(完整word版)北航大氣輻射導(dǎo)論復(fù)習(xí)題庫(kù)參考答案

1、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、寫出電磁波波長(zhǎng)、波數(shù)和頻率之間的關(guān)系。在 1v=-=4 （入是波長(zhǎng)，丫是波數(shù)，法是頻率）c A寫出立體角的定義。立體角定義為錐體所攔截的球面積。與半徑r的平方之比，表示為=（極坐標(biāo)中。為天頂角,。為方位角），單位為球面度（sr）。r對(duì)于各向同性輻射，已知輻射強(qiáng)度為I,寫出其通量密度.大氣的消光作用主要包括哪些？散射和吸收兩種作用從介質(zhì)中傳播的光束內(nèi)移除能量，光束被衰減，我們稱這種 衰減為消光。什么是消光截面？與粒子的幾何面積類似，用來表示粒子從初始光束中所移除的能最大小。簡(jiǎn)述消光截面、版量消光截面、消光系數(shù)之間的關(guān)系消光系數(shù)=消光截面X粒子數(shù)密度

2、消光系數(shù)=質(zhì)量消光截面X密度簡(jiǎn)述消光截面、吸收截面和散射截面之間的關(guān)系.散射截而是描述微觀粒子散射概率的一種物理量，表示單位時(shí)間內(nèi)粒子被散射到單 位立體角內(nèi)的概率。消光截面=吸收截面+散射截面（。外）。什么是散射尺度參數(shù)？散射的分類？粒子大小對(duì)散射的作用可以用一個(gè)稱為尺度參數(shù)的物理項(xiàng)來推求。對(duì)于球形粒子我而言，它的尺度參數(shù)定義為粒子周長(zhǎng)與入射波長(zhǎng)2之比，BPx = oA散射的分類：若XVV1,則散射稱為瑞利散射，當(dāng)xNl,則散射稱為洛倫茨一米散 射。什么是獨(dú)立散射？當(dāng)大氣分子和微粒的間距分開得足夠?qū)?，以致每個(gè)粒子散射光的情況嚴(yán)格等同于其 他粒子不存在時(shí)的情況時(shí)的散射，稱為獨(dú)立散射。什么是單散射

3、和多次散射？只發(fā)生一次的散射叫做單散射。多于一次的散射稱為多次散射，簡(jiǎn)述黑體的物理意義？黑體是指能夠完全吸收的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。寫出普朗克公式的三種形式.頻率域：星（7 黑c2（e-l）波長(zhǎng)域：b）=波數(shù)域：8、8 =唉-國(guó)-1寫出斯蒂芬玻爾茲曼定律.光譜輻射強(qiáng)度隨溫度不同，各條曲線互不相交，溫度越高，所有波長(zhǎng)的光譜輻射出 射度也越大，每條曲線下的面積代表給定溫度的總輻射強(qiáng)度。B（T） = bT4 （ ,2尤K、 b =）15c，7黑體發(fā)射的通量密度F = oT1b= 5.67xIO- j.nf2.riy)14、 寫出維恩位移定律。1 .每條曲線都有一個(gè)極大值。2 .隨著溫度升高，輻射的峰值波長(zhǎng)減小，

4、輻射中包含的短波成分增加。m 一 1 ( = 2.897x107K )15、 描述基爾霍夫定律的物理意義。在熱力學(xué)平衡狀態(tài)卜，介質(zhì)對(duì)任何頻率出的電磁波的面輻射強(qiáng)度和吸收因數(shù)之比都 相同，是頻率和溫度的普適函數(shù)。16、 給出黑體發(fā)射率與吸收率之間的關(guān)系.黑體的吸收率和發(fā)射率均為最大，對(duì)所有波長(zhǎng)都有=邑=1?！?、簡(jiǎn)述熱力學(xué)平衡狀態(tài)和局域熱力學(xué)平衡狀態(tài)。在沒有外界影響的條件下，如果某個(gè)系統(tǒng)各部分的宏觀性質(zhì)(如系統(tǒng)的化學(xué)成分、 各物質(zhì)的量、系統(tǒng)的溫度、壓力、體積、密度等)，在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不發(fā)生任何變化，則 稱該系統(tǒng)處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)。不受外界影響的任何系統(tǒng)，總是單向趨向于平衡狀 態(tài)。地球大氣的輻射場(chǎng)就整體

