电磁波经大气分子的散射

遥感图像分析AnalysisofRemoteSensing河南理工大学测绘学院TerrestrialAtmosphereandAtmosphericTransmissionCharacteristic第五讲地球大气及其电磁波传输特性为什么要研究地球大气及其对电磁波传输的影响？一、地球大气二、大气传输特性三、大气窗口主要内容重点重点1、地球大气的组成2、大气层的结构一、地球大气1、地球大气的组成成分含量：分子和其它微粒。大气成份主要有氮、氧、氩、二氧化碳、氦、甲烷、氧化氮、氢(不变成份)、臭氧、水蒸气、液态和固态水(雨、雾、雪、冰等)、盐粒、尘埃(可变成份)等组成。一、地球大气不变成份：物质在80公里以下的相对比例保持不变。可变成份：物质的含量随高度、湿度、位置的变化而变化。大气厚度约为1000km，自下而上大致分为：对流层平流层电离层大气外层一、地球大气2、大气层的结构大气垂直分层与遥感平台的高度情况太阳公里2500015001000400100805530251262300110气象卫星通讯卫星36000公里资源卫星气象卫星800~900公里电离层侦察卫星航天飞机150~200公里电离层电离层气球O3层飞机、气球飞机、气球飞机5~10℃-55~-75℃70~100℃600~800℃-55℃-55℃230℃2.7×1025分子/厘米38.6×1024分子/厘米31.8×1024分子/厘米34×1022分子/厘米34×1023分子/厘米31021分子/厘米31.3×1020分子/厘米31010分子/厘米31011电子/厘米3109电子/厘米3H+He++FDC外大气层质子层氦层电离层平流层对流层冷层暖层同温层上层中层下层E对流层对流层是空气作垂直运动而形成对流的一层，由于热量的传递产生许多天气现象。高度：0～12km。每升高1km，气温下降6℃。不变成分：氮78.09%，氧20.95%，其它1%。可变成分：臭氧较少、水蒸气不固定，液态和固态水随气象变化，近海面或盐湖上空含有盐粒，城市上空和干旱无植被复盖的地区上空有尘烟微粒。电磁波的传输特性主要在对流层内研究。一、地球大气平流层没有明显对流，是几乎没有天气现象的一层，电磁波的传输与对流层传输特征类似。高度：12～80km，分为同温层，暖层，冷层。同温层：12～25km，-55℃暖层：25～55km，25～30km有O3层，70～100℃冷层：55～80km，-55～-75℃一、地球大气平流层高度：80～1000km。顶部温度600～800℃。空气稀薄，高空气体分子（O2、N2）受太阳紫外辐射的照射而电离成离子和自由电子状态，电子密度随高度而不同，从最低的D层开始到E、F层，形成三个电离层。主要作用是反射地面发射的无线电波。遥感所用波段都比无线电波波长要短的多，因此可以穿过电离层，辐射强度不受任何影响。一、地球大气电离层高度：1000Km以上。1000～2500km是氦离子层。2500～25000km是氢离子，即质子层。空气稀薄，已不是遥感关注的区间。一、地球大气外大气层大气传播特性:大气对电磁波传输的衰减特性。大气对电磁波传输过程的影响包括：散射(scattering)吸收(absorption)折射(refraction)反射(reflection)对遥感数据最主要的影响因素是散射和吸收。二、大气传输特性1、大气折射电磁波穿过大气层时，会产生传播方向的改变，也就是会发生折射现象。二、大气传输特性太阳还没升至地平线上，地面上已可以见到。大气折射大气密度越大，折射率越大；离地面高度越大，空气越稀薄，折射率也越小。电磁波在大气中传播的轨迹是一条曲线！主要发生在云层顶部，取决于云量和云雾，而且波段不同其影响不同，削弱了电磁波强度。