第五章輻射2AtmosRad

1、第五章第五章地面和大氣中的輻射過程地面和大氣中的輻射過程5.3 5.3 地球大氣與輻射的相互作用地球大氣與輻射的相互作用重點：重點：吸收光譜、散射特征、布格定律吸收光譜、散射特征、布格定律相關(guān)物理量相關(guān)物理量5.3.1 5.3.1 大氣吸收的物理過程大氣吸收的物理過程吸收：投射到介質(zhì)上面的輻射能中的一部分被轉(zhuǎn)變?yōu)槲镔|(zhì)本身的內(nèi)能或其它形式的能量大氣中有各種氣體成分及氣溶膠粒子對輻射具有選擇吸收的特性是分子和原子結(jié)構(gòu)及其所處運動狀態(tài)決定的。氣體分子或原子內(nèi)的氣體分子或原子內(nèi)的電子能級躍遷電子能級躍遷、原子和分子、原子和分子的的振動和轉(zhuǎn)動振動和轉(zhuǎn)動等所發(fā)射和吸收的輻射譜等所發(fā)射和吸收的輻射譜是非連續(xù)

2、是非連續(xù)性的性的，構(gòu)成，構(gòu)成原子的線光譜原子的線光譜和和分子的帶光譜分子的帶光譜。單個分子，當它處于某一特定運動狀態(tài)時，其分單個分子，當它處于某一特定運動狀態(tài)時，其分子內(nèi)部總能量子內(nèi)部總能量E E由三部分組成由三部分組成E =Ee+Ev+Er（5.3.1） Ee：繞原子核轉(zhuǎn)動的外層電子的動能和靜電位能繞原子核轉(zhuǎn)動的外層電子的動能和靜電位能Ev：原子在其平衡位置附近振動的能量原子在其平衡位置附近振動的能量Er：分子繞其質(zhì)量中心轉(zhuǎn)動的能量分子繞其質(zhì)量中心轉(zhuǎn)動的能量 分子光譜分子光譜吸收系數(shù)吸收系數(shù)單個粒子的吸收截面單個粒子的吸收截面s sab 粒子所吸收的輻射通量相當于面積粒子所吸收的輻射通量相當

3、于面積s sab從入射輻從入射輻射場中所截獲的輻射通量（訂正教材）射場中所截獲的輻射通量（訂正教材）體積吸收系數(shù)體積吸收系數(shù)單位體積中各粒子吸收截面之和（單位體積中各粒子吸收截面之和（kab=Ns sab）質(zhì)量吸收系數(shù)質(zhì)量吸收系數(shù)單位質(zhì)量的吸收物質(zhì)（單位質(zhì)量的吸收物質(zhì)（1 1cmcm2 2氣柱中）吸收了原氣柱中）吸收了原輻射能的份數(shù)輻射能的份數(shù)(5.3.19)(5.3.19)ababababANkNkMssabk選擇性吸收選擇性吸收太陽短波輻射：太陽短波輻射：H H2 2O O、O O2 2、O O3 3地氣長波輻射：地氣長波輻射：H H2 2O O、COCO2 2、O O3 3氣體吸收對大氣

4、輻射平衡的重要性取決于：氣體吸收對大氣輻射平衡的重要性取決于：一是吸收線的強度一是吸收線的強度二是吸收氣體的含量及其空間分布。二是吸收氣體的含量及其空間分布。5.3.2 5.3.2 大氣吸收光譜大氣吸收光譜H H2 2O O吸收約吸收約20%20%的太陽能量的太陽能量幾乎覆蓋長波輻射整個波段幾乎覆蓋長波輻射整個波段6.3 m振動帶振動帶大于大于12 m轉(zhuǎn)動帶轉(zhuǎn)動帶5.3.2 5.3.2 大氣吸收光譜大氣吸收光譜H H2 2O OH H2 2O O主要集中在大氣下層，吸收作用主要在對流主要集中在大氣下層，吸收作用主要在對流層，特別是對流層下層層，特別是對流層下層液態(tài)水：吸收帶與氣態(tài)對應(yīng)，波段向長

5、波方向移動液態(tài)水：吸收帶與氣態(tài)對應(yīng)，波段向長波方向移動5.3.2 5.3.2 大氣吸收光譜大氣吸收光譜O2主要在小于主要在小于0.25 m的紫外區(qū)：的紫外區(qū)：舒曼舒曼龍格（龍格（SchumannSchumann- -RungeRunge）吸收帶）吸收帶赫茲堡（赫茲堡（HerzbergHerzberg）帶）帶因小于因小于0.25 m的太陽輻射能量不到的太陽輻射能量不到0.2%0.2%，而且，而且O2在可見光波段的兩吸收帶較弱，所以對太陽在可見光波段的兩吸收帶較弱，所以對太陽輻射的削弱不大。輻射的削弱不大。5.3.2 5.3.2 大氣吸收光譜大氣吸收光譜O3強吸收在的紫外區(qū)：強吸收在的紫外區(qū)：哈特

