第二章

大氣輻射基礎知識蘭州大學大氣科學學院專業必修課-《大氣輻射與遙感》第二章

大氣輻射基礎知識

2.1電磁輻射的性質2.1.1電磁波2.1.2立體角2.1.3基本輻射量2.1.4散射和吸收的概念2.2黑體輻射定律2.2.1普朗克定律2.2.2斯蒂芬-玻爾茲曼定律2.2.3維恩位移律2.2.4基爾霍夫定律2.3大氣頂的太陽輻射2.3.1太陽結構2.3.2地球繞日軌道與日分布2.3.3太陽光譜與太陽常數的測定§2.1電磁輻射的性質電場磁場變化水波：動能<==>

勢能電磁波：運動的電場<==>

磁場

橫波§2.1.1電磁波電磁波的性質

電磁波頻譜γ射線X射線紫外線可見光紅外線微波電視信號及無線電波大多數情況，電磁波段的劃分是人為的，彼此之間并沒有顯著的物理差異！γ射線和X射線

紫外線（UV）

UV-A占所有太陽紫外輻射的99%，大氣對其透明，對生物體無害UV-B99%的UV-B會被平流層O3吸收，對組織和細胞DNA有害UV-C幾乎所有的UV-C會被中層大氣和平流層上層大氣吸收，會把氧氣離解成為氧原子。可見光

紅外波段

近紅外主要源于太陽輻射，約占太陽輻射的50%，有很多大氣吸收帶。熱紅外絕大部分的大氣輻射能量交換和大氣吸收帶都在這個頻段。遠紅外能量交換不再那么重要，但可以用于卷云的遙感探測。微波和無線電波

太陽輻射與地球輻射4μm電磁波的頻率分解

任意兩個單獨電磁波的傳輸都是完全獨立的，他們或許會相交，甚至一起傳輸，但是一列波并不會影響到另一列波。

這個原則被很好的應用到以正弦函數為基函數的傅立葉分解。因此，我們不僅僅可以把任意電磁波看作成有一系列不同角頻率的正弦函數組成的混合波，我們甚至可以追蹤每種頻率分量的傳播。

這一點對大氣輻射傳輸意義重大：在計算、模擬電磁波和云、水汽、氧氣、二氧化碳等相互作用的時候，我們一次僅考慮一個單一頻率（波段），然后再把所有相關頻率的結果求和。單色光與寬波段輻射單色光（monochromaticradiation），單一頻率（或波長）的光。不能產生色散。寬波段輻射（復合光，broadbandradiation），由很寬的一個頻率范圍組成的混合光。準單色光（quasi-monochromatic），嚴格的單色光是不存在的，當光波的頻譜寬度Δν與中心頻率ν0之比遠遠小于1，稱之為準單色光，它很接近于單色光。電磁波的極化

電磁波包含兩種矢量（電矢量和磁矢量）的振動，引起感光作用和生理作用的是其中的電矢量，故在討論光的偏振中也只考慮電矢量。非極化自然光線性極化圓極化水平線偏振光右旋圓偏振光右旋橢圓偏振光通常來說，大氣中的自然光都是完全非極化的，但是當光波遇到粒子或者地表、水面時，有可能被部分或者完全極化。例如：平靜的水面可以將反射的光波水平線性極化。電磁波的波粒二象性

光電效應：金屬中的自由電子在光的照射下，吸收光能而逸出金屬表面。

電磁波的能量我們研究大氣輻射的中心問題是研究電磁能量的傳輸！能量的表述有以下幾種：輻照度輻出度輻射通量密度輻亮度能量J功率W（Js-1）通量密度Wm-2強度/亮度Wm-2sr-1單色(monochromatic)與寬波段(broadband)

§2.1.2立體角

§2.1.3基本輻射量-1

§2.1.3基本輻射量-2

符號輻射量量綱單位E能量ML2T-2焦[耳](J)f通量ML2T-3焦[耳]?秒-1瓦特(J?s-1,W)F通量密度輻照度輻出度MT-3焦[耳]?秒-1?米-2

(W?m-2)I輻亮度強度亮度MT-3焦[耳]?秒-1?米-2?球面度-1

(W?m-2?sr-1)復習：Flux&Intensity輻射通量（radiationflux）：指單位時間通過某一平面的輻射能（各種波長的電磁波傳輸的能量），也稱為輻射功率。由某一發射面發出的總通量通常稱為發光度（luminosity）。輻射通量密度（radiationfluxintensity）：單位面積的輻射通量稱為輻射通量密度，也稱為輻照度（irradiance）。當輻射通量密度是由一個發射面射出時，則此量稱為輻出度（emittance）；當按波長表達時，它稱為單色輻出度。（monochromaticemittance）。輻亮度(radiance)：在輻射傳輸方向上的單位立體角內，通過垂直于該方向的單位面積、單位波長間隔的輻射功率。亦稱為輻射率。§2.1.4散射和吸收散射

(scattering)是指光通過不均勻介質時一部分光偏離原方向傳播的現象。散射是這樣一種物理過程，位于電磁波路徑上的粒子通過這種過程從入射波中連續的提取能量，并將次能量向各方向重新輻射出去。因此，該粒子可以當作散射能量的點源。散射現象分類-1

