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第五章  红外辐射在大气中的传输 红外辐射在大气中的传输问题一直受到人们的普遍重视。这是因为红外辐射自目标发出后，要在大气中传输相当长的距离，才能达到观测仪器，由此总要受到大气中各种因素的影响，给红外技术的应用造成限制性的困难。 辐射在大气中传输时，主要有以下几种因素使之衰减： （1）在0.2～0.32μm的紫外光谱范围内， 臭氧的分解作用导致的光吸收。 （2）在紫外和可见光谱区域中，由氮分子和氧分子所引起的瑞利（Rayleigh)散射。 （3）粒子散射或米（Mie)氏散射。 （4）大气中某些元素原子的共振吸收 。 （5）分子的带吸收（红外辐射衰减的重要原因）。 5.1 地球大气的基本组成和气象条件 1 大气的基本组成 包围着地球的大气层，每单位体积中大约有78%的氮气和21%的氧气，另外还有不到1%的氩（Ar）、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、一氧化二氮(N2O)、甲烷(CH4)、臭氧(O3)、水汽(H2O)等成分。除氮气、氧气外的其他气体统称为微量气体。 除了上述气体成分外，大气中还含有悬浮的尘埃、液滴、冰晶等固体或液体微粒，这些微粒通称为气溶胶。 2 大气的气象条件 所谓大气的气象条件，是指大气的各种特性，如大气的温度、强度、湿度、密度等，以及它们随时间、地点、高度的变化情况。 右图表示了海拔100km内大气温度随高度变化的情况。 5.2 大气中的主要吸收气体和主要散射粒子 大气中的主要吸收气体由水蒸气、二氧化碳、和臭氧等。下面主要介绍这些气体的浓度和变化范围。 1 水蒸气 水蒸气在大气中，尤其在低层大气中的含量较高，是对红外辐射传输影响较大的一种大气成分。虽然人眼看不见，但它的分子对红外辐射有强烈的选择吸收作用。 水蒸气含量描述 1) 水蒸气压强:水蒸气压强是大气中水蒸气的分压强，用符号pw表示，其单位是Pa。 2) 绝对湿度:绝对湿度是单位体积空气中所含有的水蒸气的质量，通常用符号ρw表示，其单位为g/m3。所谓绝对湿度，是指水蒸气的密度。 3)饱和水蒸气压: 在由气体转变为液体过程中的水蒸气，称为饱和水蒸气。在饱和空气中，水蒸气在某一温度下开始发生液化时的压强，称为在该温度下的饱和水蒸气压，用ps表示，它就是饱和状态下水蒸气的分压强，只是温度的函数。 4)饱和水蒸气量: 某一空气试样中，处于某一温度时，单位体积内所能容纳最大可能的水蒸气质量，用ρs表示，其单位是g/m3。饱和空气中的水蒸气量，即饱和水蒸气密度，只与温度有关。 5)相对湿度:相对湿度是空气试样中水蒸气的含量和同温度下该空气试样达到饱和是水蒸气含量的比值，用百分数RH表示 6）露点温度:露点温度是给定空气试样变成饱和状态时的温度。 水蒸气的分布：图5-2 2 二氧化碳 随着高度的增加，二氧化碳对红外辐射的吸收虽然减少，但不如水蒸气吸收减少得那么显著。因此，在低空水蒸气的吸收对红外辐射的衰减起主要作用；而在高空，水蒸气的吸收退居次要地位，二氧化碳的吸收变得更重要了。 3 臭氧 臭氧在大气中的形成和分解过程，决定了臭氧的浓度分布以及臭氧层的温度。 （臭氧分布，图5-3） 4 大气中的主要散射粒子  气溶胶：云、雾、雨、冰晶、尘埃、碳粒子、烟、盐晶粒以及微小的有生命机体。 尺度范围： 表5-3 大气中的散射质点 5.3 大气的吸收衰减 介质中的辐射场强度与介质的透过率密切相关。因此，研究因大气的吸收和散射对辐射产生的衰减是非常重要的。本节将研究大气吸收产生的衰减 为了确定给定大气路程上分子吸收所决定的大气透射率，可以有如下几种方法： （1）根据光谱线参数的详细知识，一条谱线接一条谱线地做理论计算； （2）根据带模型，利用有效的实验测量或实际谱线资料为依据，进行理论计算； （3）在所要了解的大气路程上直接测量； （4）在实验室内模拟大气条件下的测量。 (1) 大气的选择吸收 表5-5 大气中各吸收组分的红外吸收带 图5-4 红外吸收光谱 (2) 表格法计算大气的吸收 表格法计算大气的吸收是一种利用红外和大气工作者编制的大气透过率表格可以方便地计算大气吸收。根据人们的实验数据，采用适当的近似，已经整理出各种形式的大气透射率数据表 任意波长上的透射率