大气红外吸收机理和公式的探讨及.DOC

大气红外吸收机理和公式的探讨及 ????摘 要：本文作者本文构建了一个大气分子的红外电磁波吸收模型，其结论与根据量子力学谐振子的能量本征值得到了大气分子中氢原子谐振子的频率变化规律相同。同时，构造了一个大气电磁波吸收透射公式。该公式可以准确的反映大气窗口的电磁波吸收和透射规律。由此也证明，大气中对电磁波产生吸收的主要是水分子中的氢原子谐振子。同时还得出了大气中水分子中的氢原子谐振子的振动基频。利用振动学理论分析了水分子吸收带宽的产生机理。得到了大气水分子的瑞利散射公式。讨论了可降水量对透射的影响。关键词：红外辐射；大气吸收；简谐振动；大气窗口公式；水分子的瑞利散射公式0. 引言由中国科技学会和中国物理学会共同编著的2007-2008《物理学学科发展报告》指出：“从20 世纪90 年代中期开始，全世界范围内掀起了太赫兹科学研究的热潮。“美国科学基金学会，国家航天局，国防部”等单位“将太赫兹技术列为重点学科”。欧盟也开展了大规模的研究。“在亚洲，2005 年1 月日本公布的未来十年科技战略规划中的10 项重大关键技术，将太赫兹技术列为首位”。所谓太赫兹是指波长介于0.003μm到30μm之间的电磁波，它基本处在红外光的区域附近，是电磁波谱中有待研究的最后一个频率窗口。太赫波位于宏观电子学与微观光子学的过渡区，具有很多独特的性质，比如低辐射能量，对无极化物质有很强的穿透性，很多大分子的振动和转动频率均落于此波段等。这些特性决定了太赫兹波具有重要的学术价值和重大应用前景。然而，大气对太赫兹波有强烈的吸收，某些波段的太赫兹波在大气中无法远距离传输，限制了很多太赫兹应用。为此，研制高效率的太赫兹波导，是实现远距离太赫兹传播的关键部件。引入光子晶体概念及利用金属表面等离子激元进行太赫兹波导设计备受关注，世界上很多研究机构进行了此方面的实验和理论研究，预计在近几年能取得突破性进展(1) 。但是，这里要注意的是，作为太赫兹波的主要波段，红外光在大气中的透射规律和吸收机理的研究将是远距离太赫兹波导技术研究前提和关键。同时，对大气红外衰减问题的研究还涉及到卫星通讯，航空遥感，雷达，红外辐射探测等诸多领域(2。20 世纪50 年代，军事红外技术获得了广泛的应用，其作为一种高科技术，与激光技术并驾齐驱，在军事上占有举足轻重的地位。红外大气的传输和辐射模型是红外成像制导系统仿真中的关键环节,在光电对抗系统、导引头及各种有哪些信誉好的足球投注网站、跟踪算法的开环测试中都有应用(9)。由于目标、背景、大气状态的复杂性,使得红外图像仿真难度很大。大气辐射、环境辐射和大气对辐射传输的衰减都对红外传感器成像有很大影响。由于辐射会与大气组分相互作用,发生吸收和散射而受到衰减,从而改变辐射的空间、时间和光谱分布特性。这些大气效应对于地球的热平衡、目标探测、地球资源遥感、大气参数遥测等领域的研究,-2-具有极重要的影响(8。20 世纪70 年代，军事红外技术又转向民用，与雷达、电视一起构成当代三大传感系统。而红外辐射的传输过程中的衰减做为红外系统的重要部分，其研究意义不言而喻。1983 年，美国地球科学界和航空航天局明确提出以地球系统科学为今后20 年内的重大科学目标，大力发展地球观测系统（EOS）。EOS 计划还得到了欧洲空间局，日本空间发展局，加拿大政府和俄罗斯的支持(4) 。而这些项目，都与大气红外透射和吸收有着密切的关系。另外，大气分子对红外辐射的吸收机理和规律的研究还是基础光学的重要内容之一(12，也牵扯到电磁波与原子电子的相互作用等物理学基础理论(16) 。虽然，目前已经统计出了很多红外光在大气中的透射数据，也开发出了计算这些繁杂数据所需要的软件(2) ，但大气分子对红外辐射的吸收机理和规律的研究却并没有取得另人乐观的成果(2。1．大气红外传输的研究现状1.1 20 世纪上半叶的经验性研究后文中大气电磁波吸收机理的讨论中用到的图3 给出了海平面上1830m 处的水平路程所测得的光谱透过率曲线。传统的研究将不同的吸收带理解为由不同的分子所产生。图3下面表示造成对应吸收带的分子(3) 。这张图最早由H.A.Gebbie 等在1951 年发表(11) 。经过半个多世纪的时间，这张图已经作为经典大气红外传输图而为大多数光学及遥感、红外等方面的文献所引用(2。而图3 中波长2.8μm以下的波谱部分，早在1881 年就由Langley所测绘，其中就表现出了大气窗口。1900 年Langley 又测量到5.5 (3,15) μm。1917 年F.E.Fowle将测量延伸到13μm (3,16) ，1942 年A.Adel 又延伸到24 (3,17) μm。文献（17）同时指出，在16-