大气物理学：第五章_3节_大气与辐射相互作用规律(2)

1、1,第五章,大气辐射学,2,大气与辐射 相互作用规律,第三节,3,主要内容,气体吸收、发射辐射的规律,大气散射辐射的规律,辐射传输方程,确定由于介质的吸收、发射和散射引起辐射能变化的方程式称为辐射传输方程。,大气吸收光谱,4,三、气体散射辐射的规律,1、散射定义: 电磁辐射在介质中传播时,传播方向会改变,使原传输方向的辐射能衰减，辐射能量在三维空间重新分布。,多次散射,一次散射,5,由电磁波理论解释： 电磁波在介质中传播，激起介质中的电子做受迫振动，从而发射次生电磁波。它所发射的散射光频率等于入射光频率。此为弹性散射.,一次散射: 入射光在粒子上的散射. 多次散射:散射光在粒子上的二次或多次散

2、射. 一次散射比多次散射能量要大得多.,6,2、散射的分类（按尺度数）：,Rayleigh 散射 （1871年，英国物理 学家 Rayleigh 提出的散射理论，揭示天空的颜色） Mie 散射 (1908年，德国物理 学家 Mie 给出了均匀球状粒子散射问题的精确解) 几何光学散射,第一、三种散射是 Mie 散射的特殊情况,7,8,3、衡量散射大小和方向的物理量,角散射截面 (散射函数) 散射截面 散射相函数 散射效率因子 单次散射反照率 对称度因子 容积散射系数（体积散射系数）,对比吸收截面, 体积吸收系数,9,吸收截面 :粒子吸收的辐射通量 与入射辐射 通量密度E之比。 (单位: ),体积

3、吸收系数:单位容积中粒子吸收的总辐射通量与入射辐射通量密度之比.,(单位: ),(N:单位容积中的分子数),10,散射截面,定义：粒子的总散 射辐射通量与入射 辐射通量密度之比。,对应概念：吸收截面 、消光截面 。,(单位: ),11,散射效率因子,定义：粒子散射截面与粒子几何截面之比。 或：粒子向空间散射掉的总能量与照射到粒子上的能量之比。,定义：当单位光强入射时，粒子向空间散射掉的总能量。,12,体积散射系数,单位容积中粒子在整个空间散射的总辐射通量与入射辐射通量密度之比. 通常假设粒子之间的散射是独立的, 则单位容积中粒子散射的总能量等于各粒子散射的能量之和.,13,容积散射系数:,单分

4、散系中的计算：,单分散系: 粒子尺度均匀。数密度N,多分散系中的计算：,多分散系: 粒子尺度不均匀。谱密度 n(r),14,4、 Rayleigh 散射,比如空气分子对可见光的散射,15,散射光强度与波长的四次方成反比，因此由于分子散射导致的短波辐射衰减特别强。 天空是蓝色的？ 日出日落时的太阳是红色的？ b. 散射光强度和粒子体积的平方成正比。 c. 当=0 和=180 时，散射光强度最大。即前向和后向散射辐射最强，且二者数值相等。 d. 当=90 和=270 时，散射光强度最小。即垂直于入射辐射方向的平面内的散射最弱，只有前、后向散射的一半。,16,极坐标系. 曲线矢径的长度与此方向散射光

5、强度成正比,17,总散射截面,分子的总散射辐射通量与入射辐射通量密度之比。,（16.2.13）式,空气分子折射率 ,约等于.0003,18,容积散射系数,定义: 单位容积中分子在整个空间散射的总辐射通量与入射辐射通量密度之比.,假设分子间的散射是独立的,气体是均匀分散系,N: 洛希米德数,单位体积中的分子数. 标准状况下,19,假设分子是紧密排列的，有,空气分子对可见光的体积散射, 和波长的4次方成反比.,(5.3.13)式,(5.3.12)式,20,单位容积中分子在整个空间散射的总辐射通量与入射辐射通量密度之比.,对红光,对蓝光,对红外,21,大气分子对可见光、地球辐射的散射都属于Rayle

6、igh散射，但对后者的散射太小了，可以忽略不记波长增加10倍，散射缩小104倍。,容积散射系数的常用单位：,天空是蓝色的？ 日出日落时的太阳是红色的？,22,23,散射效率因子,对Rayleigh散射,定义：粒子向空间散射掉的总能量与照射到粒子上的能量之比。,24,粒子尺度与入射波长相近时 0.150,尺度参数:,大气分子对可见光、红外辐射 ,某些气溶胶粒子对可见光、某些红外 辐射 ,5、 Mie 散射,25,26,球形水滴的 Mie 散射,极坐标下的角散射截面 或 散射相函数,27,图 5.10,散射效率因子: 粒子向空间散射掉的总能量与照射到粒子上的能量之比。,an、bn是Bessell 函数的复杂函数,28,随尺度参数值增大，前后向散射不对称越明显,前向散射迅速增大。 随尺度参数值增大，散射方向性图中出现许多极大值和极小值，尺度参数越大，极大值和极小值的数目也越多。 散射效率因子 在尺度数 时最大 ,说明粒子半径与波长相当时,粒子散射效率最高.