5、而言不是各項(xiàng)同性的，它的溫度也不是均一的，但對(duì)于 6070km以卜的局部空間而言，作為較好的近似，可以將它當(dāng)做具有均一溫度且各 向同性，此時(shí)能量躍遷由分子碰撞確定。18、 什么是紅外頻率中的振轉(zhuǎn)帶？振動(dòng)躍遷絕不會(huì)單獨(dú)發(fā)生，而是同時(shí)耦合這許多轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷。這種耦合造成了一組譜 線，稱為在中紅外頻譜中的振轉(zhuǎn)帶。19、 分子的儲(chǔ)能方式有哪些？1 .平動(dòng)動(dòng)能：任一運(yùn)動(dòng)粒子，由于他在空間中的運(yùn)動(dòng)，都應(yīng)具有動(dòng)能；2 .電子能量：由于構(gòu)成分子的電子能態(tài)的變化，也可能使分子能量發(fā)生變化：3 .振動(dòng)能量：組成分子的原子受某種類似彈簧的彈力的束縛，以致單個(gè)原子能夠相 對(duì)于原子彼此間的平衡位置而振動(dòng)；4 .轉(zhuǎn)動(dòng)能量：一

6、個(gè)由原子構(gòu)成的分子，能夠圍繞通過分子重心的軸而旋轉(zhuǎn)或繞轉(zhuǎn)。20、 簡(jiǎn)述電子能級(jí)、振動(dòng)能級(jí)、轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)之間的關(guān)系。電子能級(jí)振動(dòng)能級(jí)轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)21、 寫出02、H2O、CO2分別有幾個(gè)振動(dòng)模和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度？振動(dòng)模：對(duì)于線性分子，有3N-5個(gè)振動(dòng)模；對(duì)于非線性分子，有3N-6個(gè)振動(dòng)模。02有1個(gè)，H2O有3個(gè)，CO2有4個(gè)。轉(zhuǎn)動(dòng)自由度：一個(gè)雙原子分子和一個(gè)線性三原子分子具有兩個(gè)相等的慣性矩和兩個(gè) 轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；不對(duì)稱陀螺分子具有三個(gè)不等的慣性矩和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；更復(fù)雜的 分子具有更多的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。02有2個(gè)，H2O有3個(gè)，CO2有2個(gè)。22、 什么是容許躍遷和禁戒躍遷？23、 什么是簡(jiǎn)并？用來表示具有相同能

7、量而不同量子數(shù)序列的狀態(tài)。24、 給出轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷的選擇定則。遵循選擇定則N=l，譜線的波數(shù)間距相等。25、 比較線性雙原子、線性三原子、撓曲三原子分子的選擇定擇有何異同？度基于雙原子分子和線性三原子分子在簡(jiǎn)并模k=l (vl)和基模(v3)是與=1的 P、R支，稱為平行支。對(duì)于線性三原子的振動(dòng)模k=2 (v2)和撓曲三原子分子的三 種模，還產(chǎn)生一個(gè)N = 0的Q支，稱為垂直支。26、 簡(jiǎn)述什么是躍遷的平行文、垂直支？對(duì)應(yīng)于修=1的P、R支，稱為平行支。對(duì)應(yīng)于5 = 0的Q支，稱為垂宜支。27、 簡(jiǎn)述線性三原子分子的選擇定擇，并描述P、Q、R支與選擇定則的對(duì)應(yīng)關(guān)系.線性三原子分子簡(jiǎn)正模對(duì)應(yīng)AJ =

