第3章 氣象衛(wèi)星遙感大氣的基本原理1

氣象衛(wèi)星遙感地球大氣系統(tǒng)的溫度、濕度、云雨演變等氣象要素通過(guò)探測(cè)地球大氣系統(tǒng)發(fā)射或反射、散射的電磁波而實(shí)現(xiàn)的電磁輻射是氣象衛(wèi)星遙感的基礎(chǔ)第三章衛(wèi)星遙感輻射基礎(chǔ)電子躍遷可見(jiàn)光宇宙射線γ射線紫外線X射線

可見(jiàn)光紅外線亞毫米波毫米波厘米波分米波微波超短波短波中波長(zhǎng)波無(wú)線電波遲緩電振蕩光譜區(qū)1nm

1m

1m波長(zhǎng)310223102031018310163101431012310103108

310631043102頻率(Hz)近紅外中紅外遠(yuǎn)紅外1.515750m

紫藍(lán)青綠黃橙紅0.400.430.450.500.570.600.630.76微米分子振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)電離電磁振蕩太陽(yáng)輻射地球大氣輻射產(chǎn)生機(jī)制一、電磁波譜1、電磁波段的劃分電磁輻射包括宇宙射線、太陽(yáng)輻射、地球大氣熱輻射、無(wú)線電輻射等。第一節(jié)電磁波譜和輻射度量γ射線：波長(zhǎng)10-11—10-4nm，生成：放射性元素蛻變，

特征：能量高104—106eV，穿透非常稠密的物質(zhì)。電離空氣。X射線：波長(zhǎng)10-5—0.0045m，生成：原子內(nèi)部電子從激發(fā)態(tài)恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)，

特征：波長(zhǎng)短，頻率高。穿透密度很大的物質(zhì)。紫外線(UV)：波長(zhǎng)0.0045—0.40

m，生成：原子和分子內(nèi)部電子狀態(tài)改變，

特征：頻率高，各種物質(zhì)對(duì)短的紫外線波有強(qiáng)烈的吸收。

UVA：0.32—0.40

m，對(duì)大多數(shù)人沒(méi)有大危害

UVB：0.29—0.32m，對(duì)生物引起太陽(yáng)輻射傷害

UVC：0.25—0.29

m，對(duì)多數(shù)生命產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p害可見(jiàn)光(VIS)：波長(zhǎng)0.40

—0.76

m，生成：原子內(nèi)部電子狀態(tài)改變，特征：對(duì)人眼網(wǎng)膜施以特殊刺激引起視覺(jué)。紅外線(IR)：波長(zhǎng)0.76

—1000

m，生成：分子、原子的振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，

特征：也稱熱輻射或溫度輻射。分近、中、遠(yuǎn)紅外譜段。微波(MW)：波長(zhǎng)：1

—300mm，生成：物質(zhì)內(nèi)部分子轉(zhuǎn)動(dòng)無(wú)線電波：波長(zhǎng)大于300mm。電磁波譜各譜段劃分常沒(méi)有嚴(yán)格的界限，在兩譜段之間的邊界是漸變的。某些文獻(xiàn)劃分略不同。2、電磁波各參數(shù)關(guān)系和使用單位1)電磁波譜常以波長(zhǎng)、頻率表示。真空中存在關(guān)系

：

波長(zhǎng)；頻率f；光速c=3108m/s。若在介質(zhì)中傳播波在介質(zhì)中速度v；波在介質(zhì)中波長(zhǎng)n=/n；介質(zhì)折射指數(shù)n紅外波段還采用波數(shù)表示，單位長(zhǎng)度內(nèi)包含波的數(shù)目

波數(shù)，單位cm-1（1厘米長(zhǎng)度內(nèi)含有波的數(shù)目）2)單位：1m=10千兆2cm=103mm=106m=109nm

1GHz

=103MHz=106KHz=109Hz

紅外波段：頻率高無(wú)法測(cè)量；波長(zhǎng)準(zhǔn)確率達(dá)10-5-10-7m，適用波數(shù)3、電磁波的量子特性按量子觀點(diǎn)，電磁輻射可以看作是一粒一粒以光速c運(yùn)動(dòng)的粒子流，這些粒子稱為光量子。每一光量子具有的能量為

E能量，h普朗克常數(shù)。電磁輻射看成是粒子，就一定有質(zhì)量m和動(dòng)量p。

電磁輻射既有波動(dòng)特性，也有粒子特性。波長(zhǎng)較長(zhǎng)的可見(jiàn)、紅外光波動(dòng)性表現(xiàn)明顯；波長(zhǎng)較短的γ、X射線，其粒子性表現(xiàn)明顯。二、輻射基本量各種輻射量：符號(hào)、單位符號(hào)輻射量單位Q輻射能(Energy)焦耳（J）Ф輻射通量(Flux)焦耳·秒-1（J·s-1,

