第五章 地面和大氣中的輻射過程 3 大氣物理學(xué)課件

第五章

地面和大氣中的輻射過程

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地面和大氣中的輻射過程

15.3地球大氣與輻射的相互作用重點(diǎn)：吸收光譜、散射特征、布格定律相關(guān)物理量5.3地球大氣與輻射的相互作用重點(diǎn)：25.3.1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(duì)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)決定的。5.3.1大氣吸收的物理過程吸收:投射到介質(zhì)上面的輻射能3氣體分子或原子內(nèi)的電子能級(jí)躍遷、原子和分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)等所發(fā)射和吸收的輻射譜是非連續(xù)性的，構(gòu)成原子的線光譜和分子的帶光譜。單個(gè)分子，當(dāng)它處于某一特定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，其分子內(nèi)部總能量E由三部分組成

E=Ee+Ev+Er

（5.3.1）Ee：繞原子核轉(zhuǎn)動(dòng)的外層電子的動(dòng)能和靜電位能Ev：原子在其平衡位置附近振動(dòng)的能量Er：分子繞其質(zhì)量中心轉(zhuǎn)動(dòng)的能量分子光譜氣體分子或原子內(nèi)的電子能級(jí)躍遷、原子和分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)等所發(fā)4第五章地面和大氣中的輻射過程3大氣物理學(xué)課件5AnelectronsomedistancefromanucleushasaparticularvalueofpotentialenergyBasedondistancefromthenucleusandthesizeoftheelectricfieldIfyougivetheelectronmoreenergy,itgainpotentialenergyandwillmovefartherawayfromthenucleus!!!Theoppositeisalsotrue.Whenanelectrongivesupenergytomovecloser,itwillbeemittedasaphotonoflightAnelectronsomedistancefrom6TheelectronisnotallowedaleisurelyjourneyfromoneorbittoanotherIt“jumps”instantaneouslyAlsoexplainswhysomefrequenciesoflightemittedbyhydrogenarethesumoftwootherfrequenciesthatareobservedTheelectronisnotalloweda7-eVsignforDEindicatesemission(+eVforabsorption)VisiblelinesinHatomspectrumarecalledtheBALMERseries(里德博等式

)UltraVioletLymanInfraredPaschen第五章地面和大氣中的輻射過程3大氣物理學(xué)課件8玻爾的原子理論給出這樣的原子圖像：電子在一些特定的可能軌道上繞核作圓周運(yùn)動(dòng)，離核愈遠(yuǎn)能量愈高；可能的軌道由電子的角動(dòng)量必須是h/2π的整數(shù)倍決定；當(dāng)電子在這些可能的軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)原子不發(fā)射也不吸收能量，只有當(dāng)電子從一個(gè)軌道躍遷到另一個(gè)軌道時(shí)原子才發(fā)射或吸收能量，而且發(fā)射或吸收的輻射是單頻的，輻射的頻率和能量之間關(guān)系由E＝hν給出。玻爾的理論成功地說明了原子的穩(wěn)定性和氫原子光譜線規(guī)律。玻爾的理論大大擴(kuò)展了量子論的影響，加速了量子論的發(fā)展。1915年，德國物理學(xué)家索末菲（ArnoldSommerfeld，1868-1951）把玻爾的原子理論推廣到包括橢圓軌道，并考慮了電子的質(zhì)量隨其速度而變化的狹義相對(duì)論效應(yīng)，導(dǎo)出光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)同實(shí)驗(yàn)相符。1916年，愛因斯坦（AlbertEinstein，1879-1955）從玻爾的原子理論出發(fā)用統(tǒng)計(jì)的方法分析了物質(zhì)的吸收和發(fā)射輻射的過程，導(dǎo)出了普朗克輻射定律。愛因斯坦的這一工作綜合了量子論第一階段的成就，把普朗克、愛因斯坦、玻爾三人的工作結(jié)合成一個(gè)整體。玻爾的原子理論給出這樣的原子圖像：電子在一些特定的可能軌道上9EmissionspectrumofH(cont.)LightBulbHydrogenLampQuantized,notcontinuousEmissionspectrumofH(cont.)10輻射頻率f及波數(shù)與能量改變的關(guān)系是f和為分子吸收或發(fā)射譜線的位置。這種譜線由有限個(gè)非常窄的吸收線或發(fā)射線組成，其間夾雜該分子不可能發(fā)射和吸收的光譜間隙。吸收光譜與發(fā)射光譜是一致的分子光譜輻射頻率f及波數(shù)與能量改變的關(guān)系是分子光譜11實(shí)際分子的轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷常伴隨著振動(dòng)躍遷發(fā)生.在一個(gè)振動(dòng)帶內(nèi)有許多轉(zhuǎn)動(dòng)譜線，而轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)能量的變化又常伴隨著電子能級(jí)躍遷.使相應(yīng)的譜帶更呈現(xiàn)出復(fù)雜的帶系結(jié)構(gòu).分子光譜實(shí)際分子的轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷常伴隨著振動(dòng)躍遷發(fā)生.分子光譜12N2和O2分子：對(duì)稱的電荷分布沒有振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)譜。其吸收和發(fā)射譜由電子軌道躍遷造成，位于紫外和可見光輻射區(qū)。分子光譜—舉例N2和O2分子：對(duì)稱的電荷分布沒有振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)譜。其吸收和發(fā)13H2O分子的原子呈三角形分布，是極性分子，有三種振動(dòng)方式。這三種振動(dòng)過程都引起電偶極距變化，產(chǎn)生吸收和發(fā)射，而轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)態(tài)的結(jié)合使得水汽的吸收譜十分復(fù)雜。其中第一、三種為伸縮振動(dòng)，第二種是彎曲振動(dòng)。O3分子的原子也呈三角形分布，有三種振動(dòng)方式，其中9.6m的振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)帶比較重要。CO2分子是以C原子為中心，O原子位于兩側(cè)的線型對(duì)稱分子，也有三種振動(dòng)方式，但沒有轉(zhuǎn)動(dòng)帶。第一種方式是對(duì)稱振動(dòng)，因正、負(fù)電荷中心仍然重合，不產(chǎn)生電偶極距變化，故不吸收和發(fā)射輻射；第二種是彎曲振動(dòng)，電偶極距發(fā)生了變化，因而產(chǎn)生極強(qiáng)的吸收和發(fā)射，波數(shù)為2=667，波長2=15m；第三種是反對(duì)稱振動(dòng)，電偶極距也發(fā)生了變化，故也有強(qiáng)烈的吸收和發(fā)射，波數(shù)為3=2349cm1，波長3=4.3m。H2O分子的原子呈三角形分布，是極性分子，有三種振動(dòng)方式。這14PhysicalCausesoftheGreenhouseEffectPhysicalCausesoftheGreenho155.3.2大氣吸收光譜5.3.2大氣吸收光譜16譜線增寬譜線增寬17譜線增寬1、自然增寬：沒有任何外界因素作用，譜線本身也必然具有一定的寬度，這是由于能級(jí)具有一定的寬度造成的（測(cè)不準(zhǔn)原理）。2、壓力加寬(碰撞加寬)在對(duì)流層和平流層大氣中，由于分子、原子或離子處于不斷的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)中，頻繁碰撞的結(jié)果導(dǎo)致發(fā)射輻射的位相發(fā)生無規(guī)則變化，而使譜線加寬。壓力加寬與T、P有關(guān)，由于大氣壓力的變化比溫度的變化大得多，碰撞加寬的譜線寬度隨壓力的變化是主要的譜線增寬1、自然增寬：18譜線增寬3、Doppler增寬由作熱運(yùn)動(dòng)的分子發(fā)射輻射的Doppler頻移引起。分子不停地向各個(gè)方向以不同速度作無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，即使每個(gè)分子所發(fā)射的輻射頻率相同，但因相對(duì)速度的原因使不同運(yùn)動(dòng)速度的分子的輻射之間有一定的頻率差異，從而引起輻射譜線有一定程度的增寬。