6、來（哈特來（HhartleyHhartley）帶）帶最強最強哈金斯（哈金斯（HugginsHuggins）帶）帶較弱較弱可見光區(qū)：查普尤（可見光區(qū)：查普尤（ChappuisChappuis）帶帶較弱較弱O3層吸收太陽輻射的2%平流層溫度高的原因紅外區(qū)：4.7 m、9.6 m 、14.1 m較強吸收帶較強吸收帶5.3.2 5.3.2 大氣吸收光譜大氣吸收光譜19321932年：嚴濟慈采用照相光年：嚴濟慈采用照相光度術(shù)，精確測定了臭氧在全度術(shù)，精確測定了臭氧在全部紫外區(qū)域（部紫外區(qū)域（215-345215-345納米）納米）的吸收系數(shù)，并發(fā)現(xiàn)了若干的吸收系數(shù)，并發(fā)現(xiàn)了若干新光帶新光帶國際臭氧委員會

7、把嚴濟慈精國際臭氧委員會把嚴濟慈精確測定的吸收系數(shù)定為標準確測定的吸收系數(shù)定為標準值，各國氣象學家用以每日值，各國氣象學家用以每日測定高空臭氧層厚度的變化，測定高空臭氧層厚度的變化，長達年之久長達年之久5.3.2 5.3.2 大氣吸收光譜大氣吸收光譜CO2大于大于2 m的紅外區(qū)：的紅外區(qū)：較強中心：較強中心： 2 2.7m、4.3m 、15m15m最重要5.3.2 5.3.2 大氣吸收光譜大氣吸收光譜紫外波段紫外波段O2、O3把把0.290.29 m以下的紫外輻射幾乎全部吸收以下的紫外輻射幾乎全部吸收可見光波段只有非常少量的吸收可見光波段只有非常少量的吸收紅外波段紅外波段主要是水汽的吸收，其次

8、是主要是水汽的吸收，其次是CO2和和CH4。 1414 m以外的輻射不能透過大氣傳向外空以外的輻射不能透過大氣傳向外空。5.3.2 5.3.2 大氣吸收光譜大氣吸收光譜大氣透明窗或大氣光譜窗大氣透明窗或大氣光譜窗8 8 12 12 m大氣的吸收很弱大氣的吸收很弱地表的溫度約地表的溫度約300300K K，與這個溫度相對應(yīng)的黑體與這個溫度相對應(yīng)的黑體輻射能量主要集中在輻射能量主要集中在1010 m這一范圍，通過窗這一范圍，通過窗區(qū)，地面發(fā)出的長波輻射可順利地被發(fā)送到宇區(qū)，地面發(fā)出的長波輻射可順利地被發(fā)送到宇宙空間宙空間。5.3.2 5.3.2 大氣吸收光譜大氣吸收光譜5.3.3 5.3.3 大氣

9、對輻射的散射大氣對輻射的散射氣體分子以及氣溶膠粒子內(nèi)含有多個分立的電子和質(zhì)氣體分子以及氣溶膠粒子內(nèi)含有多個分立的電子和質(zhì)子，當電磁波照射到粒子上后，使正負電荷中心產(chǎn)子，當電磁波照射到粒子上后，使正負電荷中心產(chǎn)生偏移，構(gòu)成電偶極子或多極子，并在電磁波激發(fā)生偏移，構(gòu)成電偶極子或多極子，并在電磁波激發(fā)下作受迫振動，向各方向發(fā)射次生電磁波。這種次下作受迫振動，向各方向發(fā)射次生電磁波。這種次生電磁波就是散射輻射。生電磁波就是散射輻射。特點特點：散射波長和原始波相同，并且與原始波有固定散射波長和原始波相同，并且與原始波有固定的位相關(guān)系。的位相關(guān)系。散射和吸收不同散射和吸收不同：（：（1 1）它不產(chǎn)生分子內(nèi)

10、能狀態(tài)的變化，它不產(chǎn)生分子內(nèi)能狀態(tài)的變化，應(yīng)以電磁波理論和物質(zhì)的電子理論來解釋（應(yīng)以電磁波理論和物質(zhì)的電子理論來解釋（MieMie理理論）；吸收是因能態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生的，需要用量論）；吸收是因能態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生的，需要用量子理論來解釋。（子理論來解釋。（2 2）散射不是選擇性的，散射不是選擇性的，它在電磁它在電磁波譜的各個波長上都會發(fā)生，因而是全波段的。波譜的各個波長上都會發(fā)生，因而是全波段的。5.3.3 5.3.3 大氣對輻射的散射大氣對輻射的散射1 1散射過程的分類散射過程的分類定義無量綱尺度參數(shù)當1時：Rayleigh散射，也稱分子散射。如空氣分子對短波輻射的散射。當0.1 50：幾何光