W）F輻射通量密度

(FluxDensity)

輻照度

出射度焦耳·秒-1·米-2（W·m-2）

I輻射強(qiáng)度(Intensity)焦耳·秒-1·球面度-1（W·sr-1）

L輻射率/輻亮度(Radiance)焦耳·秒-1·米-2·球面度-1（W·m-2·sr-1）

輻射能Q(Energy):

焦耳（J）電磁波輻射所攜帶的能量，或物體發(fā)射輻射的全部能量。輻射通量Ф(Flux)：焦耳·秒-1，瓦(J·s-1,W)單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某一表面的輻射能。

表示輻射能傳遞的速率。如果輻射能隨時(shí)間而變：或輻射通量密度F(FluxDensity)：焦耳·秒-1·米-2（W·m-2）通過(guò)單位面積的輻射通量或

對(duì)于一個(gè)被照射的表面或發(fā)射的表面，如下定義：輻照度E（Irradiance)：投射到一表面上的輻射通量密度出射度M（Exitance)：輻射體表面發(fā)射出的輻射通量密度或輻射強(qiáng)度(Intensity)焦耳·秒-1·球面度-1（W·sr-1）點(diǎn)輻射源在某一方向上單位立體角內(nèi)的輻射通量

如果點(diǎn)源各向同性，則輻射強(qiáng)度立體角分析輻射場(chǎng)常常要考慮單位立體角(solidangle)內(nèi)的輻射能量。立體角定義：錐體所攔截的球面積σ與半徑r的平方之比單位：球面度(sr)輻射率/輻亮度(Radiance)焦耳·秒-1·米-2·球面度-1（W·m-2·sr-1）面輻射源在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直面元法線方向上單位面積、單位立體角的輻射能輻射傳輸方向與法線方向不一致，夾角θ其中立體角是位置、方向、時(shí)間的函數(shù)dAdωsndAˊ如果面源的輻亮度與方向無(wú)關(guān)，則稱各向同性，這樣的源稱朗伯源

若面源很小——點(diǎn)源，方向的輻射強(qiáng)度:

若考慮整個(gè)空間，得平均輻射率：輻射是方位對(duì)稱：I0cosθθI0L(θ)θ由于

輻射通量密度F與輻亮度L關(guān)系：對(duì)面元的單面立體角(半球空間)進(jìn)行積分，單面輻射通量密度：如果L

與θ、φ無(wú)關(guān)，在各向同性情況下：假設(shè)球面中心O，通過(guò)該點(diǎn)的直線與離該點(diǎn)r距離處的任意球面相交。極坐標(biāo)中，微分面元：∴

微分立體角元：θ

:天頂角；φ

:方位角一、輻射體和輻射平衡黑體：指在任何溫度、對(duì)任意方向和任意波長(zhǎng)，吸收率/發(fā)射率都等于1的物體。a(λ)≡1灰體：指其吸收率與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，且為小于1的常數(shù)的物體

a(λ)=C1選擇性輻射體：指其吸收率(或發(fā)射率)隨波長(zhǎng)而變的物體。

aa(λ)

輻射平衡：物體在某一溫度從外界得到的輻射能量正好等于本身熱輻射失去的能量，物體溫度保持不變的輻射過(guò)程。

第二節(jié)輻射基本定律發(fā)射率,比輻射率,ε(Emissivity）：指自然物體的出射度M與同一溫度下“理想物體（黑體）”的出射度M的比值。

ε=M/Mε[0,1]之間由于輻射體發(fā)射的輻射隨波長(zhǎng)而變，所以發(fā)射率也是波長(zhǎng)的函數(shù)，寫為ε()。對(duì)于1~2波長(zhǎng)間隔的發(fā)射率為

εn：輻射表面法線方向的發(fā)射率

ε：與輻射表面法線成角的小立體角內(nèi)的發(fā)射率(定向發(fā)射率)

▲“理想物體（黑體）”的輻射通量密度（出射度）可用普朗克定律表示

h是普朗克常數(shù)=6.626210-27爾格/秒；k是波爾茲曼常數(shù)=1.380610-16爾格/度；c是光速。若用c1=2πc2h,c2=hc/k,上式可寫為

（wcm-2m-1）二、輻射基本定律——普朗克定律分譜輻射通量密度▲普朗克輻亮度公式（wcm-2m-1sr-1）分譜輻亮度普朗克函數(shù)給出輻射強(qiáng)度隨波長(zhǎng)和溫度的變化特征。

