電磁波經(jīng)大氣分子的散射課件

遙感圖像分析AnalysisofRemoteSensing河南理工大學(xué)測繪學(xué)院遙感圖像分析AnalysisofRemoteSensiTerrestrialAtmosphereandAtmosphericTransmissionCharacteristic第五講地球大氣及其電磁波傳輸特性TerrestrialAtmosphereandAtm為什么要研究地球大氣及其對電磁波傳輸?shù)挠绊懀繛槭裁匆芯康厍虼髿饧捌鋵﹄姶挪▊鬏數(shù)挠绊?？一、地球大氣二、大氣傳輸特性三、大氣窗口主要?nèi)容重點重點一、地球大氣主要內(nèi)容重點重點1、地球大氣的組成

2、大氣層的結(jié)構(gòu)一、地球大氣1、地球大氣的組成一、地球大氣1、地球大氣的組成成分含量：分子和其它微粒。大氣成份主要有氮、氧、氬、二氧化碳、氦、甲烷、氧化氮、氫(不變成份)、臭氧、水蒸氣、液態(tài)和固態(tài)水(雨、霧、雪、冰等)、鹽粒、塵埃(可變成份)等組成。一、地球大氣不變成份：物質(zhì)在80公里以下的相對比例保持不變?？勺兂煞荩何镔|(zhì)的含量隨高度、濕度、位置的變化而變化。1、地球大氣的組成成分含量：分子和其它微粒。一、地球大氣不大氣厚度約為1000km，自下而上大致分為：對流層平流層電離層大氣外層一、地球大氣2、大氣層的結(jié)構(gòu)大氣厚度約為1000km，自下而上大致分為：一、地球大氣2、大氣垂直分層與遙感平臺的高度情況

太陽公里2500015001000400100805530251262300110氣象衛(wèi)星通訊衛(wèi)星36000公里資源衛(wèi)星氣象衛(wèi)星800~900公里電離層偵察衛(wèi)星航天飛機150~200公里電離層電離層氣球O3層飛機、氣球飛機、氣球飛機5~10℃-55~-75℃70~100℃600~800℃-55℃-55℃230℃2.7×1025分子/厘米38.6×1024分子/厘米31.8×1024分子/厘米34×1022分子/厘米34×1023分子/厘米31021分子/厘米31.3×1020分子/厘米31010分子/厘米31011電子/厘米3109電子/厘米3H+He++FDC外大氣層質(zhì)子層氦層電離層平流層對流層冷層暖層同溫層上層中層下層E大氣垂直分層與遙感平臺的高度情況太陽公里250001500對流層對流層是空氣作垂直運動而形成對流的一層，由于熱量的傳遞產(chǎn)生許多天氣現(xiàn)象。高度：0～12km。每升高1km，氣溫下降6℃

。不變成分：氮78.09%，氧20.95%，其它1%?？勺兂煞郑撼粞踺^少、水蒸氣不固定，液態(tài)和固態(tài)水隨氣象變化，近海面或鹽湖上空含有鹽粒，城市上空和干旱無植被復(fù)蓋的地區(qū)上空有塵煙微粒。電磁波的傳輸特性主要在對流層內(nèi)研究。一、地球大氣對流層對流層是空氣作垂直運動而形成對流的一層，由于熱量的傳遞平流層沒有明顯對流，是幾乎沒有天氣現(xiàn)象的一層，電磁波的傳輸與對流層傳輸特征類似。高度：12～80km，分為同溫層，暖層，冷層。同溫層：12～25km，-55℃暖層：25～55km，25～30km有O3

層，70～100℃冷層：55～80km，-55～-75℃一、地球大氣平流層平流層沒有明顯對流，是幾乎沒有天氣現(xiàn)象的一層，電磁波的傳輸與高度：80～1000km。頂部溫度600～

800℃?？諝庀”?，高空氣體分子（O2、N2）受太陽紫外輻射的照射而電離成離子和自由電子狀態(tài)，電子密度隨高度而不同，從最低的D層開始到E、F層，形成三個電離層。主要作用是反射地面發(fā)射的無線電波。遙感所用波段都比無線電波波長要短的多，因此可以穿過電離層，輻射強度不受任何影響。一、地球大氣電離層高度：80～1000km。頂部溫度600～800℃。一、地高度：1000Km以上。1000～2500km是氦離子層。2500～25000km是氫離子，即質(zhì)子層?？諝庀”?，已不是遙感關(guān)注的區(qū)間。一、地球大氣外大氣層高度：1000Km以上。一、地球大氣外大氣層大氣傳播特性:大氣對電磁波傳輸?shù)乃p特性。大氣對電磁波傳輸過程的影響包括：

散射(scattering)

吸收(absorption)

折射(refraction)

反射(reflection)

對遙感數(shù)據(jù)最主要的影響因素是散射和吸收。二、大氣傳輸特性大氣傳播特性:大氣對電磁波傳輸?shù)乃p特性。二、大氣傳輸特性1、大氣折射

電磁波穿過大氣層時，會產(chǎn)生傳播方向的改變，也就是會發(fā)生折射現(xiàn)象。二、大氣傳輸特性

太陽還沒升至地平線上，地面上已可以見到。

大氣折射

大氣密度越大，折射率越大；離地面高度越大，空氣越稀薄，折射率也越小。

電磁波在大氣中傳播的軌跡是一條曲線！1、大氣折射電磁波穿過大氣層時，會產(chǎn)生傳播方向的改變，也就主要發(fā)生在云層頂部，取決于云量和云霧，而且波段不同其影響不同，削弱了電磁波強度。

