大气物理学：第五章_3节_大气与辐射相互作用规律(1)

1、1 第五章 2 1辐射的度量、辐射基本定律 2大气与辐射相互作用规律 3 太阳短波辐射在大气中的传输 4 地球大气系统的长波辐射在 大气中的传输 5 云和气溶胶对辐射传输的影响 6辐射平衡 (并非按章节排列) 晴空 辐射 内容内容 3 第三第三第三 节节节 4 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 5 一、气体吸收、发射辐射的规律 大多数固体和液体具有连续的辐射光谱，大多数固体和液体具有连续的辐射光谱， 吸收辐射能力强，只有吸收辐射能力强，只有表层表层参与参与辐射辐射交换；

2、交换； 辐射强度取决于物体的性质、温度、波长和表面状况。辐射强度取决于物体的性质、温度、波长和表面状况。 气体和蒸汽的辐射和吸收具有不连续的（选气体和蒸汽的辐射和吸收具有不连续的（选 择性）谱，其辐射具有择性）谱，其辐射具有体积辐射体积辐射特点。特点。 气体的辐射强度取决于气层的性质、温度、波长，以及气气体的辐射强度取决于气层的性质、温度、波长，以及气 层的厚度和压力。层的厚度和压力。 6 谱线的位置、强度？电磁辐射的产生机制？ 连续谱 气体放射谱 气体吸收谱 7 。 电磁波谱 150 8 1、电磁辐射的产生机制 电磁辐射的发射：受激粒子（原子、离子、分子） 通过以光子的形式释放多余的能量而松

3、弛到 低能级态。 激励源：粒子曝露于电流或热能下， 用电子或基本粒子轰击， 用一束电磁辐射照射。 原子发射：原子内电子轨道跃迁发射谱线。 分子发射：原子内电子轨道跃迁、分子内原 子振转状态的改变发射谱带。 9 1.1 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。 10 气体分子的能量： 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 高 频 低 频 1

4、.2 分子辐射 11 只有偶极矩发生变化的振动才能引起可观测的红 外吸收光谱, 该分子被称为红外活性 分子的振动可以分为改变键长的伸缩振动和改变键角 的弯曲振动。 而伸缩振动又分为对称伸缩振动和不对称伸缩振动， 弯曲振动又分为面内弯曲振动和面外弯曲振动。 m3 . 4 m15 振动（发射近红外和中红外辐射） 12 转动（发射远红外辐射） 二 氧 化 碳 分 子 振动与转动通常联系在一起，形成振-转连续谱带 水分子的振动更复杂 13 单原子分子和对称双原子分子（氦、氢、 氧、氮）对辐射吸收能力差 非对称双原子气体（一氧化碳、一氧化氮） 及多原子气体（水、二氧化碳、二氧化硫） 具有较强的辐射和吸收

5、能力 14 爱因斯坦公式：分子辐射出的频率为 f 的 辐射能 吸收线波长： 从理论上可以由能级间的能量差计算出 来，而且光谱线将无限窄 hEf/ roe EEEE E hc 2、谱线位置 （h:普朗克常数） (分子的能量变化) 15 3、谱线宽度 0 k吸收率=发射率 背 景 16 产生原因产生原因： 自然增宽 Heisenberg测不准原理 (如果粒子处于激发态能级上, 只有有限寿命，则该能级 的能量值有一不确定范围.能级跃迁值就有一个范围) 压力增宽 碰撞增宽 （ 组成气体的分子、原子或离子处于不断地无规则运动 状态之中，互相之间会发生碰撞，每一次碰撞都会有一 定的几率使得处于激发态的原子

6、通过非辐射过程退到一 个低能态，结果导致吸收气体分子的能级改变，从而引 起谱线进一步增宽，称为碰撞增宽或压力增宽决定于分 子碰撞的频率，与气体压强成正比） 多普勒增宽 由于分子的随机运动产生 17 18 以某波数为中心的吸收曲线下的总面积 谱线强度与谱线线心位置、跃迁几率以 及高低能态的分子数有关. 热动平衡状态下分子数按能态的分布服 从 Maxwell-Boltzman 定律。 4、谱线强度s (线强) 19 自然增宽型 压力增宽Lorenz 型 Doppler 型 混合型Voigot 型 5、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。 20 0 k

7、21 5.1 自然增宽型和Lorenz 型 2 L 2 0 L vv S vk )( )( L 是定值 S 可由谱线汇编资料查到 22 5.2 Doppler 型 2 D 0 0 vv 2vkvk lnexp)()( kT2 m v c Svk 0 0 )( M T v105832 m kT2 c v 0 70 D .ln 23 5.3 Voigot 型 dt tXY eY vkvk 22 t 0 2 )( )()( 2S vk D 0 ln )( 2Y D L ln 2 vv X D 0 ln v kT2 m t 24 6、大气吸收率计算方法 -20-101020 谱线汇编资料（NASA）逐

8、线计算 很多气体的吸收谱线已经编成程序 -LOWTRAN 25 LOWTRAN (low resolution transmittance) 波数间隔: 5 MODTRAN: (moderate) HITRAN: (high) 1 cm AFGL (Air Force Geophysics Laboratory) 26 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: ) abab Nk 体积吸收系数体积吸收系数:单位容积中粒单位容积中粒 子吸收的总辐射通量与入射子吸收的总辐射通量与入射 辐射通量密度之比辐射通量密度之比. ab 2 m d Ed ab / Ed ab (

9、单位: ) 1 m (N:单位容积中的分子数单位容积中的分子数) 27 二、大气吸收光谱 吸收太阳短波辐射的主要气体：水、氧气、 臭氧，其次是二氧化碳。 吸收地球长波辐射的主要气体：水、二氧化 碳、臭氧。 其它吸收气体：一氧化二氮、一氧化碳、 甲烷、氧气。 痕量吸收气体：一氧化氮、二氧化硫、二氧化 氮、氨气、硝酸等。 LOWTRAN中已经编好各吸收带的吸收系数 按波段讨论 28 整层大气 的吸收谱 11km以上大 气的吸收谱 整层大气 中不同气 体成分的 吸收谱 29 紫外波段的主要吸收气体是：氧气、臭氧。 氧气和臭氧几乎能吸收掉0.29m以下的全部太阳紫外 辐射,地面基本观测不到该波段辐射. 平流层臭氧能吸收掉30%太阳紫外辐射(0.4m 以下为 紫外辐射)，全部太阳辐射能的2%。 可见光波段是大气窗(大气吸收较弱的波段)区， 吸收情况有待研究。8-12m也是大气窗 整层大气约吸收掉 20% 的太阳短波辐射。 吸收带能反应大气的特征；而透过大气窗能遥 感地面和云的特征。 30 按气