大气辐射与遥感-第二章

1、授课人：授课人： 葛觐铭葛觐铭20152015春季春季第二章第二章 大气辐射基础知识大气辐射基础知识 2.1 电磁辐射电磁辐射的的性质性质 2.1.1 电磁波电磁波 2.1.2 立体角立体角 2.1.3 基本辐射量基本辐射量 2.1.4 散射和吸收的概念散射和吸收的概念 2.2 黑体辐射定律黑体辐射定律 2.2.1普朗克定律普朗克定律 2.2.2斯蒂芬斯蒂芬-玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律 2.2.3维恩位移律维恩位移律 2.2.4基尔霍夫定律基尔霍夫定律 2.3 大气顶的太阳辐射大气顶的太阳辐射 2.3.1太阳结构太阳结构 2.3.2地球绕日轨道与日分布地球绕日轨道与日分布 2.3.3太阳光谱与太

2、阳常数的测定太阳光谱与太阳常数的测定 2.1 电磁电磁辐射的辐射的性质性质电场电场磁场磁场变化水波：动能水波：动能 势能势能电磁波：运动的电场电磁波：运动的电场 磁场磁场横波2.1.1 电磁波电磁波电磁波的性质电磁波的性质电磁波频谱电磁波频谱射线X射线紫外线可见光红外线微波电视信号及无线电波大多数情况，电磁波段的划分是人为的，彼此之间并没有显著的物理差异！大多数情况，电磁波段的划分是人为的，彼此之间并没有显著的物理差异！射线和射线和X射线射线紫外线（紫外线（UV）UV-A占所有太阳紫外辐射的99%，大气对其透明，对生物体无害UV-B99%的UV-B会被平流层O3吸收，对组织和细胞DNA有害UV

3、-C几乎所有的UV-C会被中层大气和平流层上层大气吸收，会把氧气离解成为氧原子。可见光可见光红外波段红外波段近红外主要源于太阳辐射，约占太阳辐射的50%，有很多大气吸收带。热红外绝大部分的大气辐射能量交换和大气吸收带都在这个频段。远红外能量交换不再那么重要，但可以用于卷云的遥感探测。微波和无线电波微波和无线电波太阳辐射与地球辐射太阳辐射与地球辐射4m电磁波的频率分解电磁波的频率分解任意两个单独电磁波的传输都是完全独立的，他们或许会相交，甚至一起传输，但是一列波并不会影响到另一列波。这个原则被很好的应用到以正弦函数为基函数的傅立叶分解。因此，我们不仅仅可以把任意电磁波看作成有一系列不同角频率的正

4、弦函数组成的混合波，我们甚至可以追踪每种频率分量的传播。这一点对大气辐射传输意义重大：在计算、模拟电磁波和云、水汽、氧气、二氧化碳等相互作用的时候，我们一次仅考虑一个单一频率（波段），然后再把所有相关频率的结果求和。单色光与宽波段辐射单色光与宽波段辐射 单色光单色光（monochromatic radiation），单一频率（或波长）的光。不能产生色散。 宽波段辐射宽波段辐射（复合光，broadband radiation），由很宽的一个频率范围组成的混合光。 准单色光准单色光（quasi-monochromatic），严格的单色光是不存在的，当光波的频谱宽度与中心频率0之比远远小于1，称之为

5、准单色光，它很接近于单色光。电磁波的极化电磁波的极化电磁波包含两种矢量（电矢量和磁矢量）的振动，引起感光作用和生理作用的是其中的电矢量，故在讨论光的偏振中也只考虑电矢量。非极化自然光线性极化圆极化水平线偏振光水平线偏振光右旋圆偏振光右旋圆偏振光右旋椭圆偏振光右旋椭圆偏振光通常来说，大气中的自然光都是完全非极化的，但是当光波遇到粒子或者地表、水面时，有可能被部分或者完全极化。例如：平静的水面可以将反射的光波水平线性极化。电磁波的波粒二象性电磁波的波粒二象性光电效应：光电效应：金属中的自由电子在光的照射下，吸收光能而逸出金属表面。电磁波的能量电磁波的能量 我们研究大气辐射的中心问题是研究电磁能量的

