第六章紅外輻射在大氣中的傳輸

1、 第6章 紅外輻射在大氣(dq)中的傳輸共三十九頁紅外輻射在大氣中的傳輸問題一直受到人們的普遍重視。這是因為紅外輻射自目標發(fā)出后，要在大氣中傳輸相當長的距離，才能達到(d do)觀測儀器，由此總要受到大氣中各種因素的影響，給紅外技術的應用造成限制性的困難。 共三十九頁 輻射在大氣中傳輸時，主要有以下幾種(j zhn)因素使之衰減： （1）在0.20.32m的紫外光譜范圍內(nèi)， 臭氧的分解作用導致的光吸收。 （2）在紫外和可見光譜區(qū)域中，由氮分子和氧分子所引起的瑞利（Rayleigh)散射。 （3）粒子散射或米（Mie)氏散射。 （4）大氣中某些元素原子的共振吸收 。 （5）分子的帶吸收（紅外輻射

2、衰減的重要原因）。 共三十九頁6.1 地球(dqi)大氣的基本組成和氣象條件 1 大氣的基本組成 包圍著地球的大氣層，每單位體積中大約有78%的氮氣和21%的氧氣，另外還有不到1%的氬（Ar）、二氧化碳(r yng hu tn)(CO2)、一氧化碳(CO)、一氧化二氮(N2O)、甲烷(CH4)、臭氧(O3)、水汽(H2O)等成分。除氮氣、氧氣外的其他氣體統(tǒng)稱為微量氣體。 除了上述氣體成分外，大氣中還含有懸浮的塵埃、液滴、冰晶等固體或液體微粒，這些微粒通稱為氣溶膠。 共三十九頁2 大氣的氣象條件 所謂大氣的氣象條件，是指大氣的各種特性，如大氣的溫度、強度、濕度(shd)、密度等，以及它們隨時間、

3、地點、高度的變化情況。 右圖表示了海拔100km內(nèi)大氣溫度隨高度變化的情況。 共三十九頁大氣溫度(wnd)大氣壓強大氣密度共三十九頁6.3 大氣中的主要吸收氣體和主要散射(snsh)粒子大氣中的主要吸收氣體由水蒸氣、二氧化碳、和臭氧(chuyng)等。下面主要介紹這些氣體的濃度和變化范圍。 共三十九頁 1 水蒸氣 水蒸氣在大氣中，尤其在低層大氣中的含量較高，是對紅外輻射傳輸影響較大的一種大氣成分。雖然人眼看不見，但它的分子對紅外輻射有強烈的選擇吸收作用。 水蒸氣含量描述 1) 水蒸氣壓強(yqing):水蒸氣壓強(yqing)是大氣中水蒸氣的分壓強(yqing)，用符號pw表示，其單位是Pa。

4、 2) 絕對濕度:絕對濕度是單位體積空氣中所含有的水蒸氣的質(zhì)量，通常用符號w表示，其單位為g/m3。所謂絕對濕度，是指水蒸氣的密度。共三十九頁3)飽和水蒸氣壓: 在由氣體轉變?yōu)橐后w過程中的水蒸氣，稱為飽和水蒸氣。在飽和空氣中，水蒸氣在某一溫度下開始發(fā)生液化時的壓強，稱為在該溫度下的飽和水蒸氣壓，用ps表示，它就是飽和狀態(tài)下水蒸氣的分壓強，只是溫度的函數(shù)。 4)飽和水蒸氣量: 某一空氣試樣中，處于(chy)某一溫度時，單位體積內(nèi)所能容納最大可能的水蒸氣質(zhì)量，用s表示，其單位是g/m3。飽和空氣中的水蒸氣量，即飽和水蒸氣密度，只與溫度有關。共三十九頁5)相對濕度:相對濕度是空氣試樣中水蒸氣的含量和

5、同溫度(wnd)下該空氣試樣達到飽和是水蒸氣含量的比值，用百分數(shù)RH表示 6）露點溫度:露點溫度是給定空氣試樣變成飽和狀態(tài)時的溫度。水蒸氣的分布：圖6-6 共三十九頁7) 可凝結水量（可降水量）單位mm沿光線方向上所有的水蒸氣在于光束有相同截面(jimin)的容器內(nèi)凝結成水層的厚度。水蒸氣被折合成液體水的數(shù)量。共三十九頁2 二氧化碳 隨著高度的增加，二氧化碳對紅外輻射的吸收雖然減少，但不如水蒸氣吸收減少得那么顯著。因此，在低空水蒸氣的吸收對紅外輻射的衰減起主要作用；而在高空，水蒸氣的吸收退居次要地位(dwi)，二氧化碳的吸收變得更重要了。 3 臭氧 臭氧在大氣中的形成和分解過程，決定了臭氧的濃