8、 -1,振動(dòng)模對(duì)應(yīng)AJ = 0,基模對(duì)應(yīng)AJ = lo AJ = 1對(duì)應(yīng)P支， = - 1對(duì)應(yīng)Q支，與=0對(duì)應(yīng)R支。28、 譜線增寬的原因有哪些？發(fā)射中的能量損耗造成的振子振動(dòng)的阻尼（自然增寬）吸收分子之間以及吸收與不吸收分子之間相互碰撞產(chǎn)生擾動(dòng)（碰撞增寬）各種分子和原子之間的熱運(yùn)動(dòng)速度差異造成的多普勒效應(yīng)（多譜勒增寬）29、 寫出壓致增寬洛侖茲廓線的線形表達(dá)式、吸收系數(shù)表達(dá)式.（劭是標(biāo)準(zhǔn)氣壓po （1013hPa）和標(biāo)準(zhǔn)溫度7b （273K）時(shí)的半寬。30、 寫出壓致增寬半寬隨氣壓和溫度的變化關(guān)系.PoT31、 寫出多普勒增寬的吸收系數(shù)表達(dá)式。32、 寫出多普勒增寬的半寬表達(dá)式。33、 什么

9、是瑞利散射和洛侖茨米散射。尺度參數(shù)X)1 2八一一S11V 00P-37-sin21 + cos2 0)COS054、瑞利散射比入射光波長(zhǎng)大得多的粒子對(duì)光傳輸有哪些影響?1 .通過粒子內(nèi)部折射和多次反射之后，在散射出去。2 .通過衍射使光線散射，衍射從通過粒子的光波中移去能量。3 .通過吸收從廣播中移去能量。55、 對(duì)于有效截面積等于幾何面積A,尺寸比波長(zhǎng)大得多的粒子，其消光截面的大小是多少？=2人或。，=% = 256、 試?yán)脦缀喂鈱W(xué)理論說明華的形成原因和出現(xiàn)位置。當(dāng)太陽、月亮或其他發(fā)光體透過輕霧或薄云而可見時(shí)，華就是與光源周闈經(jīng)常觀測(cè) 到的發(fā)光相聯(lián)系的現(xiàn)象。華常呈圓形，并。發(fā)光體同心。當(dāng)

10、薄云由尺度幾乎相等的 粒子組成，即達(dá)到所謂的單分散條件時(shí)，薄云就可能形成華。57、 試?yán)脦缀喂鈱W(xué)理論說明天空中虹的形成原因和出現(xiàn)位置。太陽光線在雨滴內(nèi)部發(fā)生幾何反射形成的。太陽光線在雨滴內(nèi)部發(fā)生最小偏折，而 在特定角度形成最大強(qiáng)度，這一強(qiáng)度比周圍其它角度上要強(qiáng)得多。58、 什么是標(biāo)準(zhǔn)大氣？人們根據(jù)大量高空探測(cè)的數(shù)據(jù)和理論，規(guī)定了一種特性隨高度平均分布的最接近實(shí) 際大氣的大氣模式，稱為“標(biāo)準(zhǔn)大氣59、 對(duì)紫外光起主要吸收作用的是哪些分子？氮、氯、臭氧、二氧化氮60、 寫出紅外區(qū)主要的大氣吸收分子。水汽、2.7 um的82、一些微量吸收物質(zhì)諸如：N2O、CO和CH4。61、 寫出H2O、CO2在

11、紅外譜區(qū)主要的吸收帶。水汽的主要吸收帶為2.7 u m帶。二氧化碳的主要吸收帶為15 11m帶。62、 什么是單色透過率、譜透射比和譜吸收比？單色透射比：也稱透射函數(shù)，它與指數(shù)衰減的關(guān)系可寫為：7；(-) = exp(-),微UU仃&ir分形式為：- = _exp(_) druu譜透射比：.()= exp(-T)S = exp(-15鼠/地，)5譜吸收比：4v(u)=JAvl-g-dv63、 寫出利用逐線積分法條光學(xué)厚度的公式.64、 給出逐線法計(jì)算吸收系數(shù)的公式。65、 簡(jiǎn)述相關(guān)k分布法的基本思想K分布法是基于按吸收系數(shù)上對(duì)氣體透射比進(jìn)行分組計(jì)算的方法。在均質(zhì)大氣中，譜透射比與給定譜區(qū)間內(nèi)k