如果不是專門研究云層，盡量選擇無云的天氣接收遙感信號，使大氣的反射影響最小。二、大氣傳輸特性2、大氣反射主要發(fā)生在云層頂部，取決于云量和云霧，而且波段不同其影響不輻射傳播中，若碰到小粒子，如氣體中的塵埃、水滴等，使輻射向四面八方散去，電磁波的強度和方向發(fā)生各種變化，這種現(xiàn)象就是散射，散射的強度隨波長而改變。二、大氣傳輸特性3、大氣散射輻射傳播中，若碰到小粒子，如氣體中的塵埃、水滴等，使輻射向四

隨著波長和微粒半徑之間的關(guān)系變化，散射形式有三種：

瑞利散射米氏散射無選擇性散射二、大氣傳輸特性3、大氣散射隨著波長和微粒半徑之間的關(guān)系二、大氣傳輸特性3、大氣散由直徑d遠遠小于波長λ的微粒引起的散射。其散射能力與波長的關(guān)系：γ∝1/λ4

特點：1、波長愈短，散射能力愈強。2、前向散射與后向散射強度相同。二、大氣傳輸特性3、大氣散射-瑞利散射在晴天，天空為什么呈藍色？由直徑d遠遠小于波長λ的微粒引起的散射。二、大氣傳輸特性3由直徑d與波長λ相當(dāng)?shù)奈⒘Ｒ鸬纳⑸?。微粒：水滴、塵埃、花粉、氣溶膠、海上鹽粒。特點：1、較強的向前散射能力

2、散射強度受氣候影響大云、霧對紅外線的散射主要是米氏散射。二、大氣傳輸特性3、大氣散射-米氏散射由直徑d與波長λ相當(dāng)?shù)奈⒘Ｒ鸬纳⑸洹６?、大氣傳輸特?、大由直徑d比波長λ大得多的微粒引起的散射。特點：散射強度幾乎與波長無關(guān)，各波段基本一致。（非選擇性的散射）二、大氣傳輸特性3、大氣散射-無選擇性散射云、霧為什么呈白色？由直徑d比波長λ大得多的微粒引起的散射。二、大氣傳輸特性3、電磁波經(jīng)大氣分子的散射，一部分轉(zhuǎn)化為天空輻射（光），它與太陽輻射一起產(chǎn)生了對地面的照度，二者之間的比例隨太陽高度角而變化，太陽高度角為30°時，二者之比為80%：20%。天空輻射（光）天空輻射照度010020406080100400（%）806020（%）太陽輻射照度二、大氣傳輸特性電磁波經(jīng)大氣分子的散射，一部分轉(zhuǎn)化為天空輻射（光），它與太陽

改變太陽輻射的方向，削弱到達地面或地面向外的輻射。產(chǎn)生漫反射的天空光(或天空輻射)，增強地面的輻照和大氣層本身的亮度。

有時也能得到陰影下地物的部分影像信息。使暗色地物表現(xiàn)得更亮，使亮地物表現(xiàn)得要暗。

增加信號中的噪聲成分，影像偏色、反差降低。

盡量減少或消除天空光的影響，如加特制濾光片的方法。散射的影響二、大氣傳輸特性改變太陽輻射的方向，削弱到達地面或地面向外的輻射。散射的影大氣吸收是大氣分子接收電磁波輻射能量而轉(zhuǎn)換成大氣分子熱運動的一種形式。二、大氣傳輸特性4、大氣吸收大氣中的主要吸收體是：臭氧、二氧化碳、水蒸氣。大氣吸收是大氣分子接收電磁波輻射能量而轉(zhuǎn)換成大氣分子熱運動的1008060402000.40.72O23468141000CO2O3H2OH2OH2OH2OH2OCO2CO2O3CO2二、大氣傳輸特性4、大氣吸收1008060402000.40.72O2346814100定義：

電磁波輻射在大氣傳輸中透過率比較高的波段。

三、大氣窗口1008060402000.40.723468141000透過率定義：三、大氣窗口1008060402000.40.7234目前，在RS成像中使用的大氣窗口為：（1）0.3-1.15μ微米：包括部分紫外光、全部可見光和部分近紅外光。其中：

0.3-0.4μm，透過率約為70%。0.4-0.7μm，透過率大于95%。0.7-1.1μm，透過率約為80%。（2）1.4-1.9μm：近紅外窗口，透過率在60%—95%之間，其中1.55-1.75μm透過率較高。（3）2.0-2.5μm：近紅外窗口，透過率為80%。（4）3.5-5.0μm：中紅外窗口，透過率為60%—70%。（5）8.0-14.0μm：熱紅外窗口，透過率為80%。（6）1.0-1.8mm：微波窗口，透過率約為35%—40%左右。（7）2.0-5.0mm：微波窗口，透過率在50%—70%之間。（8）8.0-1000mm：微波窗口，透過率為100%。三、大氣窗口目前，在RS成像中使用的大氣窗口為：三、大氣窗口討論：

進入傳感器的太陽輻射組成情況？LP主要的部分LS是地物直接反射的太陽輻射；LP是大氣的散射沒有到達地面就直接進入傳感器的部分（程輻射）；LD是漫入射輻射射入地面，又反射到大氣中，再進入傳感器的部分。