第3章 气象卫星遥感大气的基本原理1.ppt

普朗克假设： 黑体是由极多的带电谐振子组成； 谐振子处于热平衡状态，每个振子具有一个固有的谐振频率ν，可以发出与吸收相同频率的电磁波； 每个谐振子只能吸收或发射不连续的一份一份的能量，这个能量是一个最小能量ε的整数倍； 最小能量即称为能量子。对于频率为ν的谐振子，相应能量子的能量为： 式中：h=6.6260755×10－34J·s称为普朗克常数。 前面几条定律涉及黑体发射的辐射强度，辐射强度的大小与发射波长和物体的温度有关。通常，物体吸收和发射之间没有确定的关系。但在热力平衡条件下，物体可以吸收特定波长的辐射，同时也能发射同样波长的辐射，发射率是温度和波长的函数，即物体发射的辐射就等于吸收的辐射能。否则物体就要被加热或冷却，这就违背了热力平衡的假设。因而在热力平衡条件下，若L?是入射的分谱辐射率，则发射的辐射率为： J?= ελBλ（T）= aλ L? 式中J?是物体发射的辐射率， ελ是物体的比辐射率或发射率（定义为发射强度与普朗克函数之比）， Bλ（T）是黑体普朗克辐射，aλ是物体的吸收率（定义为吸收强度与普朗克函数之比）， L?是入射到物体的辐射率。如果辐射源与该物体一起处于热力平衡中，则 Bλ（T）= L? 所以有 ελ= aλ 吸收率为aλ的物体只吸收aλ倍的黑体辐射强度B?（T），同时它发射出ελ倍的黑体辐射强度。对黑体而言，吸收和发射均为最大，对所有波长有 aλ=ελ=1 灰体的特征是不能全部吸收和发射，有 aλ=ελ?1 不难看出基尔霍夫定律表达了两方面的内容： 1、它将物体的吸收与发射联系起来了，一物体在一定温度下发射某一波长的辐射，则该一物体在同一温度下吸收这种波长的辐射。 2、将各种物体的辐射与黑体辐射联系起来了，一个良好的吸收体，也一定是一个良好的发射体，反之亦然。 三.辐射体的温度 从黑体辐射定律知道，物体的辐射量都与温度有关。 对于一定的温度，就有一定的辐射光谱分布；反过来，对于一定的辐射光谱分布，可以求取物体的温度。 但是，实际物体并非都是黑体，须考虑比辐射率的影响，为方便讨论，定义几种不同的温度。 有效温度（Te）: 温度为T的物体的出射度为M?(T) ，设M?(T)为温度为Te的黑体发出的，即M(Te)= M?(T)，则黑体的温度Te 称为该物体的有效温度。 根据斯蒂芬-波尔兹曼定律得： Te = [M?(T)/?]1/4 由于物体的比辐射率小于1，所以 T? Te 有效温度（Te），也称为等效黑体温度。 ?? 色温度（Tc）: 如果物体的辐射光谱分布与温度为Tc的黑体的辐射光谱分布相同,则称Tc为该物体的色温度。?? ? 亮度温度（Tb）: 在给定波长处，如果物体的辐射亮度L?（T）与温度为Tb的黑体辐射亮度相等，即Lλ（T）=Bλ（Tb），则称Tb为该物体的亮度温度。根据普朗克公式 亮度温度（Tb）又称黑体温度或辐射温度。 由于Bλ(T)? Lλ(T) =Bλ(Tb)，所以Tb? T。 可得 亮度温度 辐射率Lλ通过有吸收、无散射、厚度为dl的介质，辐射改变量-dLλ dLλ= - kλ Lλ? dl kλ是分谱质量吸收系数(cm2?g-1)，是给定介质热力状态的函数。 ?λ(l) = kλ(l) ?(l)是体积吸收系数(cm-1), ?是吸收气体密度(g?cm-3) 。 对上式沿0—l积分得 L?0是辐射进入介质时的分谱辐射率。这就是比尔吸收定律。 称为光学厚度， 称做光学路径或光程。 对于均匀介质, kλ 、?与l无关 四. 辐射传输——比尔吸收定律 在仅考虑吸收的情况下，分谱透过辐射Lλ与分谱入射辐射L λO之比称为辐射通过介质0?l（厚度为l-0 ）的分谱辐射透过率 分谱辐射吸收率为 如果介质是均匀的，则分谱质量吸收系数为 在实际中，如果??和k?随波长变化很快，则需要考虑使用有限波长间隔的平均透过率： 透过率 五.大气、地面对辐射的散射和反射 1、大气散射 辐射在大气中传输时，与分子、尘粒、雾滴和雨滴等粒子相互作用，导致辐射向各个方向传播，这就是散射。散射特征与粒子大小、形状和介电特征有关。 散射也造成大气辐射衰减。 类似于“比尔吸收定律”，则辐射通过一路径l后其辐射为 其中，kS?为质量散射系