大气物理学：第五章_3节_大气与辐射相互作用规律(1).ppt

第五章 第三节 主要内容 1、电磁辐射的产生机制 电磁辐射的发射：受激粒子（原子、离子、分子）通过以光子的形式释放多余的能量而松弛到低能级态。 激励源：粒子曝露于电流或热能下， 用电子或基本粒子轰击， 用一束电磁辐射照射。 原子发射：原子内电子轨道跃迁发射谱线。 分子发射：原子内电子轨道跃迁、分子内原子振转状态的改变发射谱带。 1.1 原子辐射 (发射紫外和可见光) 每个原子可具有许多运动状态，每个运动态有确定的能量值，每个能量值称为能级。 原子能量从一个状态变到另一个状态，有能级跃迁。 能级间距的大小决定了发射或吸收谱线的位置. 所有可能的跃迁组成辐射谱带。 气体分子的能量： 原子内电子的绕核运动和自旋（原子能量） 分子内各原子在平衡位置附近的振动 整个分子绕对称轴的转动 只有偶极矩发生变化的振动才能引起可观测的红 外吸收光谱, 该分子被称为红外活性 分子的振动可以分为改变键长的伸缩振动和改变键角的弯曲振动。 而伸缩振动又分为对称伸缩振动和不对称伸缩振动，弯曲振动又分为面内弯曲振动和面外弯曲振动。 转动（发射远红外辐射） 单原子分子和对称双原子分子（氦、氢、氧、氮）对辐射吸收能力差 非对称双原子气体（一氧化碳、一氧化氮）及多原子气体（水、二氧化碳、二氧化硫）具有较强的辐射和吸收能力 爱因斯坦公式：分子辐射出的频率为 f 的辐射能 吸收线波长： 从理论上可以由能级间的能量差计算出来，而且光谱线将无限窄 产生原因： 自然增宽 Heisenberg测不准原理 (如果粒子处于激发态能级上, 只有有限寿命，则该能级的能量值有一不确定范围.能级跃迁值就有一个范围) 压力增宽 碰撞增宽 （ 组成气体的分子、原子或离子处于不断地无规则运动状态之中，互相之间会发生碰撞，每一次碰撞都会有一定的几率使得处于激发态的原子通过非辐射过程退到一个低能态，结果导致吸收气体分子的能级改变，从而引起谱线进一步增宽，称为碰撞增宽或压力增宽决定于分子碰撞的频率，与气体压强成正比） 多普勒增宽 由于分子的随机运动产生 以某波数为中心的吸收曲线下的总面积 谱线强度与谱线线心位置、跃迁几率以及高低能态的分子数有关. 热动平衡状态下分子数按能态的分布服从 Maxwell-Boltzman 定律。 自然增宽型 压力增宽——Lorenz 型 Doppler 型 混合型——Voigot 型 5.1 自然增宽型和Lorenz 型 5.2 Doppler 型 5.3 Voigot 型 LOWTRAN (low resolution transmittance) 波数间隔: 5 MODTRAN: (moderate) HITRAN: (high) 二、大气吸收光谱 吸收太阳短波辐射的主要气体：水、 氧气、臭氧，其次是二氧化碳。 吸收地球长波辐射的主要气体：水、 二氧化碳、臭氧。 其它吸收气体：一氧化二氮、一氧化碳、 甲烷、氧气。 痕量吸收气体：一氧化氮、二氧化硫、二氧化氮、氨气、硝酸等。 紫外波段的主要吸收气体是：氧气、臭氧。 氧气和臭氧几乎能吸收掉0.29μm以下的全部太阳紫外辐射,地面基本观测不到该波段辐射. 平流层臭氧能吸收掉30%太阳紫外辐射(0.4μm 以下为紫外辐射)，全部太阳辐射能的2%。 可见光波段是大气窗(大气吸收较弱的波段)区，吸收情况有待研究。8-12μm也是大气窗 整层大气约吸收掉 20% 的太阳短波辐射。 吸收带能反应大气的特征；而透过大气窗能遥感地面和云的特征。 VS * * 辐射的度量、辐射基本定律 大气与辐射相互作用规律 3 太阳短波辐射在大气中的传输 4 地球—大气系统的长波辐射在 大气中的传输 5 云和气溶胶对辐射传输的影响 辐射平衡 (并非按章节排列) 晴空 辐射 内容 气体吸收、发射辐射的规律 大气散射辐射的规律 辐射传输方程 确定由于介质的吸收、发射和散射引起辐射能变化的方程式称为辐射传输方程。 大气吸收光谱 一、气体吸收、发射辐射的规律 大多数固体和液体具有连续的辐射光谱， 吸收辐射能力强，只有表层参与辐射交换； 辐射强度取决于物体的性质、温度、波长和表面状况。 气体和蒸汽的辐射和吸收具有不连续的（选 择性）谱，其辐射具有体积辐射特点。 气