與T有關(guān)，與P無關(guān)譜線增寬3、Doppler增寬19譜線增寬譜線增寬20譜線增寬在實(shí)際大氣中，譜線的Doppler加寬和壓力加寬同時(shí)存在。在大氣低層（30km以下），譜線加寬主要由壓力加寬效應(yīng)決定；在大氣高層（50km以上），Doppler加寬主要在平流層上層和中間層相當(dāng)厚的一層大氣中，壓力加寬與Dopplar加寬同等重要：Doppler-Lorentz混合線型，稱為Voigt線型函數(shù)。譜線增寬在實(shí)際大氣中，譜線的Doppler加寬和壓力加寬同時(shí)21第五章地面和大氣中的輻射過程3大氣物理學(xué)課件22譜線參數(shù)基線或零線譜線的寬度：半寬度α——極大值的1/2處之間的一半，它主要是壓力和溫度的函數(shù)譜線形狀線強(qiáng)形狀因子譜線參數(shù)基線或零線23吸收系數(shù)單個(gè)粒子的吸收截面σab

粒子所吸收的輻射通量相當(dāng)于面積σab從入射輻射場(chǎng)中所截獲的輻射通量。體積吸收系數(shù)單位體積中各粒子吸收截面之和（ka=Nσab

）質(zhì)量吸收系數(shù)（p81）單位體積中各粒子吸收截面之和;單位質(zhì)量的吸收物質(zhì)（1cm2氣柱中）吸收了原輻射能的份數(shù)(5.3.19)吸收系數(shù)單個(gè)粒子的吸收截面σab24加寬作用使得吸收帶中譜線互相重疊，在每一波數(shù)處的吸收系數(shù)k實(shí)際多使用一波數(shù)間隔內(nèi)的平均值吸收系數(shù)加寬作用使得吸收帶中譜線互相重疊，在每一波數(shù)處的吸收系數(shù)k25分子吸收足夠的輻射能分裂為原子；不穩(wěn)定的原子結(jié)合成較穩(wěn)定的分子釋放多余的輻射能光化反應(yīng)所要求的輻射波譜可以為連續(xù)譜，只要其中的波長短到使一個(gè)光子所提高的化學(xué)能足以造成分子的光解。其它能量轉(zhuǎn)化為原子的動(dòng)能，使氣體的溫度增高。地球大氣中，大多數(shù)光化反應(yīng)需要有紫外輻射和可見光輻射。光化反應(yīng)分子吸收足夠的輻射能分裂為原子；不穩(wěn)定的原子結(jié)合成較穩(wěn)定的分26任何原子都能被波長非常短的輻射所電離。具有足夠能量的光子把電子從繞原子核旋轉(zhuǎn)的外層軌道上剝離開來，這種過程稱為光致電離。也象光化反應(yīng)那樣，光致電離要求輻射具有低于一定的臨界能量波長的連續(xù)波。引起電離的輻射波長通常小于0.1m。光致電離任何原子都能被波長非常短的輻射所電離。具有足夠能量的光子把電27選擇性吸收太陽短波輻射：H2O、O2、O3地氣長波輻射：H2O、CO2、O3氣體吸收對(duì)大氣輻射平衡的重要性取決于：一是吸收線的強(qiáng)度二是吸收氣體的含量及其空間分布。5.3.2大氣吸收光譜選擇性吸收5.3.2大氣吸收光譜285.3.2大氣吸收光譜5.3.2大氣吸收光譜29H2O吸收約20%的太陽能量幾乎覆蓋長波輻射整個(gè)波段6.3m振動(dòng)帶大于12m轉(zhuǎn)動(dòng)帶5.3.2大氣吸收光譜H2O5.3.2大氣吸收光譜30H2OH2O主要集中在大氣下層，吸收作用主要在對(duì)流層，特別是對(duì)流層下層。液態(tài)水：吸收帶與氣態(tài)對(duì)應(yīng)，波段向長波方向移動(dòng)。5.3.2大氣吸收光譜H2O5.3.2大氣吸收光譜31O2主要在小于0.25m的紫外區(qū)：舒曼-龍格（Schumann-Runge）吸收帶赫茲堡（Herzberg）帶因小于0.25m的太陽輻射能量不到0.2%，而且O2在可見光波段的兩吸收帶較弱，所以對(duì)太陽輻射的削弱不大。5.3.2大氣吸收光譜O25.3.2大氣吸收光譜325.3.2大氣吸收光譜5.3.2大氣吸收光譜33O3強(qiáng)吸收在的紫外區(qū)：哈特來（Hartley）帶—最強(qiáng)哈金斯（Huggins）帶—較弱可見光區(qū)：查普尤（Chappuis）帶—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)：4.7m、9.6m、14.1m較強(qiáng)吸收帶5.3.2大氣吸收光譜O35.3.2大氣吸收光譜345.3.2大氣吸收光譜5.3.2大氣吸收光譜351932年：嚴(yán)濟(jì)慈采用照相光度術(shù)，精確測(cè)定了臭氧在全部紫外區(qū)域（215-345納米）的吸收系數(shù)，并發(fā)現(xiàn)了若干新光帶。國際臭氧委員會(huì)把嚴(yán)濟(jì)慈精確測(cè)定的吸收系數(shù)定為標(biāo)準(zhǔn)值，各國氣象學(xué)家用以每日測(cè)定高空臭氧層厚度的變化，長達(dá)30年之久。5.3.2大氣吸收光譜1932年：嚴(yán)濟(jì)慈采用照相光度術(shù)，精確測(cè)定了臭氧在全部紫外區(qū)36CO2大于2m的紅外區(qū)：較強(qiáng)中心：2.7m、4.3m、15m15m最重要5.3.2大氣吸收光譜CO25.3.2大氣吸收光譜37紫外波段O2、O3把0.29m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紅外波段主要是水汽的吸收，其次是CO2和CH4。14m以外的輻射不能透過大氣傳向外空。5.3.2大氣吸收光譜紫外波段5.3.2大氣吸收光譜38大氣透明窗或大氣光譜窗8—12m大氣的吸收很弱地表的溫度約300K，與這個(gè)溫度相對(duì)應(yīng)的黑體輻射能量主要集中在10m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)送到宇宙空間。5.3.2大氣吸收光譜大氣透明窗或大氣光譜窗5.3.2大氣吸收光譜390.29整層大氣的吸收光譜11km高度以上大氣的吸收光譜整層大氣中不同氣體成份的吸收光譜太陽和地球的黑體輻射140.29整層大氣的吸收光譜11km高度以上大氣的吸收光譜整層40氣體分子以及氣溶膠粒子內(nèi)含有多個(gè)分立的電子和質(zhì)子，當(dāng)電磁波照射到粒子上后，使正負(fù)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)下作受迫振動(dòng)，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。特點(diǎn)：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。散射和吸收不同：（1）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（Mie理論）；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。（2）散射不是選擇性的，它在電磁波譜的各個(gè)波長上都會(huì)發(fā)生，因而是全波段的。5.3.3大氣對(duì)輻射的散射氣體分子以及氣溶膠粒子內(nèi)含有多個(gè)分立的電子和質(zhì)子，當(dāng)電磁波照41Scattering-ExamplePurelyabsorbingWithScatteringLambert-BeerLawdoesnotapplyhere!!!NeedtocalculatetruepathlengthoflightPhotonpathlength>>LPhotonpathlength=LLScattering-ExamplePurelyabs421.散射過程的分類定義無量綱尺度參數(shù)當(dāng)α<<1時(shí)：Rayleigh散射，也稱分子散射。如空氣分子對(duì)短波輻射的散射。當(dāng)0.1<α<50：Mie散射，如大氣中的云滴等氣溶膠粒子對(duì)短波輻射的散射。當(dāng)α>50：幾何光學(xué)：折射。如大雨滴對(duì)可見光的折射、反射。1.散射過程的分類定義無量綱尺度參數(shù)431．散射過程的分類1．散射過程的分類44第五章地面和大氣中的輻射過程3大氣物理學(xué)課件451．散射過程的分類1．散射過程的分類461．散射過程的分類1．散射過程的分類47一個(gè)粒子的散射截面σsc，表示當(dāng)有輻照度為E的輻射射入時(shí)，將把Eσsc的能量散射到四面八方，而使入射波的能量減少Eσsc。若單位體積中有N個(gè)相同的顆粒，則總散射掉的輻射能為ENσsc。單位體積中各個(gè)粒子散射截面之和稱為單位體積的散射削弱系數(shù)ks