6、传输！ 能量的表述有以下几种：辐照度辐出度辐射通量密度辐亮度能量 J功率 W （J s-1）通量密度 W m-2强度/亮度 W m-2 sr -1单色单色(monochromatic)与宽波段与宽波段(broadband)2.1.2 立体角立体角2.1.3 基本辐射量基本辐射量 - 12.1.3 基本辐射量基本辐射量 - 2符号符号辐射量辐射量量纲量纲单位单位E能量ML2T-2焦耳 (J)f通量ML2T-3焦耳秒-1瓦特 (Js-1, W)F通量密度辐照度辐出度MT-3焦耳秒-1米-2 (Wm-2)I辐亮度强度亮度MT-3焦耳秒-1米-2球面度-1 (Wm-2sr-1) 复习：复习：Flux

7、& Intensity 辐射通量（radiation flux）：指单位时间通过某一平面的辐射能（各种波长的电磁波传输的能量），也称为辐射功率。由某一发射面发出的总通量通常称为发光度（luminosity）。 辐射通量密度（radiation flux intensity）：单位面积的辐射通量称为辐射通量密度，也称为辐照度（irradiance）。当辐射通量密度是由一个发射面射出时，则此量称为辐出度（emittance）；当按波长表达时，它称为单色辐出度。（monochromatic emittance）。 辐亮度 (radiance)：在辐射传输方向上的单位立体角内，通过垂直于该方向

8、的单位面积、单位波长间隔的辐射功率。亦称为辐射率。2.1.4 散射和吸收散射和吸收 散射散射 (scattering) 是指光通过不均匀介质时一部分光偏离原方向传播的现象。 散射是这样一种物理过程，位于电磁波路径上的粒子通过这种过程从入射波中连续的提取能量，并将次能量向各方向重新辐射出去。因此，该粒子可以当作散射能量的点源点源。散射现象分类散射现象分类-1-1散射现象分类散射现象分类-2-2散射光波矢量和波长同时变化：散射光波矢量和波长同时变化：瑞利散射瑞利散射斯托克斯过程斯托克斯过程抗斯托克斯过程抗斯托克斯过程布里渊散射布里渊散射拉曼散射拉曼散射1928年拉曼在液体和气体中观察到散射光频率发

9、生改变的现象，成为拉曼散射拉曼散射。拉曼散射遵守如下规律：散射光中在原始入射谱线（频率为0）两侧对称地伴有频率为0i(i=1,2,3,)的一组谱线，长波一侧的谱线称红伴线或斯托克斯线斯托克斯线，短波一侧的谱线称紫伴线或反斯反斯托克斯线托克斯线，统称拉曼谱线拉曼谱线；频率差i与入射光频率0无关，仅由散射物质的性质决定。每种物质都有自己特有的拉曼谱线，常与物质的红外吸收谱相吻合。晶格振动分频率较高的光学支和频率较低的声学支，前者参与的散射是拉曼散射拉曼散射，后者参与的散射是布里渊散射布里渊散射。广义的拉曼散射。按习惯频移波数在501,000/厘米间为拉曼散射，在0.12/厘米间是布里渊散射。这种技

10、术可应用于大气水汽遥感！这种技术可应用于大气水汽遥感！散射现象分类散射现象分类-3-3 独立散射独立散射：当大气分子和微粒的间距分开的足够宽，以致每个粒子散射光的情况严格等同于其他粒子不存在使得情况时的散射，称之为独立散射。 单散射单散射：移除了入射光，在P点的粒子通过向各个方向的只散射了一次的单散射，也即仅对原始的入射光进行散射。 二次散射二次散射：一部分单散射的光到达在Q点的粒子上，在此再次发生向各个方向的散射成为二次散射。 多次散射多次散射：多于一次的散射都称为多次散射。多次散射对辐射能在大气中的传输是一个重要过程，尤其是在涉及到云和气溶胶时。消消 光光u 光吸收光吸收(absorpti

11、on)：当光通过材料时，光与材料中的原子（离子）、电子相互作用时即可发生光的吸收。u 消光消光(extinction)：散射和吸收两种作用从介质中传播的光束内移除能量，光束被衰减，称之为消光。截面的概念截面的概念 消光截面消光截面(cross section)：与粒子的几何面积类似，是一个假象区域（量纲L2），用来表示粒子从初始光束中所移除的能量大小。即单个粒子的消光能力。 消光界面的大小，取决于光的波长、粒子的介电常数，形状和大小等。 消光截面消光截面=散射截面散射截面+吸收截面吸收截面IIs 质量消光截面质量消光截面(mass extinction cross section)：当截面相对

