大气物理学：第四节 大气对太阳辐射的吸收和散射.ppt

第四节 1 大气对太阳辐射的吸收 吸收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 分子整体的热运动 一种气体有其确定的各量子态能级，因而分子吸收和发射辐射对波长有选择性。 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。 振动（发射近红外和中红外辐射） 转动（发射远红外辐射） 爱因斯坦公式： 吸收线中心波长： 从理论上可以由能级间的能量差计算出来，但主要通过实验测，用光栅光谱仪 产生原因： 自然增宽 测不准原理 压力增宽 碰撞增宽 多普勒增宽 辐射源和观测接收装置之间有相对运动。 自然增宽型 压力增宽——Lorenz 型 Doppler 型 混合型——Voigot 型 自然增宽型和Lorenz 型 Doppler 型 Voigot 型 分子的能级跃迁与吸收线中心波长和波数 大气吸收光谱 大气中含量最多的是N2和O2，由于是对称的电荷分布，没有振动或转动谱，它们的吸收谱由电子跃迁造成，因而位于紫外和可见光区。 吸收太阳短波辐射的主要气体：氧气、臭氧。 吸收太阳红外辐射的主要气体：水。（P77表）。 大气对太阳辐射的吸收有明显的选择性。吸收带都位于太阳辐射光谱两端能量较小区域。 紫外波段的主要吸收气体是：氧气、臭氧。 平流层臭氧能吸收掉30%太阳紫外辐射，全部太阳辐射能的2%。氧气和臭氧几乎能吸收掉0.3μm以下的全部太阳紫外辐射,地面基本观测不到该波段辐射. 大气窗区:8-12μm的地球辐射. 大气窗:大气吸收较弱的波段。 整层大气约吸收掉 20% 的太阳短波辐射。 指数削弱规律(Beer 定律、布格-朗白定律） 光学质量optical mass 辐射束沿传输路径在单位截面气柱内所吸收或散射的气体质量u 一般光学厚度可以写成 指数削弱定律可写成: Rayleigh 散射（1871年）,α0.1 (r?), 无方向性 Mie 散射 (1908年),0.1α50, 前向散射 α50(r?)属于几何光学范围 辐射波长 球形粒子半径 r 按照Maxwell电磁理论在距离为r处的散射辐射通量密度F? 　 天空是蓝色的？日出日落时的太阳是红色的？ 散射产生的壮丽的日落 散射截面 单个散射质点向整个空间的总散射辐射通量与入射辐射通量密度之比。 散射截面表示一个粒子的散射能力,其值代表入射辐射的能量由于一次散射在入射方向上移去的量，被移去的能量以散射元为中心向四面八方散射。 容积散射系数 对于群散射元而言，引用独立散射条件下总散射为个粒子散射之和的原理，若分子数密度为N，则其容积散射系数??为 对空气而言，在标准状态下，N0=2.683?1019/cm3,而且知道（n-1)与N成正比，所以??正比于N，而N又与密度成正比，有 当??表示单位容积的散射削弱系数时，则在单位面积的光柱中，经过dl后，平行辐射（太阳直接辐射）散射削弱为 dF? = -?? F?dl, 经整层大气柱的散射后到达地面的太阳直接辐射为 太阳自天顶垂直入射时，整层大气柱的瑞利散射光学厚度为 如果地面气压为P,则其垂直光学厚度δR,?为 有可能计算整层大气任何角度的光学厚度值，从而计算任何角度入射的太阳直接辐射。 大气分子对可见光、红外辐射 ╳ 若入射辐射为自然光,则在距离米散射质点为r处的散射辐射能量密度为 r 为粒子半径,N是半径为r的粒子数目,Q(α)称为散射函数,单位立体角中所散射的光能量。(散射效率因子) 将散射函数对整个空间立体角(4?)积分,即得散射截面?s.它是一个等效的截面,表示粒子散射光的总能量等于数值为?s的一块面积从入射光中截取的能量,因此它反映了粒子的散射本领. 对于水滴(云雾雨滴), Q(α)近似曲线形式如图5.10,P80 当α增大时,Q值趋近于常数2,不再与波长的4次方成反比.α越大，近乎与波长无关． 为什么云是白的.（各可见光同等散射） 容积散射系数的特点： 粒子半径越大，散射系数越大，但又不完全这样。 对半径波长的大粒子，散射系数与波长无关。 以δ?（0）表示?角为零（太阳在天顶）时的整个大气光学厚度，引进无量纲量 大气质量数 m 当大气状态不变时， δ?（0）就是常数， ?是随时间而变的，则任一时刻大气的光学厚度 δ?