2009-第6章课件PART-1

第六章散射和吸收-PART1（ScatterandAbsorption）§6.1描述衰减的术语（TermsDescribingAttenuation）§6.2辐射传输方程Ⅰ（RadiativeTransferEquationⅠ）§6.3大气层和大气窗（Aerosphere&AtmosphericWindows）§6.4辐射传输方程Ⅱ（RadiativeTransferEquationⅡ）§6.1.1复折射率和穿透深度（ComplexIndexofRefraction&transmittancedepth）复折射率（complexindexofrefraction）的表达式如下（6-1）式中实部n′是折射率（refractionindex），描述电磁波在两介质的界面处传播速度和方向的变化；虚部n″表示电磁波在介质内部传播的衰减程度。图6-2：电磁波在纯水的复折射率n的实部n′和虚部n″随波长的变化斯奈尔折射定律（Snell’sRefractionLaw）（6-2）式中n′是电磁波从空气向海水传播时在海水的折射率，θ1是入射角，θ2是折射角。复折射率的实部的物理意义？如果已知海水的相对电容率εr，则可用（6-3）来计算复折射率n=n′−in〞。在微波波段里，相对电容率εr可从德拜方程（5-66）获得。rεn如何计算复折射率n？把（6-1）和（6-2）代入电磁波波动方程的解（5-2），可得（6-5）令ke是电场强度的衰减系数，代表电场强度Ex（ω,z）的衰减项，可知上式表明了电场强度的衰减系数ke（ω）与复折射率的虚部n〞（ω）二者之间的关系，这个公式直接地揭示了n〞的物理意义：复折射率的虚部n〞是描述电磁波在传播过程中能量衰减快慢程度的物理量。复折射率的虚部的物理意义？皮层深度（skindepth）的定义？在电场强度（electricfieldintensity）的表达公式（6-5）内，如果在z=d处的电场强度Ex（ω,d）衰减为初始值Ex（ω,0）的1/e，那么我们定义从z=0到z=d的距离为皮层深度（skindepth）。辐亮度与电场强度的平方成比例。电场强度衰减为初始值的1/e，这意味着辐亮度衰减为初始值的(1/e)2≈0.135。这里e是自然数，e≈2.71828。我们有(6-6)式中dskin是皮层深度（skindepth）。对频率为10GHz波长为3cm的X波段微波，盐度为35psu和温度为20˚C海水的相对电容率εr和复折射率n是代入n″=2.43到公式（6-6），可得皮层深度d=1.96mm。这就是说，频率为10GHz的微波在进入20˚C海水1.96mm深度处时，电场强度Ex（ω,d）衰减为初始值Ex（ω,0）的1/e。在如此短的距离内，电场强度衰减为初始值的1/e，辐亮度就已衰减到初始值的(1/e)2≈0.135。因此，对于这个频率来说海水基本不透明。因为微波的能量子在海水中迅速地被海水分子捕捉，所以对于这个频率海水是理想导体。相对电容率εr和复折射率n有多大？图6-3显示了两种类型的海洋表层温度剖面特征的比较，图中横坐标是温度，纵坐标是深度，实线代表温度的剖面分布。左图表示无论夜间还是白天，当强风（U106m/s）时充分混合的上表层温度剖面；右图表示在白天强日照和弱风条件下层化的上表层温度剖面。图中T11μm、T10GHz和Tb分别代表波长为11μm的热红外光辐射计、频率为10GHz的微波辐射计以及浮标测量的温度，Ts代表海表面温度，ΔT=|Ts-Tb|，三条黑色线段分别代表对以上三个测量温度有贡献的海水厚度层。这里，代表T11μm和T10GHz的两条黑色线段的下端分别对应着两个不同波段的皮层深度。皮层深度有多深？卫星遥感观测的SST代表什么？穿透深度Z90的定义？为什么90做角标？人们使用皮层深度（skindepth）dskin描述微波在海水中的衰减，又使用穿透深度（penetrationdepth）z90描述可见光和红外光在海水中的衰减。如果在z=z90处的辐照度E（λ,z90）衰减为初始值E（λ,0）的1/e，那么我们定义从z=0到z=z90的距离为穿透深度z90。因为辐照度与电场强度的平方成比例，所以穿透深度z90与皮层深度的定义有所不同。根据计算，穿透深度z90以上海水层粒子的后向散射对离水辐亮度L（λ）的贡献占有90%的份额，所以人们使用90作为穿透深度z90的下脚标。依据可见光和红外光在海水中的衰减，可以使用穿透深度z90的定义来计算复折射率的虚部n″的平均值。例如，对于λ=10μm的热红外光和对应穿透深度z90=16μm的海水，复折射率的虚部n″约等于0.05。在比较清澈的南海某海域，490nm蓝绿光的穿透深度大约是30米，430～480nm蓝光和500～580nm绿光的穿透深度大约是20米，400～430nm紫光和590～610nm黄光的穿透深度大约是10米，620～700nm红光的穿透深度大约是1～3米。在渤海海域，490nm蓝绿光的平均穿透深度仅达7米，700nm红光的平均穿透深度仅达1米。在高浑浊度的水域，如悬浮泥沙浓度极高的河口海域，所有波长的可见光的穿透深度可能都在1米以内。一般地，490nm蓝绿光的穿透深度最大，波长超过490nm的可见光在海水中的穿透深度随可见光波长的增加而减小。穿透深度有多深？除了皮层深度dskin和穿透深度z90以外，在海洋光学和初级生产力的研究中人们还经常使用两个概念：真光层或透光层深度（euphoticdepth）和补偿深度（compensationdepth）。在真光层深度，辐照度（光能）是其表层值的1%（有的文献定义为0.1%）。在补偿深度，呼吸作用等于光合作用。人们经常认为，补偿深度近似地等于浮游植物在光合作用最强波段的真光层深度。在贫瘠的大洋，真光层深度可能超过100米；在富营养或者浑浊的近岸海域，真光层深度可能不超过10米。