T0301-大气辐射学.ppt

大气辐射学 石广玉 王普才 王标 第2章 大气辐射过程与辐射性质 基本概念、定义、度量单位 电磁波波谱（频谱） 立体角 辐亮度、辐照度 散射和吸收 黑体辐射定律 Planck（普朗克）定律 Stefan-Boltzmann（斯蒂芬-玻尔兹曼）定律 Kirchhoff（基尔霍夫）定律 光谱线及其特征描述 基本概念、定义、度量单位 电磁波谱（频谱）图1.1 电磁波谱 ? 射线 x 射线 紫外线 可见光 红外线 微波 无线电波 可见光光谱 Violet: 0.4 - 0.446 ?m Blue: 0.446 - 0.500 ? m Green: 0.500 - 0.578 ? m Yellow: 0.578 - 0.592 ? m Orange: 0.592 - 0.620 ? m Red: 0.620 - 0.7 ? m UV-VIS-IR-MW 19世纪，麦克斯韦尔（Maxwell）建立了电磁场统一理论，阐述了光也是电磁波的本质。 不同波长的电磁波在真空中传播速度是恒定的，为2.99793*108 m/s。 大气中的光速也非常接近真空光速。 超光速是否存在？如果存在，现有物理学体系就被打乱了。 人眼视网膜敏感的电磁波频率在4.3x104Hz——7.5x104Hz，即0.4-0.7um，称作可见光区（Visible Region）。比可见光频率高（波长短）的紫外线，人类眼睛看不见。比可见光频率低（波长长）的红外线人类也看不见。一些动物比人类能看见波长更长的近红外线。 大气中的电磁波 电磁波 ? 射线，x 射线，紫外线，可见光，红外线，微波，无线电波 应用：放射医疗，可见光照相，红外照相，微波雷达，电视与调频广播，中、短波无线电广播，无线电通讯 本课程主要关注 UV---VIS---IR---MW 电磁场理论 电磁波的描述 波长或频率 能量或振幅 相位 偏振度 波长（Wavelength） 可见光波长范围0.4——0.7 微米 频率（Frequency） 波长、频率、光速之间的关系 波长X频率=光速 公式表达： 波数=1/波长 公式表达： 立体角 微分立体角（图1.3） 思考题 地平面以上的半球立体角是多少？ 中华人民共和国的地心立体角有多大？ 思考题答案 半球立体角= 中国立体角：= =0.018825* 基本辐射量 基本辐射量 单色辐亮度（radiance）图1.3 基本辐射量 单色辐亮度（radiance）图1.3 单色辐射通量密度 总辐射通量密度 思考题 对于各向同性辐射场，辐射通量密度与辐亮度之间的关系是什么？ 思考题 对于各向同性辐射场，辐射通量密度与辐亮度之间的关系是什么？ 对于接收平面来说， 由公式计算得到 辐亮度与辐射通量的测量 ？？ 辐亮度表，辐射通量表 散射和吸收过程 蓝天、白云、彩虹+绿草地+鲜花：多么美好！ 思考： 为什么出现蓝天、白云、彩虹？ 要回答这个问题，我们要好好研究一番光散射的物理过程。 光散射的物理过程可以这样说明：位于电磁波传输路径上的粒子从入射电磁波中连续地提取能量，再把提取的能量向各方向重新辐射出去。 大气中有哪些散射介质？散射粒子与天气现象的关系？ 晴空万里，蓝天：分子散射 蓝天白云：分子散射+云滴散射 彩虹：雨滴散射 霾，能见度较差：大气气溶胶散射 辐射传输过程* 散射现象 蓝天、白云、曙光、暮光。 华：水滴、冰晶衍射。 虹：可见光在雨滴中发生两次折射和一次反射形成。 日晕、月晕：可见光在冰晶粒子中发生折射形成晕。 为什么会出现不同的天气现象？物理上如何解释呢？ ？？ 物理解释 无论是空气分子、云滴、雨滴、还是气溶胶，都可以看作是球形粒子，对电磁辐射的散射都可以用统一的散射理论来解释，关键参数是粒子的尺度。 不同大小的球形粒子，散射光的强度分布和光谱分布很不相同，造成了不同天气现象。 分子尺度：约10-4 um；气溶胶，约1 um；云滴，约10 um。雨滴更大一些。 定义一个尺度参数 当x1时，称作瑞利（Rayleigh）散射 当x或≈1时，称作洛仑茨-米散射（Lorenz-Mie） 图1.4 多次散射过程 图1.5 区分单次散射和多次散射 单次散射：移走了一部份入射光，削弱了原来的光强度。 多次散射：两次以上（含）的散射称作多次散射。被单次散射移走的光有一部份再次回到原来的传输方向，增强了原来的光。 单次散射+多次散射，综合作用一般情况下还是削弱了原来的光强度。 辐射吸收过程 在许多情况下，散射过程都伴有吸收过程。吸收过程容易理解，就是把传输路径的光能量“吃”掉了，不“吐”出来。 哪些物质会吸收