大气物理学：第四节 大气对太阳辐射的吸收和散射

1、大气对太阳辐射 的吸收和散射,第四节,1 大气对太阳辐射的吸收,吸收是指介质的分子被入射辐射激发，由低能级跃迁到高能级，两能级的差就是介质吸收的辐射能量值。,原子内电子的绕核运动和自旋（原子能量） 分子内各原子在平衡位置附近的振动 整个分子绕对称轴的转动 分子整体的热运动,高,低,气体分子的能量：,一种气体有其确定的各量子态能级，因而分子吸收和发射辐射对波长有选择性。,能量的变化是不连续的。由高能态跃迁到低能态时，减少的能量满足爱因斯坦公式,是分子辐射出的频率为f的辐射能，h是普朗克常数。,只有当hf与该气体由低能态跃迁到高能态时的两能态能量差值相等，才能被吸收。可见分子的吸收光谱和辐射光谱必

2、定是一致的。（基尔霍夫定律）,电磁波谱,转动光谱，波长较长， 较小；电子能级跃迁所对应的光谱在可见光和紫外区，电子能级跃迁的 大。,原子辐射 (发射紫外和可见光),每个原子可具有许多运动状态，每个运动态有确定的能量值，每个能量值称为能级。 原子能量从一个状态变到另一个状态，有能级跃迁。 能级间距的大小决定了发射或吸收谱线的位置. 所有可能的跃迁组成辐射谱带。,量子理论,振动（发射近红外和中红外辐射）,二氧化碳分子,转动（发射远红外辐射）,水汽分子,爱因斯坦公式： 吸收线中心波长： 从理论上可以由能级间的能量差计算出来，但主要通过实验测，用光栅光谱仪,谱线位置,谱线宽度,电子轨道、原子振动、分子

3、转动的每一种可能的组合，都对应于某一特定能级。 一定的能级跃迁、吸收或发出一定频率的辐射，对应于一条光谱线。,K吸收系数，波数,产生原因： 自然增宽 测不准原理 压力增宽 碰撞增宽 多普勒增宽 辐射源和观测接收装置之间有相对运动。,自然增宽型 压力增宽Lorenz 型 Doppler 型 混合型Voigot 型,谱线线型函数,线型函数是描述一条谱线的吸收系数随波数（或波长、频率）变化的函数。,自然增宽型和Lorenz 型,是定值,S 可由谱线汇编资料查到,Doppler 型,Voigot 型,分子的能级跃迁与吸收线中心波长和波数,能量差/eV 1-20 0.05-1 10-4-0.05 吸收线

4、中心波长 0.062-1.24m 1.24-24.8 m 24.8 m -12.4cm 吸收线中心波数 161290-8086.5 8064.5-403.2 403.2-0.8064,仅有电子能级跃迁，光谱波段：X射线、紫外、可见光 仅有振动能级跃迁，光谱波段：近红外 仅有转动能级跃迁，光谱波段：红外、微波 电子能级跃迁、分子的转动、振动跃迁常伴随发生，一个振动带内有多条谱线，使谱带非常复杂。,大气吸收率计算方法,谱线汇编资料（NASA）,逐线计算,很多气体的吸收谱线已经编成程序 -LOWTRAN,大气吸收光谱,大气中含量最多的是N2和O2，由于是对称的电荷分布，没有振动或转动谱，它们的吸收谱

5、由电子跃迁造成，因而位于紫外和可见光区。 吸收太阳短波辐射的主要气体：氧气、臭氧。 吸收太阳红外辐射的主要气体：水。（P77表）。 大气对太阳辐射的吸收有明显的选择性。吸收带都位于太阳辐射光谱两端能量较小区域。,大气中各种成分的吸收能力,理论上可用吸收系数k来定量确定. 但在红外波段,水汽及CO2等重要吸收物质的k随波长变化极大,吸收带是由许多谱线叠加而成. 往往在一个小测量波段内，就有许多条谱线，很难测准单一波长的吸收系数. 实际应用中,做一些合理假定,得出各种光谱对应的吸收率公式.,a,太阳和地球的黑体辐射,b 整层大气的吸收谱,c,11km以上大气吸收谱,d,整层大气中不同气体成分的吸收

