色散。•宽波段辐射（复合光，broadbandradiation），由很宽的一个频率范围组成的混合光。•准单色光（quasi-monochromatic），严格的单色光是不存在的，当光波的频谱宽度Δν与中心频率ν0之比远远小于1，称之为准单色光，它很接近于单色光。电磁波的极化电磁波包含两种矢量（电矢量和磁矢量）的振动，引起感光作用和生理作用的是其中的电矢量，故在讨论光的偏振中也只考虑电矢量。非极化自然光线性极化圆极化水平线偏振光右旋圆偏振光右旋椭圆偏振光通常来说，大气中的自然光都是完全非极化的，但是当光波遇到粒子或者地表、水面时，有可能被部分或者完全极化。例如：平静的水面可以将反射的光波水平线性极化。电磁波的波粒二象性光电效应：金属中的自由电子在光的照射下，吸收光能而逸出金属表面。电磁波的能量•我们研究大气辐射的中心问题是研究电磁能量的传输！•能量的表述有以下几种：辐照度辐出度辐射通量密度辐亮度能量•J功率•W（Js-1）通量密度•Wm-2强度/亮度•Wm-2sr-1单色(monochromatic)与宽波段(broadband)§2.1.2立体角§2.1.3基本辐射量-1§2.1.3基本辐射量-2符号辐射量量纲单位E能量ML2T-2焦[耳](J)f通量ML2T-3焦[耳]•秒-1瓦特(J•s-1,W)F通量密度辐照度辐出度MT-3焦[耳]•秒-1•米-2(W•m-2)I辐亮度强度亮度MT-3焦[耳]•秒-1•米-2•球面度-1(W•m-2•sr-1)复习：Flux&Intensity•辐射通量（radiationflux）：指单位时间通过某一平面的辐射能（各种波长的电磁波传输的能量），也称为辐射功率。由某一发射面发出的总通量通常称为发光度（luminosity）。•辐射通量密度（radiationfluxintensity）：单位面积的辐射通量称为辐射通量密度，也称为辐照度（irradiance）。当辐射通量密度是由一个发射面射出时，则此量称为辐出度（emittance）；当按波长表达时，它称为单色辐出度。（monochromaticemittance）。•辐亮度(radiance)：在辐射传输方向上的单位立体角内，通过垂直于该方向的单位面积、单位波长间隔的辐射功率。亦称为辐射率。§2.1.4散射和吸收•散射(scattering)是指光通过不均匀介质时一部分光偏离原方向传播的现象。•散射是这样一种物理过程，位于电磁波路径上的粒子通过这种过程从入射波中连续的提取能量，并将次能量向各方向重新辐射出去。因此，该粒子可以当作散射能量的点源。散射现象分类-1散射现象分类-2散射光波矢量和波长同时变化：瑞利散射斯托克斯过程抗斯托克斯过程布里渊散射拉曼散射•1928年拉曼在液体和气体中观察到散射光频率发生改变的现象，成为拉曼散射。•拉曼散射遵守如下规律：散射光中在原始入射谱线（频率为ω0）两侧对称地伴有频率为ω0±ωi(i=1,2,3,…)的一组谱线，长波一侧的谱线称红伴线或斯托克斯线，短波一侧的谱线称紫伴线或反斯托克斯线，统称拉曼谱线；频率差ωi与入射光频率ω0无关，仅由散射物质的性质决定。每种物质都有自己特有的拉曼谱线，常与物质的红外吸收谱相吻合。•晶格振动分频率较高的光学支和频率较低的声学支，前者参与的散射是拉曼散射，后者参与的散射是布里渊散射。广义的拉曼散射。按习惯频移波数在50—1,000/厘米间为拉曼散射，在0.1—2/厘米间是布里渊散射。这种技术可应用于大气水汽遥感！散射现象分类-3独立散射：当大气分子和微粒的间距分开的足够宽，以致每个粒子散射光的情况严格等同于其他粒子不存在使得情况时的散射，称之为独立散射。单散射：移除了入射光，在P点的粒子通过向各个方向的只散射了一次的单散射，也即仅对原始的入射光进行散射。二次散射：一部分单散射的光到达在Q点的粒子上，在此再次发生向各个方向的散射成为二次散射。多次散射：多于一次的散射都称为多次散射。多次散射对辐射能在大气中的传输是一个重要过程，尤其是在涉及到云和气溶胶时。消光光吸收(absorption)：当光通过材料时，光与材料中的原子（离子）、电子相互作用时即可发生光的吸收。消光(extinction)：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，称之为消光。截面的概念•消光截面(crosssection)：与粒子的几何面积类似，是一个假象区域（量纲L2），用来表示粒子从初始光束中所移除的能量大小。即单个粒子的消光能力。•消光界面的大小，取决于光的波长、粒子的介电常数，形状和大小等。•消光截面=散射截面+吸收截面IIσs•质量消光截面(massextinctioncrosssection)：当截面相对单位质量而言时，它的单位是每单位质量的面积(cm2•g-1)。•质量消光截面=质量散射截面+质量吸收截面消光系数吸收率、反射率和透射率•当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三种现象，即吸收、反射和透射。