2．散射削弱系數(shù)一個(gè)粒子的散射截面σsc，表示當(dāng)有輻照度為E的輻射射入時(shí)，將48對(duì)于不同大小的氣溶膠散射粒子：大氣對(duì)輻射的散射削弱作用的大小取決于兩個(gè)因素，即單位體積中散射顆粒物的多少以及每個(gè)散射粒子的散射截面散射截面、散射系數(shù)與粒子尺度參數(shù)a和復(fù)折射（指數(shù)）率m有關(guān)2．散射削弱系數(shù)對(duì)于不同大小的氣溶膠散射粒子：2．散射削弱系數(shù)492．散射削弱系數(shù)復(fù)折射指數(shù)(m=n-ik)ofaparticleisdefinedbyitschemicalcomposition.

nisresponsibleforscattering.

kisresponsibleforabsorption.Ifkisequalto0atagivenwavelengththusaparticledoesnotabsorbradiationatthiswavelength.2．散射削弱系數(shù)復(fù)折射指數(shù)(m=n-ik)of50Somerefractiveindicesofatmosphericaerosolsubstancesatl=0.5mm.SubstancenkWater1.3330Hematite2.61.0Elementalcarbon1.960.66Organiccarbon1.550NaCl(s)1.5440H2SO4(aq)1.530NH4HSO4(s)1.530(NH4)2SO4(s)1.520SiO21.550NOTE:hematite(赤鐵礦)isamineralthatisamainlightabsorbingcomponentsofmineraldust.2．散射削弱系數(shù)Somerefractiveindicesofatm512．散射削弱系數(shù)2．散射削弱系數(shù)52ImaginarypartoftherefractiveindexesofsomeaerosolmaterialsNote:MainabsorbingspeciesintheSWareblackcarbon(Soot)andHematite(dust),butintheLWvariousspecieshavehighimaginarypartsoftherefractiveindex.Butoverallabsorption(i.e.,absorptioncoefficients)isalsocontrolledbyparticlesize.2．散射削弱系數(shù)Imaginarypartoftherefracti53（1）瑞利散射（1）瑞利散射54（1）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(qiáng)。[例題]計(jì)算藍(lán)光與紅光的散射削弱系數(shù)之比。（1）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55LordRayleigh(JohnWilliamStrutt1842-1919)英國物理學(xué)家1871：RayleighScattering光學(xué)聲學(xué)電學(xué)熱力學(xué)1904NobelPrize（1）瑞利散射LordRayleigh(JohnWilliamSt56（2）米散射(大顆粒散射)假設(shè)：粒子是球體；介質(zhì)均勻球狀粒子的散射特性取決于粒子的相對(duì)尺度數(shù)a和粒子介質(zhì)復(fù)折射指數(shù)m。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截面之比（2）米散射(大顆粒散射)假設(shè)：粒子是球體；介質(zhì)均勻57（2）米散射(大顆粒散射)（2）米散射(大顆粒散射)58（2）米散射(大顆粒散射)假論一般大氣條件下粒子是獨(dú)立散射的，則單位體積中粒子的總散射截面就是各粒子散射截面之和，即得到散射系數(shù)（2）米散射(大顆粒散射)假論一般大氣條件下粒子是獨(dú)立散射59GustavMie(1868-1957)德國物理學(xué)家1908：Mietheory（2）米散射（大顆粒散射）GustavMie(1868-1957)（2）米散射（大60小結(jié)：瑞利散射和米散射瑞利散射的基本特征：①散射光強(qiáng)度和波長的4次方成反比，這也是天空為什么是藍(lán)色的原因。②散射光強(qiáng)度和粒子體積的平方成正比。③當(dāng)入射光為自然光時(shí)，前后向散射呈對(duì)稱分布。④散射光有很高的偏振度。米散射的主要特點(diǎn)：①隨著粒子尺度數(shù)a的增大，前向散射光在總散射光中的比值迅速增大，這就是所謂米效應(yīng)。②前向散射光基本上不改變?nèi)肷涔獾钠駹顟B(tài)，當(dāng)入射光是自然光時(shí)，前向散射光也是非偏振的。散射光偏振度最大的方向出現(xiàn)在散射角為85~120之間。③在吸收不強(qiáng)時(shí)，散射效率Qsc隨x的增大呈振動(dòng)狀態(tài)變化，最后趨向于2，即散射截面是幾何截面的二倍。但當(dāng)吸收增強(qiáng)時(shí)，Qsc曲線上的振動(dòng)消失了。④散射截面隨波長而變。當(dāng)a很小時(shí)，和瑞利散射一樣，與波長四次方成反比；當(dāng)a增大時(shí)，逐漸變?yōu)楹蚽

