北航大气辐射导论第04讲 大气中热辐射传输.pdf

大气辐射传输理论基础大气辐射传输理论基础 许东 xuddong@b@buaa.eddu.cn 仪器科学与光电工程学院 北京航空航天大学北京航空航天大学 振动跃迁和转动跃迁振动跃迁和转动跃迁  分子储存能量的方式  平动能量：单个分子在x,y,z方向上的平均 平动动能等于KT/2，K为玻尔兹曼常数。  转动能量：分子能够围转分子重心的轴旋 转或绕转，因此分子具有转动能量。  振动能量：组成分子的原子受某种类似弹 簧的弹力的束缚，单个原子能够相于原子 彼此间的平衡位置而振动，因此分子具有 振动能量。  电子能量：构成分子的原子的电子运动， Ee Ev Er 分子具有电子能量。 振动跃迁和转动跃迁振动跃迁和转动跃迁  分子的振动跃迁  对于非线性分子，有3N-6个振动模；  对于线性分子，有3N-5个振动模。  分子的转动跃迁分子的转动跃迁  一个双原子分子和一个线性三原子分 子具有两个相等的惯性矩和两个转动子具有两个相等的惯性矩和两个转动 自由度  不对称陀螺分子具有三个不等的惯性 矩和三个转动自由度。  更复杂的分子具有更多的转动自由度 分子能级跃迁分子能级跃迁 分子能级跃迁分子能级跃迁 HHOO的主要吸收带的主要吸收带2 COCO 15um15um吸收带吸收带(0110→0000)(0110→0000)2 100→000、001→000、020→000 谱线增宽谱线增宽  问题：由原子/ 分子的能态跃迁发射的辐射是单色，但实际上从未观测 到过单色发射辐射，什么原因？  原因：外界对原子和分子的影响，以及发射中的能量损耗  发射中的能量损耗造成的振子振动的阻尼 （自然增宽）  吸收分子之间以及吸收与不吸收分子之间相互碰撞产生扰动 （碰撞增宽）  各种分子和原子之间的热运动速度差异造成的多普勒效应（多谱勒增宽）  自然增宽与碰撞增宽和多普勒增宽相比可以忽略不计  在高层大气中碰撞增宽和多普勒增宽共同起作用  在低层大气中（20km以下）由于气压效应，碰撞增宽起主导作用 谱线增宽谱线增宽  压致增宽（碰撞增宽）  洛仑兹廓线 S  k 2 2 Sf  0      0 k 吸收系数，吸收系数是归一化的   理想单色光的波数 0 二二分分之之一极极大大值值处处谱谱线线的的半半宽宽 p T n   0   是气压的函数，也是温度的函数 0   p T 0   ff  谱谱线线的的形形状状因因子子  标标准准气气压压pp =