11、學：折射。如大雨滴對可見光的折射、反射。2 r1 1散射過程的分類散射過程的分類一個粒子的散射截面一個粒子的散射截面ss，表示當有輻照度為表示當有輻照度為E E的的輻射射入時，將把輻射射入時，將把E Ess的能量散射到四面八方，的能量散射到四面八方，而使入射波的能量減少而使入射波的能量減少E Ess。若單位體積中有若單位體積中有 N N 個相同的顆粒，則總散射掉的輻射能為個相同的顆粒，則總散射掉的輻射能為 ENENss。單位體積中各個粒子散射截面之和稱為單位體單位體積中各個粒子散射截面之和稱為單位體積的散射削弱系數(shù)積的散射削弱系數(shù)k ks s 2 2散射削弱系數(shù)散射削弱系數(shù)Niik1s,ss對

12、于不同大小的氣溶膠散射粒子：對于不同大小的氣溶膠散射粒子：大氣對輻射的散射削弱作用的大小取決于兩個大氣對輻射的散射削弱作用的大小取決于兩個因素，即單位體積中散射顆粒物的多少以及每因素，即單位體積中散射顆粒物的多少以及每個散射粒子的散射截面?zhèn)€散射粒子的散射截面2 2散射削弱系數(shù)散射削弱系數(shù) ss0, ,cckrm n r drs（1 1）瑞利散射）瑞利散射4423sc,13)1(32CNmk64sc,01.0563 10k標況下，00sc,sc,kkm:折射率，一般為復(fù)數(shù)，虛部代表吸收（1 1）瑞利散射）瑞利散射散射削弱系數(shù)與波長的4次方成反比，波長越短，分子散射削弱越強。例題 計算藍光與紅光的

13、散射削弱系數(shù)之比。4,4,0.704.920.47sc bluesc redkkLord Lord RayleighRayleigh (John William (John William StruttStrutt 1842- 1842-1919)1919)英國物理學家英國物理學家18711871：Rayleigh ScatteringRayleigh Scattering光學光學聲學聲學電學電學熱力學熱力學1904 Nobel Prize1904 Nobel Prize（1 1）瑞利散射）瑞利散射（2 2）米散射）米散射 ( (大顆粒散射大顆粒散射) )假設(shè)：粒子是球體；介質(zhì)均勻假設(shè)：粒子是

14、球體；介質(zhì)均勻球狀粒子的散射特性取決于粒子的相對尺度球狀粒子的散射特性取決于粒子的相對尺度數(shù)數(shù)a a和和粒子介質(zhì)粒子介質(zhì)復(fù)折射指數(shù)復(fù)折射指數(shù)m m 。米散射理論是球狀粒子散射的通用理論米散射理論是球狀粒子散射的通用理論散射效率因子：粒子的散射截面與粒子幾何散射效率因子：粒子的散射截面與粒子幾何截面之比截面之比2scsc rQ（2 2）米散射）米散射 ( (大顆粒散射大顆粒散射) )（2 2）米散射）米散射 ( (大顆粒散射大顆粒散射) )假論一般大氣條件下粒子是獨立散射的，則假論一般大氣條件下粒子是獨立散射的，則單位體積中粒子的總散射截面就是各粒子散單位體積中粒子的總散射截面就是各粒子散射截面

15、之和，即得到散射系數(shù)射截面之和，即得到散射系數(shù)scsc02sc0( , )( )d( , )( )dkrn n rrr Qrn n rrsbCkscGustav Gustav MieMie (1868-1957) (1868-1957)德國物理學家德國物理學家19081908：Mie theoryMie theory（2 2）米散射）米散射 ( (大顆粒散射大顆粒散射) )5.3.45.3.4輻射能在介質(zhì)中的傳輸輻射能在介質(zhì)中的傳輸1.1.布格布格- -朗伯（朗伯（Beer-Beer-Bouguer-LanbertBouguer-Lanbert）定律定律a ,ddbEEkl1a .0d,0eb

16、kllEEa ,ddbEEkl1a .0d,0ebkllEE,0E,lE1l1ldl衰減系數(shù)或削弱系數(shù)或衰減系數(shù)或削弱系數(shù)或消光系數(shù)消光系數(shù)11.00dd,0,0eeexexklkllEEE對于散射和吸收引起的總衰減，可寫為：.exscabkkk1. Beer-1. Beer-Bouguer-LanbertBouguer-Lanbert law lawPierre Pierre BouguerBouguer1698-17581698-1758versatile French versatile French scientist best scientist best remembered remembered as one of the as one of the founders of founders of photometry, photometry, the the measurement measurement of light of light intensities. intensities. 2. 2. 輻射傳輸?shù)挠嘘P(guān)物理量輻射傳輸?shù)挠嘘P(guān)物理量(1)(1)光學厚度光學厚度,00ddllexexklkl00ddllexexklkl2. 2. 輻射傳輸?shù)挠嘘P(guān)物理量輻射傳輸?shù)挠嘘P(guān)物理量(1)(1)光學厚度光學厚度,0elE