(0<n<4)；最后當(dāng)a相當(dāng)大時(shí)，和波長無明顯關(guān)系。小結(jié)：瑞利散射和米散射瑞利散射的基本特征：61NitrogenDioxideHazeNitrogenDioxideHaze62NitrogenDioxidePlumeNitrogenDioxidePlume635.3.4輻射能在介質(zhì)中的傳輸布格-朗伯（Beer-Bouguer-Lambert）定律5.3.4輻射能在介質(zhì)中的傳輸布格-朗伯（Beer-Bou641.Beer-Bouguer-LanbertlawPierreBouguer1698-1758versatileFrenchscientistbestrememberedasoneofthefoundersofphotometry,themeasurementoflightintensities.1.Beer-Bouguer-Lanbertlaw651.Beer-Bouguer-Lanbertlaw

AugustBeer(1825-1863)Germanmathematician,chemist,physicist1.Beer-Bouguer-Lanbertlaw662.輻射傳輸?shù)挠嘘P(guān)物理量(1)光學(xué)厚度2.輻射傳輸?shù)挠嘘P(guān)物理量(1)光學(xué)厚度672.輻射傳輸?shù)挠嘘P(guān)物理量(1)光學(xué)厚度2.輻射傳輸?shù)挠嘘P(guān)物理量(1)光學(xué)厚度682.輻射傳輸?shù)挠嘘P(guān)物理量(2)光學(xué)質(zhì)量輻射傳輸路徑上氣體的質(zhì)量2.輻射傳輸?shù)挠嘘P(guān)物理量(2)光學(xué)質(zhì)量692.輻射傳輸?shù)挠嘘P(guān)物理量(2)光學(xué)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下厚度2.輻射傳輸?shù)挠嘘P(guān)物理量(2)光學(xué)質(zhì)量702.輻射傳輸?shù)挠嘘P(guān)物理量(3)單色透射率和單色吸收率輻射通過一段大氣路徑后，輻射通量密度之比常將整層大氣在垂直方向的透過率稱為透明系數(shù)2.輻射傳輸?shù)挠嘘P(guān)物理量(3)單色透射率和單色吸收率712.輻射傳輸?shù)挠嘘P(guān)物理量透射率函數(shù)光譜間隔內(nèi)的平均透過率2.輻射傳輸?shù)挠嘘P(guān)物理量透射率函數(shù)72習(xí)題P120習(xí)題8習(xí)題9習(xí)題P12073第五章

地面和大氣中的輻射過程

第五章

地面和大氣中的輻射過程

745.3地球大氣與輻射的相互作用重點(diǎn)：吸收光譜、散射特征、布格定律相關(guān)物理量5.3地球大氣與輻射的相互作用重點(diǎn)：755.3.1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(duì)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)決定的。5.3.1大氣吸收的物理過程吸收:投射到介質(zhì)上面的輻射能76氣體分子或原子內(nèi)的電子能級(jí)躍遷、原子和分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)等所發(fā)射和吸收的輻射譜是非連續(xù)性的，構(gòu)成原子的線光譜和分子的帶光譜。單個(gè)分子，當(dāng)它處于某一特定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，其分子內(nèi)部總能量E由三部分組成

E=Ee+Ev+Er

（5.3.1）Ee：繞原子核轉(zhuǎn)動(dòng)的外層電子的動(dòng)能和靜電位能Ev：原子在其平衡位置附近振動(dòng)的能量Er：分子繞其質(zhì)量中心轉(zhuǎn)動(dòng)的能量分子光譜氣體分子或原子內(nèi)的電子能級(jí)躍遷、原子和分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)等所發(fā)77第五章地面和大氣中的輻射過程3大氣物理學(xué)課件78AnelectronsomedistancefromanucleushasaparticularvalueofpotentialenergyBasedondistancefromthenucleusandthesizeoftheelectricfieldIfyougivetheelectronmoreenergy,itgainpotentialenergyandwillmovefartherawayfromthenucleus!!!Theoppositeisalsotrue.Whenanelectrongivesupenergytomovecloser,itwillbeemittedasaphotonoflightAnelectronsomedistancefrom79TheelectronisnotallowedaleisurelyjourneyfromoneorbittoanotherIt“jumps”instantaneouslyAlsoexplainswhysomefrequenciesoflightemittedbyhydrogenarethesumoftwootherfrequenciesthatareobservedTheelectronisnotalloweda80-eVsignforDEindicatesemission(+eVforabsorption)VisiblelinesinHatomspectrumarecalledtheBALMERseries(里德博等式