利用波長(zhǎng)、頻率和波數(shù)之間的關(guān)系，普朗克輻亮度也可表示為普朗克定律（wcm-2m-1sr-1）（wcm-2Hz-1sr-1）（wcm-2cmsr-1）記ελ是物體的比輻射率或發(fā)射率，

aλ是物體的吸收率。

在物體所處的熱力平衡系統(tǒng)中，有

ελ=aλ意義:1、一物體在一定溫度下發(fā)射某一波長(zhǎng)的輻射，則該物體在同一溫度下吸收這種波長(zhǎng)的輻射。2、一個(gè)良好的吸收體，在同一溫度下、相同波長(zhǎng)處，也一定是一個(gè)良好的發(fā)射體；反之亦然。基爾霍夫定律令B（T）/=0得

(μm·K)

λmax

:光譜輻射峰值波長(zhǎng)，表示B(T)=max時(shí)的波長(zhǎng)。通過(guò)測(cè)量最大單色輻射強(qiáng)度來(lái)確定黑體的溫度。2.注意λmax與T呈反比。維恩位移定律λmaxT=2897.885

010203040

波長(zhǎng)（m）黑體輻亮度與波長(zhǎng)的關(guān)系1086420

輻亮度(Wm-2m-1sr-1)300K250K200K

定義全譜輻亮度：常數(shù)b

=24k4/(15c2h3)黑體輻射是各向同性的，因此黑體發(fā)射的通量密度為

F=B(T)=T4式中=5.6710-8瓦米-2度-4（斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)）。即，黑體表面發(fā)射的通量密度與T4成正比。斯蒂芬-波爾茲曼定律=bT4由普朗克定律可看出：溫度越高，黑體的全輻射能力越大；溫度愈高，最大單色(或分譜)輻射能力所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)愈?。惶?yáng)近似于6000K的黑體，最大輻射波長(zhǎng)為0.474m，在0.15—4m的范圍，輻射能占太陽(yáng)全部輻射能量當(dāng)99%；地球近似于300K的黑體，最大輻射波長(zhǎng)為10m，在3—80m的范圍，輻射能占地球全部輻射能量當(dāng)99%；對(duì)流層頂近似于200K的黑體，最大輻射波長(zhǎng)為14.5m，在4—120m的范圍，輻射能占對(duì)流層頂全部輻射能量當(dāng)99%。輻射公式間的關(guān)系普朗克輻射公式黑體輻射的經(jīng)典理論遇到困難

維恩公式：1896年維恩假定輻射能量按波長(zhǎng)的分布類似于麥克斯韋的分子速率分布，導(dǎo)出如下的公式：

只在波長(zhǎng)較短、溫度較低時(shí)才與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，在長(zhǎng)波區(qū)與實(shí)驗(yàn)曲線相差較大。

瑞利—金斯公式：瑞利于1900年，以及金斯在1905年在做出能量按自由度均分的假定后導(dǎo)出如下公式：

式中，k=1.380658×10－23JK－1

，為玻耳茲曼常數(shù)。

該公式在波長(zhǎng)很長(zhǎng)、溫度較高時(shí)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。但在短波段偏離非常大。

普朗克的能量子概念

1900年德國(guó)物理學(xué)家普朗克給出了黑體輻射的正確表達(dá)式。用內(nèi)插法將維恩公式與瑞利—金斯公式銜接起來(lái)普朗克的假設(shè)沖擊了物理學(xué)的傳統(tǒng)觀念，從而開(kāi)創(chuàng)了物理學(xué)的新領(lǐng)域——量子理論。普朗克假設(shè)：

黑體是由極多的帶電諧振子組成；諧振子處于熱平衡狀態(tài)，每個(gè)振子具有一個(gè)固有的諧振頻率ν，可以發(fā)出與吸收相同頻率的電磁波；每個(gè)諧振子只能吸收或發(fā)射不連續(xù)的一份一份的能量，這個(gè)能量是一個(gè)最小能量ε的整數(shù)倍；最小能量即稱為能量子。對(duì)于頻率為ν的諧振子，相應(yīng)能量子的能量為：式中：h=6.6260755×10－34J·s稱為普朗克常數(shù)。

前面幾條定律涉及黑體發(fā)射的輻射強(qiáng)度，輻射強(qiáng)度的大小與發(fā)射波長(zhǎng)和物體的溫度有關(guān)。通常，物體吸收和發(fā)射之間沒(méi)有確定的關(guān)系。但在熱力平衡條件下，物體可以吸收特定波長(zhǎng)的輻射，同時(shí)也能發(fā)射同樣波長(zhǎng)的輻射，發(fā)射率是溫度和波長(zhǎng)的函數(shù)，即物體發(fā)射的輻射就等于吸收的輻射能。否則物體就要被加熱或冷卻，這就違背了熱力平衡的假設(shè)。因而在熱力平衡條件下，若L是入射的分譜輻射率，則發(fā)射的輻射率為：