初级生产力主要发生在真光层深度以上区域，即透光区域（euphoticzone）。真光层深度或透光层深度的定义？（略）因为电磁波在纯水中的衰减主要是由吸收作用引起，所以有文献（Martin2004）也将电磁波在纯水中的穿透深度称为吸收深度（absorptiondepth），并使用符号da来表示。吸收系数在哪个波段最小，你会判断吗？§6.1.2衰减系数和光学厚度（AttenuationCoefficient&OpticalThickness）衰减系数（attenuationcoefficient）ka（λ）可由朗伯-比尔透射定律（Lamber-BeerTransmittanceLaw）计算。辐亮度透射定律（RadianceTransmittanceLaw）是朗伯-比尔透射定律的一种微分形式，即式中L(λ,z)是辐亮度（radiance），衰减系数（attenuationcoefficient）ka（λ）描述介质（medium）的固有光学性质（IOP：inherentopticalproperties）。衰减系数的值是由介质内部各个组份的物理吸收特性、几何散射特性以及各个组份的浓度决定的，与外部光源（或电磁波源）本身的强度无关。辐照度（irradiance）和辐亮度（radiance）描述表观光学性质（AOP：apparentopticalproperties）的光学量，它们的初始值依赖于外部光源强度，它们在空间的分布取决于外部光源强度和介质内部衰减率这两个方面。吸收和散射都引起衰减。所以，衰减系数（attenuationcoefficient）ka(λ)是吸收系数（absorptioncoefficient）kab(λ)和散射系数（scatteringcoefficient）ksc（λ）的总和衰减系数沿传播路径上的积分被称为从位置z0到z的光学厚度(opticalthickness)。式中衰减系数ka、吸收系数kab和散射系数ksc的单位是m-1，光学厚度τa没有量纲，z0和z是介质中电磁波传播路径的边界。衰减系数和光学厚度的关系？图6-2：MODIS/Terra遥感监测到的2002年4月份云层的平均光学厚度的全球分布衰减系数的定义式:对其求积分，并使用光学厚度τa的定义可获得式中的τa（λ,z）代表从位置z0=0到z的这一段介质相对于波长λ电磁波的光学厚度.该式是朗伯-比尔透射定律（Lamber-BeerTransmittanceLaw）的积分形式。因为透射率（transmittance）t（λ）等于在位置z和位置z0的辐亮度之比，将该定义代入到以上公式，可知朗伯-比尔透射定律的积分形式和透射率？对比代表辐亮度的公式（6-12）和代表电场强度的公式（6-5）的衰减项，可获得复折射率的虚部与光学厚度的关系：(6-12)(6-5)复折射率的虚部与光学厚度的关系？辐亮度的公式电场强度的公式因而，这表明了光学厚度τa（f,z1,z2）、衰减系数ka（f,z）与复折射率的虚部n″（f）三者之间的关系。从上式可以导出这表明，复折射率的虚部n”（f）与衰减系数ka（f,z）在路径z1到z2之间的平均值成正比。如果从z1到z2之间的距离很小，衰减系数ka（f,z）在△z=z2-z1区间内近似地是一个常数，那么，有复折射率的虚部与光学厚度的关系？§6.1.3漫衰减系数和光束衰减系数（DiffuseAttenuationCoefficient&BeamAttenuationCoefficient）依据不同方法，测量的衰减系数可分为“漫衰减系数”（diffuseattenuationcoefficient）和“光束衰减系数”（beamattenuationcoefficient）两种。“漫衰减系数”是在自然光场下测量获得的，“光束衰减系数”是在人为设置的“准直光束”光场条件下测量获得的与漫衰减系数对应的透射率被称为漫透射率，与光束衰减系数对应的透射率被称为光束透射率。测量表观光学性质（AOP:ApparentOpticalProperty）的仪器主要是辐照度仪和辐亮度仪。图6-3：水下辐照度和辐亮度测量仪的剖面测量方式（引自）图6-4：水下向下辐照度Ed（λ）（引自）图6-5：水下向下辐照度Ed（λ）（引自）在自然光场下测量获得的辐照度衰减系数被称为“漫衰减系数”（diffuseattenuationcoefficient）。人们使用Kd表示由向下辐照度Ed计算获得的漫衰减系数，它是水色卫星遥感的产品之一。在海上调查中，使用水下海水衰减测量仪能够直接探测海水垂直剖面的衰减系数。使用平行光束（准直光束）和一个较窄的视场角（FOV：fieldofview）能够避免了来自外部散射的增益，故称为“光束衰减系数”（beamattenuationcoefficient）。光束衰减系数也称为体积衰减系数（volumeattenuationcoefficient）。在自然光场条件下，可以通过测量辐照度的垂直剖面分布获得辐照度衰减系数（irradianceattenuationcoefficient）K（λ），即(6-20)式中E（λ,z）是辐照度（irradiance），K（λ）是辐照度衰减系数，它的单位是cm-1。辐照度衰减系数K（λ）也称为漫衰减系数（diffuseattenuationcoefficient），它是水色卫星遥感的产品之一。使用水下光谱剖面仪测量的辐照度剖面数据，依据上述公式计算可获得海水的漫衰减系数。人们经常使用Kd（λ）代表向下辐照度（downwellingirradiance）导出的辐照度衰减系数。公式（6-20）被称为辐照度透射定律（IrradianceTransmittanceLaw）,它也是朗伯-比尔透射定律的一种微分形式。辐照度衰减系数的定义？§6.1.4体积散射函数（VolumeScatteringFunction）体积散射函数（volumescatteringfunc