6、度分布以及臭氧層的溫度。 （臭氧分布，圖6-7）共三十九頁4 大氣中的主要散射(snsh)粒子 氣溶膠：云、霧、雨、冰晶、塵埃、碳粒子、煙、鹽晶粒以及微小的有生命機體。尺度范圍：表6-6 大氣(dq)中的散射質(zhì)點 共三十九頁6.5 大氣(dq)的吸收衰減 介質(zhì)中的輻射場強度(qingd)與介質(zhì)的透過率密切相關。因此，研究因大氣的吸收和散射對輻射產(chǎn)生的衰減是非常重要的。本節(jié)將研究大氣吸收產(chǎn)生的衰減 為了確定給定大氣路程上分子吸收所決定的大氣透射率，可以有如下幾種方法： （1）根據(jù)光譜線參數(shù)的詳細知識，一條譜線接一條譜線地做理論計算； （2）根據(jù)帶模型，利用有效的實驗測量或?qū)嶋H譜線資料為依據(jù)，進行

7、理論計算； （3）在所要了解的大氣路程上直接測量； （4）在實驗室內(nèi)模擬大氣條件下的測量。共三十九頁(1) 大氣的選擇吸收(xshu) 表6-9 大氣中各吸收組分的紅外吸收帶圖6-8 紅外吸收光譜共三十九頁6.5.6 表格法計算大氣的吸收 表格法計算大氣的吸收是一種利用紅外和大氣工作者編制的大氣透過率表格可以方便(fngbin)地計算大氣吸收。根據(jù)人們的實驗數(shù)據(jù)，采用適當?shù)慕?，已?jīng)整理出各種形式的大氣透射率數(shù)據(jù)表 共三十九頁任意波長上的透射率的知識從表中查到的水蒸氣和二氧化碳透射率的乘積，即在高度為h的水平路程x所具有的透射率等于(dngy)長度為x0的等效海平面上水平路程的透射率，用數(shù)字表

8、達式可以表示為共三十九頁6.6 大氣(dq)的散射衰減 散射：輻射在大氣中遇到氣體分子密度的起伏及微小微粒，使輻射改變方向(fngxing)，從而使傳播方向(fngxing)的輻射能減弱。散射比分子吸收弱共三十九頁瑞利散射(snsh)和米氏散射(snsh)共三十九頁1 氣象(qxing)視程與視距方程式目標與背景的對比度隨著距離的增加而減少(jinsho)到2%時的距離，稱為氣象視程，簡稱為視程或視距。 對比度C，即 式中Lt為目標亮度；Lb為背景亮度共三十九頁人眼對兩個目標亮度的差異(chy)的區(qū)別能力是有限的，這種限制的臨界點稱為亮度對比度閾。亮度對比度閾通常以CV表示，對于正常的人眼來說

9、，其標準值為0.02。 對于同一目標來說，當它距觀察點的距離為x時，那么觀察者所看到的目標與背景的對比度為式中Ltx為觀察者所看到的目標亮度；Lbx為背景亮度共三十九頁當x=V處的亮度對比度CV與x=0處的對比度亮度C0的比值恰好等于2%時，這時的距離V稱為(chn wi)氣象視距，即 LtLb,Lb0=LbV 上式可變?yōu)?共三十九頁在實際觀察中，如果(rgu)我們把一個很亮的目標從x=0處移到距觀測點x=V處時，對于波長為0的亮度降到原亮度的2%，此時V就是氣象視程。如果滿足上述的假設，那么以x=0到x=V之間的大氣，在波長0處，對大氣透射率的影響只是由散射造成的，其透射率為(6-183)

10、共三十九頁由上面兩式可得到 所以(suy)可以得到在波長0處，散射系數(shù)和氣象視程的關系為 上式即為視程方程式，V是長度單位，與S(0)相適應即可。(6-185) 共三十九頁2 測量(cling)0處視程的原理 在已知的x距離上，在波長0處，測得大氣的透射率為S(0，x），則有 共三十九頁如果已知距離(jl)x在0V之間，由于在整個視程內(nèi)的S都是一樣的，因此，可以將此式中的S(0)代入視程方程中，得到視程與已知距離處的透射率之間的關系為 由此式可知，只要測得已知距離x及透射率S(0，x），就可以求得視距。 共三十九頁計算(j sun)氣象視程 例5-1 在距離x=5.5km，波長(bchng)0