6、谱,紫外波段的主要吸收气体是：氧气、臭氧。 平流层臭氧能吸收掉30%太阳紫外辐射，全部太阳辐射能的2%。氧气和臭氧几乎能吸收掉0.3m以下的全部太阳紫外辐射,地面基本观测不到该波段辐射. 大气窗区:8-12m的地球辐射. 大气窗:大气吸收较弱的波段。 整层大气约吸收掉 20% 的太阳短波辐射。,指数削弱规律(Beer 定律、布格-朗白定律）,实验表明：薄层吸收的辐射能 与入射辐射的能量F、薄层的厚度dl、以及吸收物质的密度成正比,自0-L积分，得,这是削弱规律的积分形式,令,则,称为光学厚度.定义:沿辐射传输路径,单位截面上所有吸收和散射物质产生的总削弱,是量纲一的量. k称为质量吸收系数 c

7、m2/g，意义是单位质量的吸收物质（一平方厘米气柱中）吸收原辐射能的份数。,光学厚度optical depth(thickness),光学质量optical mass,辐射束沿传输路径在单位截面气柱内所吸收或散射的气体质量u 一般光学厚度可以写成,订正因子,n与气体成分和波长有关，当P0=1000hPa,T0=300K,可取n=1/2. 如果k0,不随L而变，则,称为订正光学质量，简称光学质量,没有订正的光学质量,U的量纲M.L-2,指数削弱定律可写成:,辐射能量随光学质量u的增大而呈指数削减，故称指数削减规律或称比尔（Beer)定律或布格-朗白定律(Bouguer-Lambert)。,当=1

8、单位光学厚度时,辐射能削减为原值的1/e. 指数削弱规律是研究太阳直接辐射削弱的基础。,2 大气对太阳辐射的散射,散射:散射不发生能量交换.散射是指每一个散射分子或散射质点将入射辐射重新向各方辐射出去的一种现象. 大气向上射向太空的散射就是大气对太阳辐射的反射.天空任何角度射向地面观测者的散射就是蓝色的天空辐射.,Rayleigh 散射（1871年）,50(r)属于几何光学范围,非均匀介质中，次生电磁波波位相不规则。传播方向会改变,使原传输方向的辐射能衰减,发生散射. 散射质点大小对波长是有选择性的。 引进尺度=2r/, r为散射质点半径.,散射辐射(次生电磁波)波长与原始波相同,与原始波有固

9、定位相关系.,辐射波长 球形粒子半径 r,1) Rayleigh 散射,尺度数,0.1(r),尘埃质点(0.1m)对地球辐射(10m),按照Maxwell电磁理论在距离为r处的散射辐射通量密度F,入射辐射通量密度,某方向散射辐射通量密度,空气分子折射率,约等于.0003,n,r,观测地距分子的距离,N为单位体积中分子数,为入射辐射与散射辐射之间的夹角,称为散射角,a=(3/4N)*(n2-1)/(n2+2),当=0 和=180 时，F值最大。即前向和后向散射辐射最强，且二者数值相等。 当=90 和=270 时，F值最小。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。 散射辐射

10、通量密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？,对于0.4m的蓝光和0.7 m的红光来说,散射强度比值:F0.4/F0.7=(0.7/0.4)49.4 可见蓝光的散射比红光要强9倍以上,这就是天空呈现蓝色的原因.,日出日落时，由于太阳直接辐射经过很长的散射路程，兰色削弱很多，射不到观测位置，因而太阳呈红色。,散射产生蓝天,散射产生的壮丽的日落,散射截面,单个散射质点向整个空间的总散射辐射通量与入射辐射通量密度之比。,F,s单位是W,F,0单位是W/m2,因此s具有面积的量纲,称为散射截面.,散射截面表示一个粒子的散射能力,其值