散射現象分類-2散射光波矢量和波長同時變化：

瑞利散射斯托克斯過程抗斯托克斯過程布里淵散射拉曼散射1928年拉曼在液體和氣體中觀察到散射光頻率發生改變的現象，成為拉曼散射。拉曼散射遵守如下規律：散射光中在原始入射譜線（頻率為ω0）兩側對稱地伴有頻率為ω0±ωi(i=1,2,3,…)的一組譜線，長波一側的譜線稱紅伴線或斯托克斯線，短波一側的譜線稱紫伴線或反斯托克斯線，統稱拉曼譜線；頻率差ωi與入射光頻率ω0無關，僅由散射物質的性質決定。每種物質都有自己特有的拉曼譜線，常與物質的紅外吸收譜相吻合。晶格振動分頻率較高的光學支和頻率較低的聲學支，前者參與的散射是拉曼散射，后者參與的散射是布里淵散射。廣義的拉曼散射。按習慣頻移波數在50—1,000/厘米間為拉曼散射，在0.1—2/厘米間是布里淵散射。這種技術可應用于大氣水汽遙感！散射現象分類-3獨立散射：當大氣分子和微粒的間距分開的足夠寬，以致每個粒子散射光的情況嚴格等同于其他粒子不存在使得情況時的散射，稱之為獨立散射。單散射：移除了入射光，在P點的粒子通過向各個方向的只散射了一次的單散射，也即僅對原始的入射光進行散射。二次散射：一部分單散射的光到達在Q點的粒子上，在此再次發生向各個方向的散射成為二次散射。多次散射：多于一次的散射都成為多次單設。多次散射對輻射能在大氣中的傳輸是一個重要過程，尤其是在涉及到云和氣溶膠時。消光光吸收(absorption)：當光通過材料時，光與材料中的原子（離子）、電子相互作用時即可發生光的吸收。消光(extinction)：散射和吸收兩種作用從介質中傳播的光束內移除能量，光束被衰減，稱之為消光。截面的概念消光截面(crosssection)：與粒子的幾何面積類似，是一個假象區域（量綱L2），用來表示粒子從初始光束中所移除的能量大小。即單個粒子的消光能力。消光界面的大小，取決于光的波長、粒子的介電常數，形狀和大小等。消光截面=散射截面+吸收截面IIσs質量消光截面(massextinctioncrosssection)：當截面相對單位質量而言時，它的單位是每單位質量的面積(cm2?g-1)。質量消光截面=質量散射截面+質量吸收截面消光系數

吸收率、反射率和透射率當熱輻射投射到物體表面上時，一般會發生三種現象，即吸收、反射和透射。大多數的固體和液體：不含顆粒的氣體：黑體：鏡體或白體：透明體：

鏡反射與漫反射課后作業

吸收(absorption)透過(transmission)反射(reflection)發射(emission)§2.2黑體輻射定律黑體的定義黑體：是指能吸收投入到其面上的所有熱輻射能的物體，是一種科學假想的物體，現實生活中是不存在的。但卻可以人工制造出近似的人工黑體。黑體示意圖

黑體輻射定律黑體輻射定律對了解吸收和發射過程而言是基礎知識。支配黑體輻射的四個基本定律：普朗克（Planck）定律斯蒂芬-玻爾茲曼（Stefan-Boltamann）定律維恩（Wien）位移定律基爾霍夫（Kirchhoff）定律§2.2.1普朗克定律

W?m-2?μm-1?sr-1頻率域波長域§2.2.2斯蒂芬-玻爾茲曼定律

將物體視為絕對黑體而計算出的溫度成為有效溫度，有效溫度低于實際溫度。斯蒂芬玻耳茲曼定律是分析寬帶紅外輻射傳輸的基礎。§2.2.3維恩位移律

瑞利-金斯近似

(Rayleigh-JeansApproximation)

發射率

單色發射率ελ

：主要在遙感應用方面（主要關心輻亮度）寬波段發射率ε：主要在能量傳輸計算方面（主要關心輻照度、通量）灰體

§2.2.4基爾霍夫定律介質可以吸收特定波長的輻射，同時也能發射同樣波長的輻射，發射速率是溫度和波長的函數。這是熱力平衡條件下介質的基本性質。我們考慮一個具有黑色器壁的完全絕熱的封閉體。假定該系統達到熱力學平衡態，具有均一的溫度和各向同性輻射。因為器壁是黑色的，所以它吸收了系統向他發射的輻射；又因為這時達到熱力學平衡態，所以器壁也要發射出與它吸收的輻射相等量的輻射。由于黑體吸收盡可能多的輻射，所以它必須發射同樣多的輻射。如果它發射的較多，則不可能達到平衡，這將違背熱力學第二定律。

在統計力學中，系統的宏觀性質是相應的微觀量的統計平均值。當系統處于熱力學平衡時，系統內的每個分子仍在處于不停的運動中，系統的微觀狀態也在不斷地發生變化，只是分子微觀運動的某些統計平均值不隨時間而改變。基爾霍夫定律不成立的情況：非常高的大氣層處，因為那里的分子碰撞非常少。激光、熒光、氣體放電管、LED等，分子的平均電子能量被人為的抬升到一個能級，比分子熱動力運動的溫度高很多。因此，這些系統的發射率比黑體的發射率高很多，因此不遵從普朗克定律或者基爾霍夫定律。大氣中的非局地熱力平衡輻射現象有：閃電放電、極光。亮溫

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