大气物理学课件 02大气中的辐射yy121023.ppt

第五章地面和大气中的辐射过程 大气对辐射的作用？ 大气中有各种气体成分及气溶胶粒子能够影响辐射的强度、传输方向和偏振状态，而这种作用主要体现在吸收和散射上。 ?对辐射具有选择吸收的特性? ?是分子和原子结构及其所处运动状态决定的。? 5.3.1 大气吸收的物理过程 吸收：投射到介质上面的辐射能中的一部分被转变为物质本身的内能或其它形式的能量 或者是指介质的分子被入射辐射激发，由低能级跃迁到高能级，两能级的差就是介质吸收的辐射能量值。 气体分子除了热运动外，还有组成分子的质子之间的振动和转动能量，以及电子绕原子和原子旋转的能量。 E =Ee+Ev+Er （5.3.1） Ee：绕原子核转动的外层电子的动能和静电位能 Ev：原子在其平衡位置附近振动的能量 Er：分子绕其质量中心转动的能量 5.3.1 大气吸收的物理过程 这些能量只处于一定量子数的各个能级上，能量的变化是不连续的。当其由低能态跃迁到高能态时，增加的能量满足公式： ?Ε=h*f。f为分子吸收或发射谱线的位置。 这种谱线由有限个非常窄的吸收线或发射线组成，其间夹杂该分子不可能发射和吸收的光谱间隙。 大气分子的选择性吸收 每一个跃迁，吸收或者发出一定频率的辐射，就产生一条吸收线，许多吸收线在一起就构成吸收带。所有可能的这种跃迁就组成了该种气体的吸收光谱。 对确定的气体来说，能级是确定的，故气体的吸收具有选择性。所发射和吸收的辐射谱是非连续性的，由分立的谱线和谱带组成，构成原子的线光谱和分子的带光谱 对于一定的气体，吸收光谱与发射光谱是一致的 原子光谱 能级 基态：能量最低 激发态 原子光谱 跃迁 不同类型的原子和分子，因结构不同有不同的辐射光谱。根据?Ee、?Ev、?Er估算出吸收的频率或者波数位置。 仅有电子能级跃迁的是光谱带在X射线、紫外线和可见光部分。 仅有振动的能级跃迁时光谱带在近红外部分。 仅有转动的能级跃迁时光谱带在红外和微波波段部分 实际分子的转动跃迁常伴随着振动跃迁发生 在一个振动带内有许多转动谱线，而转动和振动能量的变化又常伴随着电子能级跃迁 使相应的谱带更呈现出复杂的带系结构。 分子光谱—举例 N2和O2分子：对称的电荷分布?没有振动或转动谱。其吸收和发射谱由电子轨道跃迁造成，位于紫外和可见光辐射区。 分子光谱—举例 分子光谱—举例 H2O分子的原子呈三角形分布，是极性分子，有三种振动方式。这三种振动过程都引起电偶极距变化，产生吸收和发射，而转动和振动态的结合使得水汽的吸收谱十分复杂。其中第一、三种为伸缩振动，第二种是弯曲振动 O3分子的原子也呈三角形分布，有三种振动方式，其中9.6?m的振动?转动带比较重要。 分子光谱—举例 分子光谱—举例 CO2分子是以C原子为中心，O原子位于两侧的线型对称分子，也有三种振动方式，但没有转动带。 第一种方式是对称振动，因正、负电荷中心仍然重合，不产生电偶极距变化，故不吸收和发射辐射；第二种是弯曲振动，电偶极距发生了变化，因而产生极强的吸收和发射，波数为?2=667 cm?1，波长?2=15?m；第三种是反对称振动，电偶极距也发生了变化，故也有强烈的吸收和发射，波数为?3=2349 cm?1，波长?3=4.3?m。 5.3.2 大气吸收光谱 吸收光谱的拓宽 只要吸收波数是确定的，谱线是单色的，宽度为0，而实际上谱线是有一定的宽度和变化。 谱线增宽 谱线增宽 1、自然增宽： 没有任何外界因素作用，谱线本身也必然具有一定的宽度，这是由于能级具有一定的宽度造成的（测不准原理）。 2、压力加宽(碰撞加宽) 在对流层和平流层大气中，由于分子、原子或离子处于不断的无规则运动中，频繁碰撞的结果导致发射辐射的位相发生无规则变化，而使谱线加宽。 压力加宽与T、P有关，由于大气压力的变化比温度的变化大得多，碰撞加宽的谱线宽度随压力的变化是主要的 谱线增宽 3、Doppler增宽 由作热运动的分子发射辐射的Doppler频移引起。分子不停地向各个方向以不同速度作无规则运动，即使每个分子所发射的辐射频率相同，但因相对速度的原因使不同运动速度的分子的辐射之间有一定的频率差异，从而引起辐射谱线有一定程度的增宽。 与T有关，与P无关 谱线增宽 谱线增宽 在实际大气中，谱线的Doppler加宽和压力加宽同时存在 在大气低层（30km以下），谱线加宽主要由压力加宽效应决定；在大气高层（50km以上） ， Doppler加宽主要 在平流层上层和中间层相当厚的一层大气中，压力加宽与Dopplar加宽同等重要： 吸收系数 描述单个粒子的吸收能力 吸收系数 单个粒子的吸收截面sab 粒子所吸收的辐射通量相当于面积sa