)UltraVioletLymanInfraredPaschen第五章地面和大氣中的輻射過程3大氣物理學(xué)課件81玻爾的原子理論給出這樣的原子圖像：電子在一些特定的可能軌道上繞核作圓周運(yùn)動(dòng)，離核愈遠(yuǎn)能量愈高；可能的軌道由電子的角動(dòng)量必須是h/2π的整數(shù)倍決定；當(dāng)電子在這些可能的軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)原子不發(fā)射也不吸收能量，只有當(dāng)電子從一個(gè)軌道躍遷到另一個(gè)軌道時(shí)原子才發(fā)射或吸收能量，而且發(fā)射或吸收的輻射是單頻的，輻射的頻率和能量之間關(guān)系由E＝hν給出。玻爾的理論成功地說明了原子的穩(wěn)定性和氫原子光譜線規(guī)律。玻爾的理論大大擴(kuò)展了量子論的影響，加速了量子論的發(fā)展。1915年，德國物理學(xué)家索末菲（ArnoldSommerfeld，1868-1951）把玻爾的原子理論推廣到包括橢圓軌道，并考慮了電子的質(zhì)量隨其速度而變化的狹義相對(duì)論效應(yīng)，導(dǎo)出光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)同實(shí)驗(yàn)相符。1916年，愛因斯坦（AlbertEinstein，1879-1955）從玻爾的原子理論出發(fā)用統(tǒng)計(jì)的方法分析了物質(zhì)的吸收和發(fā)射輻射的過程，導(dǎo)出了普朗克輻射定律。愛因斯坦的這一工作綜合了量子論第一階段的成就，把普朗克、愛因斯坦、玻爾三人的工作結(jié)合成一個(gè)整體。玻爾的原子理論給出這樣的原子圖像：電子在一些特定的可能軌道上82EmissionspectrumofH(cont.)LightBulbHydrogenLampQuantized,notcontinuousEmissionspectrumofH(cont.)83輻射頻率f及波數(shù)與能量改變的關(guān)系是f和為分子吸收或發(fā)射譜線的位置。這種譜線由有限個(gè)非常窄的吸收線或發(fā)射線組成，其間夾雜該分子不可能發(fā)射和吸收的光譜間隙。吸收光譜與發(fā)射光譜是一致的分子光譜輻射頻率f及波數(shù)與能量改變的關(guān)系是分子光譜84實(shí)際分子的轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷常伴隨著振動(dòng)躍遷發(fā)生.在一個(gè)振動(dòng)帶內(nèi)有許多轉(zhuǎn)動(dòng)譜線，而轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)能量的變化又常伴隨著電子能級(jí)躍遷.使相應(yīng)的譜帶更呈現(xiàn)出復(fù)雜的帶系結(jié)構(gòu).分子光譜實(shí)際分子的轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷常伴隨著振動(dòng)躍遷發(fā)生.分子光譜85N2和O2分子：對(duì)稱的電荷分布沒有振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)譜。其吸收和發(fā)射譜由電子軌道躍遷造成，位于紫外和可見光輻射區(qū)。分子光譜—舉例N2和O2分子：對(duì)稱的電荷分布沒有振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)譜。其吸收和發(fā)86H2O分子的原子呈三角形分布，是極性分子，有三種振動(dòng)方式。這三種振動(dòng)過程都引起電偶極距變化，產(chǎn)生吸收和發(fā)射，而轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)態(tài)的結(jié)合使得水汽的吸收譜十分復(fù)雜。其中第一、三種為伸縮振動(dòng)，第二種是彎曲振動(dòng)。O3分子的原子也呈三角形分布，有三種振動(dòng)方式，其中9.6m的振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)帶比較重要。CO2分子是以C原子為中心，O原子位于兩側(cè)的線型對(duì)稱分子，也有三種振動(dòng)方式，但沒有轉(zhuǎn)動(dòng)帶。第一種方式是對(duì)稱振動(dòng)，因正、負(fù)電荷中心仍然重合，不產(chǎn)生電偶極距變化，故不吸收和發(fā)射輻射；第二種是彎曲振動(dòng)，電偶極距發(fā)生了變化，因而產(chǎn)生極強(qiáng)的吸收和發(fā)射，波數(shù)為2=667，波長2=15m；第三種是反對(duì)稱振動(dòng)，電偶極距也發(fā)生了變化，故也有強(qiáng)烈的吸收和發(fā)射，波數(shù)為3=2349cm1，波長3=4.3m。H2O分子的原子呈三角形分布，是極性分子，有三種振動(dòng)方式。這87PhysicalCausesoftheGreenhouseEffectPhysicalCausesoftheGreenho885.3.2大氣吸收光譜5.3.2大氣吸收光譜89譜線增寬譜線增寬90譜線增寬1、自然增寬：沒有任何外界因素作用，譜線本身也必然具有一定的寬度，這是由于能級(jí)具有一定的寬度造成的（測(cè)不準(zhǔn)原理）。2、壓力加寬(碰撞加寬)在對(duì)流層和平流層大氣中，由于分子、原子或離子處于不斷的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)中，頻繁碰撞的結(jié)果導(dǎo)致發(fā)射輻射的位相發(fā)生無規(guī)則變化，而使譜線加寬。壓力加寬與T、P有關(guān)，由于大氣壓力的變化比溫度的變化大得多，碰撞加寬的譜線寬度隨壓力的變化是主要的譜線增寬1、自然增寬：91譜線增寬3、Doppler增寬由作熱運(yùn)動(dòng)的分子發(fā)射輻射的Doppler頻移引起。分子不停地向各個(gè)方向以不同速度作無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，即使每個(gè)分子所發(fā)射的輻射頻率相同，但因相對(duì)速度的原因使不同運(yùn)動(dòng)速度的分子的輻射之間有一定的頻率差異，從而引起輻射譜線有一定程度的增寬。

