第三章：太阳辐射在大气中的吸收和散射2.ppt

1,第二节大气吸收,吸收截面，吸收系数太阳辐射短波辐射：0.154.0mm(UV,VIS,IR)地气辐射长波辐射：4.0120mm(IR)3.2.1紫外吸收带3.2.2可见光和红外吸收带3.2.3微波吸收3.2.4窗区吸收,2,短波辐射在大气中的传输,短波辐射指波长在0.2mm到4.0mm的辐射，其主要的源是太阳，因此也称为太阳辐射，包括UV、VIS和IR辐射。在这一波长范围，大气自身的热辐射相对较弱，常常可以不加考虑，仅在近红外波段，才需要给予考虑。但本波段所涉及电磁波的波长与大气气溶胶的尺度相近，因此气溶胶的散射和吸收需要进行仔细的计算。,3,3.2.1紫外吸收带,对太阳辐射的吸收起主要作用的有O2、O3、N2、CO2、H2O以及原子O和N大部分紫外辐射在高层大气中被集中于平流层的O3分子吸收1）Hartley带：最强的吸收带，位于0.22-0.30mm，吸收中心在0.255mm。2）Huggins带：0.30-0.34mm。3）Chappuis带（夏普伊）：0.44-0.74mm,4,5,SOLARSPECTRUM,6,7,8,9,臭氧吸收系数,10,大气质量,在上面公式计算中都要用到大气质量这个参数。按定义，大气质量是倾斜路径的光学厚度与垂直路径光学厚度之比,11,在均质平面平行大气中，简单地有dl=secqdz，且secq为常数，可移至积分号以外，因此大气质量即为secq而与kl(z)无关。但在又折射、密度随高度变化的球面分层大气中，大气质量m的计算就要复杂得多。（与地面大气密度，均质大气高度。地球半径，折射率随z的变化，天顶角有关）,12,13,从图中可以看到，对同样厚度的一层大气，由于它离地面的高度不同，dl与dz的比值是不相同的。现在再考虑公式中的积分值。由于kl(z)随高度有不同的分布，当kl值在低层较大，而那里的dl值也较大，这样分子上的积分值就会较大，反之，如果kl的大值出现在高层，那里dl的值相对较小，其结果是分子上的积分值相对较小。,14,因此对二种具有不同垂直分布特征的吸收气体，即使对垂直路径而言，吸收的光学厚度是相同的，但对吸收气体主要分布在高空的气体其大气质量会小于主要集中在低层的吸收气体。实际大气中臭氧和水汽分布就具有上述特征，因此它们的大气质量要分别计算。而对其它均匀混合的气体，其大气质量的计算可用同一个表达式，这是根据标准大气的模型推算出来的。,15,对臭氧和水汽吸收，根据这些气体在大气中分布的平均状况，可以分别得到计算各自大气质量的经验公式。对臭氧对水汽,16,上面二式中q为太阳天顶角，z3为臭氧分布的峰值高度，一般为22km，re=6371km，为地球半径。,17,太阳直接辐射光谱,18,3.2.2可见光区和近红外区的吸收,H2O的吸收是最重要的，其次就是CO2和O3，以及CH4、N2O、CFCs等大气痕量气体。H2O主要集中在大气下层，吸收作用主要在对流层，特别是对流层下层。近红外区的最重要吸收成分是水汽。主要的吸收带位于：0.94mm，1.1mm，1.38mm和1.87mm。另外在中、远红外分别有2.7mm和6.3mm的强吸收带。,19,水汽的吸收系数,20,21,图中影区代表大气中各种微量气体对太阳辐射通量的吸收。分子氧吸收紫外辐射的同时，在红区有两个弱吸收带，0.762mm的O2吸收带特别出名。O3在9.6mm处也较强吸收带。CO2的混合比在大气中几乎是均匀的，所以，在水汽含量极少的平流层中，CO2的吸收最主要。在红外区CO2有两个强吸收带分别位于15mm和4.3mm处。,22,除了上述重要的吸收气体成分外，尚有一些微量气体在红外区也有若干吸收带。由于他们含量微少，吸收作用不十分显著。参看大气辐射学，刘长盛刘文保编著，南大出版，1990。第73页的fig.2.5,23,3.2.3微波吸收,大气对微波辐射吸收的主要气体成分是O2分子和H2O分分子转动能级跃迁产生，谱带结构比分子红外振转带简单得多。微波吸收线型函数一般取修正的Lorentz型。大气微波辐射量很少，因此在能量传输中并不重要，但在遥感应用方面却十分重要，微波辐射在云中传输时衰减小，可穿透云，优于红外遥感。虽然微波辐射能量微弱，但利用电子技术检测微波辐射却容易做到。,24,微波吸收,O2：5mm(60GHz)H2O：1.64(183.31GHz)和13.5mm(22.24GHz),25,3.2.4窗区吸收,大气窗区：从大气吸收光谱可以看到，在较强吸收带之间，有着一些吸收很弱的谱区域，称为大气窗区。即大气透过率高的光谱区。对于遥感和大气能量收支研究而言，窗区和带区同等重要。窗区的吸收主要有两部分：1）由于远处强吸收带区内吸收线的线翼连续吸收作用；2）由于窗区内弱吸收线作用。吸收弱测量困难,26,大气窗口：电磁波在大气中传输过程中吸收和散射很小，透射率很高的波段,遥感常用的大气窗口有：,0.3-1.3m,1.5-1.8m,2.0-2.6m,3.5-5.5m,8-14m,0.8-25cm,大气窗口,要想较好地获得地面的信息，必须在大气窗口中选择遥感波段。,27,窗区吸收,28,窗区吸收,主要的大气窗口光谱段有：0.3-1.3m，即紫外、可见光、近红外波段。这一波段是摄影成像的最佳波段，也是许多卫星传感器扫描成像的常用波段。比如，Landsat卫星的TM的1-4波段，SPOT卫星的HRV波段等。1.5-1.8m，2.0-3.5m，即近、短波、中红外波段，在白天日照条件好的时候扫描成像常用这些波段，比如TM的5、7波段等用以探测植物含水量以及云、雪或用于地质制图等。,29,3.5-5.5m，即中红外波段，物体的热辐射较强。这一区间除了地面物体反射光谱反射太阳辐射外，地面物体也有自身的发射能量。如NOAA卫星的AVHRR传感器用3.55-3.93m探测海面温度，获得昼夜云图。8-14m，即远红外波段。主要来自物体热辐射的能量，