11、代表入射辐射的能量由于一次散射在入射方向上移去的量，被移去的能量以散射元为中心向四面八方散射。,容积散射系数,对于群散射元而言，引用独立散射条件下总散射为个粒子散射之和的原理，若分子数密度为N，则其容积散射系数为,对空气而言，在标准状态下，N0=2.6831019/cm3,而且知道（n-1)与N成正比，所以正比于N，而N又与密度成正比，有,空气n1,代入a2中,0为标准状态下的空气密度。空气密度为， 0时的削弱系数和0，有,0为常数。,当表示单位容积的散射削弱系数时，则在单位面积的光柱中，经过dl后，平行辐射（太阳直接辐射）散射削弱为 dF = - Fdl, 经整层大气柱的散射后到达地面的太阳

12、直接辐射为,太阳自天顶垂直入射时，整层大气柱的瑞利散射光学厚度为,其中,K0,也是常数，在标准状态时，P=P0=1013.25 hPa, 将有关数值代入有,对于可见光中的绿色光=0.52m,则R,(0)=0.112。所以对于绿光，整层大气的垂直透射率为,这表明可见光的透明度是很大的.,或,标准状态下整层瑞利散射系数:,如果地面气压为P,则其垂直光学厚度R,为,有可能计算整层大气任何角度的光学厚度值，从而计算任何角度入射的太阳直接辐射。,大气中瑞利散射总是存在的。 大气分子对可见光、地球辐射的散射都属于瑞利散射，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。,太阳光经过Ra

13、yleigh 散射后，衰减10% 左右。,2) Mie 散射,对有很多分子组成的颗粒,在外电场的激发下,每个分子都形成一个偶极子,向外发射着子波,又因为粒子的尺度可与波长相比拟,入射波的位相在粒子中是不均匀的,造成了各子波在空间和时间上的位相差.当子波叠加形成散射波时,由于位相差造成子波的干涉.这种干涉取决于入射光的波长,粒子的大小,折射率和散射角.当粒子增大时,干涉作用也增大,使散射过程变得极为复杂.,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 ,尺度参数:,粒子尺度与入射波长相近时 0.150,1908年G.Mie给出了均匀球状粒子散射问题的精确解,其散射有方向性

14、,若入射辐射为自然光,则在距离米散射质点为r处的散射辐射能量密度为,这里F,0为入射辐射通量密度,S1()和S2()为两个复函数,是粒子折射率n,尺度数X和参数=nX的函数. 给出一个最简化的结果,容积削弱系数可近似表示为,r 为粒子半径,N是半径为r的粒子数目,Q()称为散射函数,单位立体角中所散射的光能量。(散射效率因子) 将散射函数对整个空间立体角(4)积分,即得散射截面s.它是一个等效的截面,表示粒子散射光的总能量等于数值为s的一块面积从入射光中截取的能量,因此它反映了粒子的散射本领.,对于水滴(云雾雨滴),Q()近似曲线形式如图5.10,P80,当增大时,Q值趋近于常数2,不再与波长

15、的4次方成反比.越大，近乎与波长无关 为什么云是白的.（各可见光同等散射）,Mie 理论适用于任意大小、介质均匀的球形粒子对各波段电磁波散射和吸收问题。,容积散射系数的特点：,粒子半径越大，散射系数越大，但又不完全这样。 对半径波长的大粒子，散射系数与波长无关。,相对大气质量（大气质量数）,太阳直接辐射经大气的散射、吸收削弱后到达地面.考虑单色直接辐射,根据比尔定律,S,m,S,m,()是太阳天顶角为时,整层大气的光学厚度.,晴空条件下,它是大气分子散射,大颗粒散射,水汽和臭氧等气体吸收的大气光学厚度之和.,以（0）表示角为零（太阳在天顶）时的整个大气光学厚度，引进无量纲量,m称为(相对)大气质量数,大气质量数 m,日光倾斜入射时与自天顶入射时的光学厚度之比。,dA,L,dL,对均匀混合气体，当,m()=sec(),WMO 建议用的计算公式（5.4.22）,当大气状态不变时， （0）就是常数， 是随时间而变的，则任一时刻大气的光学厚度 （ ）=m（0）,定义大气单色辐射透明度系数P为,地面收到的太阳积分辐射为,引进积分透明度系数P,考虑到,则,P是在所有波长范围内的平均积分透明度系数，它不仅决定于