與T有關(guān)，與P無關(guān)譜線增寬3、Doppler增寬92譜線增寬譜線增寬93譜線增寬在實(shí)際大氣中，譜線的Doppler加寬和壓力加寬同時(shí)存在。在大氣低層（30km以下），譜線加寬主要由壓力加寬效應(yīng)決定；在大氣高層（50km以上），Doppler加寬主要在平流層上層和中間層相當(dāng)厚的一層大氣中，壓力加寬與Dopplar加寬同等重要：Doppler-Lorentz混合線型，稱為Voigt線型函數(shù)。譜線增寬在實(shí)際大氣中，譜線的Doppler加寬和壓力加寬同時(shí)94第五章地面和大氣中的輻射過程3大氣物理學(xué)課件95譜線參數(shù)基線或零線譜線的寬度：半寬度α——極大值的1/2處之間的一半，它主要是壓力和溫度的函數(shù)譜線形狀線強(qiáng)形狀因子譜線參數(shù)基線或零線96吸收系數(shù)單個(gè)粒子的吸收截面σab

粒子所吸收的輻射通量相當(dāng)于面積σab從入射輻射場(chǎng)中所截獲的輻射通量。體積吸收系數(shù)單位體積中各粒子吸收截面之和（ka=Nσab

）質(zhì)量吸收系數(shù)（p81）單位體積中各粒子吸收截面之和;單位質(zhì)量的吸收物質(zhì)（1cm2氣柱中）吸收了原輻射能的份數(shù)(5.3.19)吸收系數(shù)單個(gè)粒子的吸收截面σab97加寬作用使得吸收帶中譜線互相重疊，在每一波數(shù)處的吸收系數(shù)k實(shí)際多使用一波數(shù)間隔內(nèi)的平均值吸收系數(shù)加寬作用使得吸收帶中譜線互相重疊，在每一波數(shù)處的吸收系數(shù)k98分子吸收足夠的輻射能分裂為原子；不穩(wěn)定的原子結(jié)合成較穩(wěn)定的分子釋放多余的輻射能光化反應(yīng)所要求的輻射波譜可以為連續(xù)譜，只要其中的波長短到使一個(gè)光子所提高的化學(xué)能足以造成分子的光解。其它能量轉(zhuǎn)化為原子的動(dòng)能，使氣體的溫度增高。地球大氣中，大多數(shù)光化反應(yīng)需要有紫外輻射和可見光輻射。光化反應(yīng)分子吸收足夠的輻射能分裂為原子；不穩(wěn)定的原子結(jié)合成較穩(wěn)定的分99任何原子都能被波長非常短的輻射所電離。具有足夠能量的光子把電子從繞原子核旋轉(zhuǎn)的外層軌道上剝離開來，這種過程稱為光致電離。也象光化反應(yīng)那樣，光致電離要求輻射具有低于一定的臨界能量波長的連續(xù)波。引起電離的輻射波長通常小于0.1m。光致電離任何原子都能被波長非常短的輻射所電離。具有足夠能量的光子把電100選擇性吸收太陽短波輻射：H2O、O2、O3地氣長波輻射：H2O、CO2、O3氣體吸收對(duì)大氣輻射平衡的重要性取決于：一是吸收線的強(qiáng)度二是吸收氣體的含量及其空間分布。5.3.2大氣吸收光譜選擇性吸收5.3.2大氣吸收光譜1015.3.2大氣吸收光譜5.3.2大氣吸收光譜102H2O吸收約20%的太陽能量幾乎覆蓋長波輻射整個(gè)波段6.3m振動(dòng)帶大于12m轉(zhuǎn)動(dòng)帶5.3.2大氣吸收光譜H2O5.3.2大氣吸收光譜103H2OH2O主要集中在大氣下層，吸收作用主要在對(duì)流層，特別是對(duì)流層下層。液態(tài)水：吸收帶與氣態(tài)對(duì)應(yīng)，波段向長波方向移動(dòng)。5.3.2大氣吸收光譜H2O5.3.2大氣吸收光譜104O2主要在小于0.25m的紫外區(qū)：舒曼-龍格（Schumann-Runge）吸收帶赫茲堡（Herzberg）帶因小于0.25m的太陽輻射能量不到0.2%，而且O2在可見光波段的兩吸收帶較弱，所以對(duì)太陽輻射的削弱不大。5.3.2大氣吸收光譜O25.3.2大氣吸收光譜1055.3.2大氣吸收光譜5.3.2大氣吸收光譜106O3強(qiáng)吸收在的紫外區(qū)：哈特來（Hartley）帶—最強(qiáng)哈金斯（Huggins）帶—較弱可見光區(qū)：查普尤（Chappuis）帶—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)：4.7m、9.6m、14.1m較強(qiáng)吸收帶5.3.2大氣吸收光譜O35.3.2大氣吸收光譜1075.3.2大氣吸收光譜5.3.2大氣吸收光譜1081932年：嚴(yán)濟(jì)慈采用照相光度術(shù)，精確測(cè)定了臭氧在全部紫外區(qū)域（215-345納米）的吸收系數(shù)，并發(fā)現(xiàn)了若干新光帶。