J=ελBλ（T）=aλL式中J是物體發(fā)射的輻射率，ελ是物體的比輻射率或發(fā)射率（定義為發(fā)射強(qiáng)度與普朗克函數(shù)之比），Bλ（T）是黑體普朗克輻射，aλ是物體的吸收率（定義為吸收強(qiáng)度與普朗克函數(shù)之比），L是入射到物體的輻射率。如果輻射源與該物體一起處于熱力平衡中，則

Bλ（T）=

L基爾霍夫定律理解

所以有

ελ=aλ

吸收率為aλ的物體只吸收aλ倍的黑體輻射強(qiáng)度B（T），同時(shí)它發(fā)射出ελ倍的黑體輻射強(qiáng)度。對(duì)黑體而言，吸收和發(fā)射均為最大，對(duì)所有波長(zhǎng)有

aλ=ελ=1

灰體的特征是不能全部吸收和發(fā)射，有

aλ=ελ1

不難看出基爾霍夫定律表達(dá)了兩方面的內(nèi)容：

1、它將物體的吸收與發(fā)射聯(lián)系起來(lái)了，一物體在一定溫度下發(fā)射某一波長(zhǎng)的輻射，則該一物體在同一溫度下吸收這種波長(zhǎng)的輻射。

2、將各種物體的輻射與黑體輻射聯(lián)系起來(lái)了，一個(gè)良好的吸收體，也一定是一個(gè)良好的發(fā)射體，反之亦然。三.輻射體的溫度從黑體輻射定律知道，物體的輻射量都與溫度有關(guān)。對(duì)于一定的溫度，就有一定的輻射光譜分布；反過(guò)來(lái)，對(duì)于一定的輻射光譜分布，可以求取物體的溫度。但是，實(shí)際物體并非都是黑體，須考慮比輻射率的影響，為方便討論，定義幾種不同的溫度。有效溫度（Te）:溫度為T的物體的出射度為M(T)

，設(shè)M(T)為溫度為Te的黑體發(fā)出的，即M(Te)=M(T)，則黑體的溫度Te稱為該物體的有效溫度。根據(jù)斯蒂芬-波爾茲曼定律得：

Te

=[M(T)/]1/4由于物體的比輻射率小于1，所以

T

Te有效溫度（Te），也稱為等效黑體溫度。

色溫度（Tc）:

如果物體的輻射光譜分布與溫度為Tc的黑體的輻射光譜分布相同,則稱Tc為該物體的色溫度。

亮度溫度（Tb）:

在給定波長(zhǎng)處，如果物體的輻射亮度L（T）與溫度為Tb的黑體輻射亮度相等，即Lλ（T）=Bλ（Tb），則稱Tb為該物體的亮度溫度。根據(jù)普朗克公式

亮度溫度（Tb）又稱黑體溫度或輻射溫度。由于Bλ(T)Lλ(T)=Bλ(Tb)，所以TbT?？傻昧炼葴囟容椛渎蔐λ通過(guò)有吸收、無(wú)散射、厚度為dl的介質(zhì)，輻射改變量-dLλ

dLλ=

-kλ

Lλ

dlkλ是分譜質(zhì)量吸收系數(shù)(cm2g-1)，是給定介質(zhì)熱力狀態(tài)的函數(shù)。

λ(l)

=kλ(l)

(l)是體積吸收系數(shù)(cm-1),是吸收氣體密度(gcm-3)。對(duì)上式沿0—l積分得L0是輻射進(jìn)入介質(zhì)時(shí)的分譜輻射率。這就是比爾吸收定律。稱為光學(xué)厚度，稱做光學(xué)路徑或光程。對(duì)于均勻介質(zhì),

kλ

、與l無(wú)關(guān)四.輻射傳輸——比爾吸收定律在僅考慮吸收的情況下，分譜透過(guò)輻射Lλ與分譜入射輻射LλO之比稱為輻射通過(guò)介質(zhì)0l（厚度為l-0

）的分譜輻射透過(guò)率分譜輻射吸收率為如果介質(zhì)是均勻的，則分譜質(zhì)量吸收系數(shù)為在實(shí)際中，如果和k隨波長(zhǎng)變化很快，則需要考慮使用有限波長(zhǎng)間隔的平均透過(guò)率：透過(guò)率五.大氣、地面對(duì)輻射的散射和反射

1、大氣散射輻射在大氣中傳輸時(shí)，與分子、塵粒、霧滴和雨滴等粒