如果不是专门研究云层，尽量选择无云的天气接收遥感信号，使大气的反射影响最小。二、大气传输特性2、大气反射辐射传播中，若碰到小粒子，如气体中的尘埃、水滴等，使辐射向四面八方散去，电磁波的强度和方向发生各种变化，这种现象就是散射，散射的强度随波长而改变。二、大气传输特性3、大气散射随着波长和微粒半径之间的关系变化，散射形式有三种：•瑞利散射•米氏散射•无选择性散射二、大气传输特性3、大气散射由直径d远远小于波长λ的微粒引起的散射。其散射能力与波长的关系：γ∝1/λ4特点：1、波长愈短，散射能力愈强。2、前向散射与后向散射强度相同。二、大气传输特性3、大气散射-瑞利散射在晴天，天空为什么呈蓝色？由直径d与波长λ相当的微粒引起的散射。微粒：水滴、尘埃、花粉、气溶胶、海上盐粒。特点：1、较强的向前散射能力2、散射强度受气候影响大云、雾对红外线的散射主要是米氏散射。二、大气传输特性3、大气散射-米氏散射由直径d比波长λ大得多的微粒引起的散射。特点：散射强度几乎与波长无关，各波段基本一致。（非选择性的散射）二、大气传输特性3、大气散射-无选择性散射云、雾为什么呈白色？电磁波经大气分子的散射，一部分转化为天空辐射（光），它与太阳辐射一起产生了对地面的照度，二者之间的比例随太阳高度角而变化，太阳高度角为30°时，二者之比为80%：20%。天空辐射（光）天空辐射照度010020406080100400（%）806020（%）太阳辐射照度0000000000005550454035302520151050二、大气传输特性改变太阳辐射的方向，削弱到达地面或地面向外的辐射。产生漫反射的天空光(或天空辐射)，增强地面的辐照和大气层本身的亮度。有时也能得到阴影下地物的部分影像信息。使暗色地物表现得更亮，使亮地物表现得要暗。增加信号中的噪声成分，影像偏色、反差降低。尽量减少或消除天空光的影响，如加特制滤光片的方法。散射的影响二、大气传输特性大气吸收是大气分子接收电磁波辐射能量而转换成大气分子热运动的一种形式。二、大气传输特性4、大气吸收大气中的主要吸收体是：臭氧、二氧化碳、水蒸气。1008060402000.40.72O23468141000CO2O3H2OH2OH2OH2OH2OCO2CO2O3CO2二、大气传输特性4、大气吸收定义：电磁波辐射在大气传输中透过率比较高的波段。三、大气窗口1008060402000.40.723468141000透过率目前，在RS成像中使用的大气窗口为：（1）0.3-1.15μ微米：包括部分紫外光、全部可见光和部分近红外光。其中：0.3-0.4μm，透过率约为70%。0.4-0.7μm，透过率大于95%。0.7-1.1μm，透过率约为80%。（2）1.4-1.9μm：近红外窗口，透过率在60%—95%之间，其中1.55-1.75μm透过率较高。（3）2.0-2.5μm：近红外窗口，透过率为80%。（4）3.5-5.0μm：中红外窗口，透过率为60%—70%。（5）8.0-14.0μm：热红外窗口，透过率为80%。（6）1.0-1.8mm：微波窗口，透过率约为35%—40%左右。（7）2.0-5.0mm：微波窗口，透过率在50%—70%之间。（8）8.0-1000mm：微波窗口，透过率为100%。三、大气窗口讨论：进入传感器的太阳辐射组成情况？LP主要的部分LS是地物直接反射的太阳辐射；LP是大气的散射没有到达地面就直接进入传感器的部分（程辐射）；LD是漫入射辐射射入地面，又反射到大气中，再进入传感器的部分。（天空辐射）LSLDL=LS+LP+LD本节重点：大气传输特性和大气窗口思考题：1、为什么早上的太阳是红色的？2、说明晴天、阴天在相同条件下，全色像片摄影影像反差不同的原因。3、为什么微波对大气具有较强的穿透能力？4、遥感波段为什么选择大气窗口？预习：遥感平台小结