國際臭氧委員會(huì)把嚴(yán)濟(jì)慈精確測(cè)定的吸收系數(shù)定為標(biāo)準(zhǔn)值，各國氣象學(xué)家用以每日測(cè)定高空臭氧層厚度的變化，長達(dá)30年之久。5.3.2大氣吸收光譜1932年：嚴(yán)濟(jì)慈采用照相光度術(shù)，精確測(cè)定了臭氧在全部紫外區(qū)109CO2大于2m的紅外區(qū)：較強(qiáng)中心：2.7m、4.3m、15m15m最重要5.3.2大氣吸收光譜CO25.3.2大氣吸收光譜110紫外波段O2、O3把0.29m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紅外波段主要是水汽的吸收，其次是CO2和CH4。14m以外的輻射不能透過大氣傳向外空。5.3.2大氣吸收光譜紫外波段5.3.2大氣吸收光譜111大氣透明窗或大氣光譜窗8—12m大氣的吸收很弱地表的溫度約300K，與這個(gè)溫度相對(duì)應(yīng)的黑體輻射能量主要集中在10m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)送到宇宙空間。5.3.2大氣吸收光譜大氣透明窗或大氣光譜窗5.3.2大氣吸收光譜1120.29整層大氣的吸收光譜11km高度以上大氣的吸收光譜整層大氣中不同氣體成份的吸收光譜太陽和地球的黑體輻射140.29整層大氣的吸收光譜11km高度以上大氣的吸收光譜整層113氣體分子以及氣溶膠粒子內(nèi)含有多個(gè)分立的電子和質(zhì)子，當(dāng)電磁波照射到粒子上后，使正負(fù)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)下作受迫振動(dòng)，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。特點(diǎn)：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。散射和吸收不同：（1）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（Mie理論）；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。（2）散射不是選擇性的，它在電磁波譜的各個(gè)波長上都會(huì)發(fā)生，因而是全波段的。5.3.3大氣對(duì)輻射的散射氣體分子以及氣溶膠粒子內(nèi)含有多個(gè)分立的電子和質(zhì)子，當(dāng)電磁波照114Scattering-ExamplePurelyabsorbingWithScatteringLambert-BeerLawdoesnotapplyhere!!!NeedtocalculatetruepathlengthoflightPhotonpathlength>>LPhotonpathlength=LLScattering-ExamplePurelyabs1151.散射過程的分類定義無量綱尺度參數(shù)當(dāng)α<<1時(shí)：Rayleigh散射，也稱分子散射。如空氣分子對(duì)短波輻射的散射。當(dāng)0.1<α<50：Mie散射，如大氣中的云滴等氣溶膠粒子對(duì)短波輻射的散射。當(dāng)α>50：幾何光學(xué)：折射。如大雨滴對(duì)可見光的折射、反射。1.散射過程的分類定義無量綱尺度參數(shù)1161．散射過程的分類1．散射過程的分類117第五章地面和大氣中的輻射過程3大氣物理學(xué)課件1181．散射過程的分類1．散射過程的分類1191．散射過程的分類1．散射過程的分類120一個(gè)粒子的散射截面σsc，表示當(dāng)有輻照度為E的輻射射入時(shí)，將把Eσsc的能量散射到四面八方，而使入射波的能量減少Eσsc。若單位體積中有N個(gè)相同的顆粒，則總散射掉的輻射能為ENσsc。單位體積中各個(gè)粒子散射截面之和稱為單位體積的散射削弱系數(shù)ks