12、的排序無關(guān)，閃此，波數(shù)積分可以用k空間上的積分來66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、代替。如果在區(qū)間Av內(nèi)人的歸一化概率分布函數(shù)由,也）給出，在用一個(gè)積累概率 函數(shù)，滿足g（A） = J；/（AMh 可知g（A）是k空間中的平滑函數(shù)，所以它的求逆在 這里也是存在的，即Mg）是g空間中的平滑函數(shù)。因此，在g空間上的枳分代替了 繁瑣的波數(shù)積分，可以由有限指數(shù)項(xiàng)求和計(jì)算得出。什么是強(qiáng)線極線和弱線極限？如果吸收系數(shù)和（或）路徑長(zhǎng)度都小的情況稱為弱線極限0在譜線中心附近，吸收變得飽和，以致通過翼區(qū)的輻射傳輸成為主導(dǎo)成分，這就是 強(qiáng)線極限。什么是線性吸收區(qū)和平方根吸收區(qū)

13、？線性吸收區(qū)：在弱線近似的極限條件下,吸收比與路徑長(zhǎng)度成正比,因此稱為線性 吸收區(qū)。平方根吸收區(qū)：在強(qiáng)線近似的極限條件卜.，吸收比與路徑長(zhǎng)度的平方根成正比。給出等價(jià)錢寬的定義。等價(jià)線寬是具有矩形線型的無限強(qiáng)譜線的寬度，此線型與單譜線的實(shí)際吸收相同。對(duì)于單譜線，寫出在Av寬度的頻譜區(qū)間內(nèi)，等價(jià)線寬表達(dá)式的表達(dá)式；并給出弱線 和強(qiáng)線極限下等價(jià)線寬的表達(dá)式。弱線：W = A-Av = Su強(qiáng)線：w = 4Av =簡(jiǎn)述艾爾薩色的規(guī)則帶模式。在對(duì)單譜線能夠周期性地（或規(guī)則地）反更出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，在這種情況卜，與一特定譜線中心有波數(shù)位移v處的吸收系數(shù)為冗=四T，將上述無 之（v-/5）- + r限求

14、和式按周期函數(shù)和雙曲函數(shù)表示，井進(jìn)行微分、推導(dǎo)、代換可得4 =J； exp（-A亦=eifx =時(shí)（吸。）,這就是艾爾薩色模式。簡(jiǎn)述谷第的統(tǒng)計(jì)帶模式。分別給出谷第的統(tǒng)計(jì)帶模式在強(qiáng)線近似和弱線近似情況下的譜透射比.弱線：圖exp（一H曲）強(qiáng)線:，（）/exp（-；）（c = %p /： = ，=而）寫出不加任何坐標(biāo)系的普遍輻射傳輸方程。給出介質(zhì)的單色光學(xué)厚度計(jì)算公式。寫出比爾布格朗伯定律。略去地球-大氣系統(tǒng)的發(fā)射輻射的貢獻(xiàn)和由多次散射產(chǎn)生的漫射輻射，輻射傳輸方程可寫為，工=一，積分可得人區(qū)）=（O）exp（-i.z/）（ =廣pels ）k.pdsJ0寫出施瓦氏方程和它的解。方程為：也r=f.+

15、BU）k 入 pds解為：/式sj = /A（0）exp-rA（5r0） + - B,（7）exp-r（5t,s）k.pds對(duì)于平面平行大氣，考慮一微分厚度左,由該層之下出射的漫射強(qiáng)度的變化，由哪 些過程產(chǎn)生，請(qǐng)結(jié)合畫圖進(jìn)行說明？1 .由消光衰減造成的減少。2 .未散射的直接太陽輻射通量由（-4,弘）方向到（.。）的單散射造成的增加。3 .漫射強(qiáng)度有方向（4）到方向（川,“）的多次散射造成的增加。4 .由該層內(nèi)在方向上的發(fā)射而造成增加。78、79、寫出平面平行大氣中輻射傳輸?shù)幕緲?biāo)量方程。什么是單散射反照率？單散射反照率為散射系數(shù)與消光系數(shù)之比：立=年或1-由=冬（瓦、&和乩分 PePc別表示