11、.55m處測得的透射比S(0，x）為30%，求氣象視程V。 解 : 將x，S(0，x）代入式（6-188） 得 即在0.55m處的氣象視距為17.9km。共三十九頁3 利用0處的視程求任意波長(bchng)處的光譜散射系數(shù)S()一般可以將散射系數(shù)表示為 式中的A，A1，q都是待定的常數(shù)。 上式中，第二項表示瑞利散射。在紅外光譜區(qū)內(nèi)(q ni)，瑞利散射并不重要，因此，只需考慮式中的第一項，即 共三十九頁對上式取對數(shù)，有 式中q是經(jīng)驗常數(shù)。當大氣能見度特別好（例如氣象視程V大于80km）時，q=1.6；中等視見度，q=1.3（這是常見的數(shù)值）。如果大氣中的霾很濃厚，以致(yzh)能見度很差（例如

12、，氣象視程小于6km），可取共三十九頁上式同樣應能滿足波長(bchng)0處的散射系數(shù)。可利用式（6-190）和式（6-185）得到 共三十九頁將式（6-193）代入式（6-190），就可以得到任意波長處的散射系數(shù)S()與氣象視距及波長的關系式 把此式帶入由純散射衰減導致(dozh)的透射率公式，有 共三十九頁描述 5000-200大氣(dq)透射儀傳感器測量大氣(dq)消光系數(shù)，消光系數(shù)是散射系數(shù)和吸收系數(shù)的總和。 共三十九頁6.7 大氣透射率的計算(j sun)舉例 1 大氣透射率的計算步驟 在實際大氣中，尤其是在地表(dbio)附近幾千米的大氣中，吸收和散射是同時存在的。由此，我們可以得

13、到大氣的光譜透射率為式中a()，b()分別是與吸收和散射有關的透射率。共三十九頁然而，大氣中并非只有一種吸收組分。假設大氣中由m種吸收組分，即 式中ai()是與第i種組成(z chn)的吸收有關的透射率。將式（6-197）代入（6-196），得到大氣的透射率共三十九頁計算(j sun)大氣透射率的步驟歸結如下：（1）按實際的需要(xyo)規(guī)定氣象條件、距離和光譜范 圍。 （2）按式（5-23），也就是由氣象視程的方法計算出在給定條件下的S(). （3）按給定條件，依次計算出各個吸收組分的ai()。其辦法有： 查表（大氣透射率表） 帶模型計算。 （4）利用所求得的S()和ai()，根據(jù)式（6-1

14、98）可以算出大氣的透射率。共三十九頁大氣(dq)透射率計算舉例氣象條件：海平面水平路程長1.8km，氣象視程V=13.8km（在0.61m處 ）。求：只考慮散射，計算(j sun)在3.54.0m光譜帶的平均大氣透射率。共三十九頁計算大氣透射率氣象條件：海平面水平路程5km，氣象視程在V=27km（在 ） 處，水蒸氣含量相當于5mm可降水量，考慮二氧化碳(r yng hu tn)和水蒸氣的影響，計算 附近光譜帶的平均大氣透射率。（e取2.72） 共三十九頁 6.9大氣紅外輻射傳輸(chun sh)計算軟件介紹 隨著近代物理和計算機技術的發(fā)展，大氣輻射傳輸計算方法，由20世紀60年代的全參數(shù)化或簡化的譜帶模式發(fā)展為目前的高分辨光譜透過率計算，由單純只考慮吸收的大氣模式發(fā)展散射和吸收并存的大氣模式，且大氣狀態(tài)(zhungti)也從只涉及水平均勻大氣發(fā)展到水平非均勻大氣。同時已發(fā)布例如LOWTRAN、MODTRAN、FASCOD、MOSART、EOSAEL和SENTRAN等多種在目標探測和遙感中得到廣泛應用的實用軟件。 共三十九頁內(nèi)容摘要第6章 紅外輻射在大氣中的傳輸。包圍著地球的大氣層，每單位體積中大約有78%的氮氣和21%的氧氣，另外還有不到1%的氬（Ar