2．散射削弱系數(shù)一個(gè)粒子的散射截面σsc，表示當(dāng)有輻照度為E的輻射射入時(shí)，將121對(duì)于不同大小的氣溶膠散射粒子：大氣對(duì)輻射的散射削弱作用的大小取決于兩個(gè)因素，即單位體積中散射顆粒物的多少以及每個(gè)散射粒子的散射截面散射截面、散射系數(shù)與粒子尺度參數(shù)a和復(fù)折射（指數(shù)）率m有關(guān)2．散射削弱系數(shù)對(duì)于不同大小的氣溶膠散射粒子：2．散射削弱系數(shù)1222．散射削弱系數(shù)復(fù)折射指數(shù)(m=n-ik)ofaparticleisdefinedbyitschemicalcomposition.

nisresponsibleforscattering.

kisresponsibleforabsorption.Ifkisequalto0atagivenwavelengththusaparticledoesnotabsorbradiationatthiswavelength.2．散射削弱系數(shù)復(fù)折射指數(shù)(m=n-ik)of123Somerefractiveindicesofatmosphericaerosolsubstancesatl=0.5mm.SubstancenkWater1.3330Hematite2.61.0Elementalcarbon1.960.66Organiccarbon1.550NaCl(s)1.5440H2SO4(aq)1.530NH4HSO4(s)1.530(NH4)2SO4(s)1.520SiO21.550NOTE:hematite(赤鐵礦)isamineralthatisamainlightabsorbingcomponentsofmineraldust.2．散射削弱系數(shù)Somerefractiveindicesofatm1242．散射削弱系數(shù)2．散射削弱系數(shù)125ImaginarypartoftherefractiveindexesofsomeaerosolmaterialsNote:MainabsorbingspeciesintheSWareblackcarbon(Soot)andHematite(dust),butintheLWvariousspecieshavehighimaginarypartsoftherefractiveindex.Butoverallabsorption(i.e.,absorptioncoefficients)isalsocontrolledbyparticlesize.2．散射削弱系數(shù)Imaginarypartoftherefracti126（1）瑞利散射（1）瑞利散射127（1）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(qiáng)。[例題]計(jì)算藍(lán)光與