：透射率：反射率：吸收率;R;11ARAQQQQQQQQQQrr•大多数的固体和液体：•不含颗粒的气体：•黑体：•镜体或白体：•透明体：镜反射与漫反射课后作业吸收(absorption)透过(transmission)反射(reflection)发射(emission)§2.2黑体辐射定律黑体的定义•黑体：是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的物体，是一种科学假想的物体，现实生活中是不存在的。但却可以人工制造出近似的人工黑体。黑体示意图黑体辐射定律•黑体辐射定律对了解吸收和发射过程而言是基础知识。•支配黑体辐射的四个基本定律：–普朗克（Planck）定律–斯蒂芬-玻尔兹曼（Stefan-Boltamann）定律–维恩（Wien）位移定律–基尔霍夫（Kirchhoff）定律§2.2.1普朗克定律W•m-2•μm-1•sr-1频率域波长域§2.2.2斯蒂芬-玻尔兹曼定律将物体视为绝对黑体而计算出的温度成为有效温度，有效温度低于实际温度。斯蒂芬玻耳兹曼定律是分析宽带红外辐射传输的基础。§2.2.3维恩位移律瑞利-金斯近似(Rayleigh-JeansApproximation)发射率1.单色发射率ελ：主要在遥感应用方面（主要关心辐亮度）2.宽波段发射率ε：主要在能量传输计算方面（主要关心辐照度、通量）灰体§2.2.4基尔霍夫定律介质可以吸收特定波长的辐射，同时也能发射同样波长的辐射，发射速率是温度和波长的函数。这是热力平衡条件下介质的基本性质。我们考虑一个具有黑色器壁的完全绝热的封闭体。假定该系统达到热力学平衡态，具有均一的温度和各向同性辐射。因为器壁是黑色的，所以它吸收了系统向他发射的辐射；又因为这时达到热力学平衡态，所以器壁也要发射出与它吸收的辐射相等量的辐射。由于黑体吸收尽可能多的辐射，所以它必须发射同样多的辐射。如果它发射的较多，则不可能达到平衡，这将违背热力学第二定律。•在统计力学中，系统的宏观性质是相应的微观量的统计平均值。当系统处于热力学平衡时，系统内的每个分子仍在处于不停的运动中，系统的微观状态也在不断地发生变化，只是分子微观运动的某些统计平均值不随时间而改变。•基尔霍夫定律不成立的情况：1.非常高的大气层处，因为那里的分子碰撞非常少。2.激光、荧光、气体放电管、LED等，分子的平均电子能量被人为的抬升到一个能级，比分子热动力运动的温度高很多。因此，这些系统的发射率比黑体的发射率高很多，因此不遵从普朗克定律或者基尔霍夫定律。3.大气中的非局地热力平衡辐射现象有：闪电放电、极光。亮温)I(BT1BTheverticalweightingfunctiondescribestherelativecontributionthatmicrowaveradiationemittedbyalayerintheatmospheremakestothetotalintensitymeasuredabovetheatmospherebythesatellite.有了上述四个规律，黑体辐射的规律就全部确定了。对于非黑体，只要知道了它的温度与吸收率，通过基尔霍夫定律，其辐射光谱也就确定了。§2.3大气顶的太阳辐射太阳从一个由星际物质组成的平薄而炽热的旋转圆盘的中心压缩聚集而成。太阳是一颗典型的二类（G2）恒星星体。地球所接收的，并驱动地球大气和海洋运动的所有能量都来自太阳。太阳是一颗气体球，主要成分是氢（90%）和氦（10%），再加上少量的较重元素。温度与密度都是由中心向表面递减。一般认为，太阳能源是由核心位置的四个氢原子稳定转换为一个氦原子的聚变反应所产生的。§2.3.1太阳结构1.核心2.辐射层3.对流层4.光球层5.色球层6.日冕7.太阳黑子8.米粒组织9.日珥内部结构大气结构在对流层之下，一般认为能量在太阳内部是通过电磁辐射传输，即光子流输送；然而在太阳表面附近，因较重元素吸收而造成的对辐射能的重大阻挡，使得能量一部分由对流输送，一部分由电磁辐射输送。在太阳表面以上，能量再次以电磁辐射的方式进行。太阳大气的温度结构和吸收谱线形成区光球层•厚度约500km较薄的一层，称为太阳表面。•温度由低层的8000K变化到高层的4000K，平均温度和有效温度均为5800K左右。•到达地球的大多数电磁能量来自该层。•均匀分布在日面上的、直径约1500km的相对光亮的米粒组织。•由光球层发射的辐射基本上是连续的。色球层太阳大气，特点是具有稀薄而透明的太阳气体。色球层厚度约2000km，温度由4000K增加到4000～6000K。温度极小值4000K的较冷气体在太阳所含各种原子的特征波长处，吸收光球层发射的连续辐射，产生了太阳吸收光谱（即色球层的发射光谱）。日全食观测到发射谱线大部分来自氢、氦和钙，食既和生光时刻，有一光亮的线发射光谱称为闪光谱。其中最强的吸收线为636.5nm，使日食期间色球层变得