16、消光系數(shù)、散射系數(shù)和吸收系數(shù)（以長(zhǎng)度倒數(shù)為單位）什么是散射相函數(shù)的不對(duì)稱因子。g = g = ；J：P（cosO）cos）dcos）,它是相函數(shù)的一階矩，是輻射傳輸中的一個(gè) 重要參數(shù)，表示了前向散射的相對(duì)強(qiáng)度。81、 瑞利散射和洛侖茨米散射的不對(duì)散因子分別有什么特點(diǎn)？瑞利散射各向同性散射，所以g為零。對(duì)于洛倫茨-米散射，相函數(shù)峰值出現(xiàn)在朝后的方向，則不對(duì)稱因子可以為負(fù)值。它的 相函數(shù)在0。散射角普遍有尖峰。所以不對(duì)稱因子表示了前向散射的相對(duì)強(qiáng)度。82、 給出相函數(shù)的勒讓德多項(xiàng)式展開。83、 簡(jiǎn)述離散縱坐標(biāo)法的基本思想.假定在空間一定立體角內(nèi)輻射強(qiáng)度均勻即不隨方向變化，然后將立體角劃分為若干 離

17、散的角度，對(duì)每一個(gè)離散的角度方向?qū)⑤椛鋫鬟f方程化為一個(gè)偏微分方程進(jìn)行求 解，不同離散方向的輻射強(qiáng)度通過源項(xiàng)耦住在一起。發(fā)雜的積分微分方程可簡(jiǎn)化為 一些耦合的線性微分方程，這些微分方程的因變量則是平均的輻射強(qiáng)度。84、 利用離散縱坐標(biāo)法，給出各向同性散射介質(zhì)的輻射傳輸方程的通解.85、 給出半無限各向同性散射大氣的反射強(qiáng)度計(jì)算公式.86、 利用離散縱坐標(biāo)法，給出各向異性散射介質(zhì)的輻射傳輸方程的通解.87、 分別給出二流近似和愛丁頓近似的輻射傳輸方程。出一5=工）一dv彳 叼氐（k/）/（T.j）-（=Q）=-n菅%（7做&（的）&的）e-小。二流近似： = 一骼.3（1- 怖%d半=（J - 0

18、gM + 汽“0%廠做愛丁頓近似：“T47r88、 試比較二流近似和愛丁頓近似的異同。愛丁頓近似是二流近似的一個(gè)特例，但二流近似的精度比愛頓近似更高89、 在二流近似和愛丁頓近似計(jì)算中，為什么要進(jìn)行6函數(shù)調(diào)整？輻射傳輸?shù)亩鹘坪蛺垲D近似適合于光學(xué)厚層情況，對(duì)于光學(xué)薄層的情況以及 涉及到強(qiáng)吸收時(shí)，計(jì)算結(jié)果就不精確了。根本原因在于大氣粒子的散射在向前向上 具有很高的峰值。90、 試給出6函數(shù)調(diào)整的基本原理和方法。原理：為了在多次散射中一并考慮前向峰值的貢獻(xiàn)，我們可以考慮一個(gè)經(jīng)調(diào)整后的 吸收和散射大氣，這樣一來，前向峰值的散射能量部分就可從一些散射參數(shù)一一光 學(xué)厚度、單散射反照率、和不對(duì)稱因子一一中去除掠了。對(duì)大尺度參數(shù)強(qiáng)前向散射 考慮的6函數(shù)調(diào)整與二流近似相結(jié)合使得輻射通量的計(jì)算精確度有了顯著地改進(jìn)。 方法：通過重新定義不對(duì)稱因子、光學(xué)厚度和單散射反照率，相函數(shù)前向散射的本 質(zhì)就在基本輻射傳輸方程中得到近似考慮。實(shí)質(zhì)上我們已經(jīng)將相函數(shù)展開式的二階 矩結(jié)合到了輻射傳輸方程中。6函數(shù)調(diào)整通過相函數(shù)展開式的二階矩給出了第三個(gè) 閉合項(xiàng)調(diào)整后