12、单位质量而言时，它的单位是每单位质量的面积(cm2g-1)。 质量消光截面质量消光截面=质量散射截面质量散射截面+质量吸收截面质量吸收截面消光系数消光系数吸收率、反射率和透射率吸收率、反射率和透射率 当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三种现象，即吸收、反射和透射。：透射率：反射率：吸收率;R;11ARAQQQQQQQQQQrr 大多数的固体和液体： 不含颗粒的气体： 黑体： 镜体或白体： 透明体：镜反射与漫反射镜反射与漫反射课后作业课后作业吸收吸收(absorption)透过透过(transmission)反射反射(reflection)发射发射(emission) 2.2 黑体辐射定律黑

13、体辐射定律黑体的定义黑体的定义 黑体：是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的物体，是一种科学假想的物体，现实生活中是不存在的。但却可以人工制造出近似的人工黑体。黑体示意图黑体辐射定律黑体辐射定律 黑体辐射定律对了解吸收和发射过程而言是基础知识。 支配黑体辐射的四个基本定律： 普朗克（Planck）定律 斯蒂芬-玻尔兹曼（Stefan-Boltamann）定律 维恩（Wien）位移定律 基尔霍夫（Kirchhoff）定律2.2.1普朗克定律普朗克定律Wm-2m-1sr-1频率域频率域波长域波长域2.2.2斯蒂芬斯蒂芬-玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律 将物体视为绝对黑体而计算出的温度成为有效温度，有效温

14、度低于实际温度。 斯蒂芬玻耳兹曼定律是分析宽带红外辐射传输的基础。2.2.3维恩位移律维恩位移律瑞利瑞利-金斯近似金斯近似(Rayleigh-Jeans Approximation)发射率发射率1.1. 单色发射率单色发射率 ：主要在遥感应用方面（主要关心辐亮度）2.2. 宽波段发射率宽波段发射率 ：主要在能量传输计算方面（主要关心辐照度、通量）灰灰 体体2.2.4基尔霍夫定律基尔霍夫定律介质可以吸收特定波长的辐射，同时也能发射同样波长的辐射，发射速率是温度和波长的函数。这是热力平衡条件下介质的基本性质。我们考虑一个具有黑色器壁的完全绝热的封闭体。假定该系统达到热力学平衡态，具有均一的温度和各

15、向同性辐射。因为器壁是黑色的，所以它吸收了系统向他发射的辐射；又因为这时达到热力学平衡态，所以器壁也要发射出与它吸收的辐射相等量的辐射。由于黑体吸收尽可能多的辐射，所以它必须发射同样多的辐射。如果它发射的较多，则不可能达到平衡，这将违背热力学第二定律。在统计力学中，系统的宏观性质是相应的微观量的统计平均值。当系统处于热力学平衡热力学平衡时，系统内的每个分子仍在处于不停的运动中，系统的微观状态也在不断地发生变化，只是分子微观运动的某些统计平均值不随时间而改变。基尔霍夫定律不成立的情况：基尔霍夫定律不成立的情况：1.非常高的大气层处，因为那里的分子碰撞非常少。2.激光、荧光、气体放电管、LED等，

16、分子的平均电子能量被人为的抬升到一个能级，比分子热动力运动的温度高很多。因此，这些系统的发射率比黑体的发射率高很多，因此不遵从普朗克定律或者基尔霍夫定律。3.大气中的非局地热力平衡辐射现象有：闪电放电、极光。亮亮 温温)I (BT1BThe vertical weighting function describes the relative contribution that microwave radiation emitted by a layer in the atmosphere makes to the total intensity measured above the atmos

17、phere by the satellite.有了上述四个规律，黑体辐射的规律就全部确定了。对于非黑体，只要知道了它的温度与吸收率，通过基尔霍夫定律，其辐射光谱也就确定了。 2.3 大气顶的太阳辐射大气顶的太阳辐射 太阳从一个由星际物质组成的平薄而炽热的旋转圆盘的中心压缩聚集而成。 太阳是一颗典型的二类（G2）恒星星体。 地球所接收的，并驱动地球大气和海洋运动的所有能量都来自太阳。 太阳是一颗气体球，主要成分是氢（90%）和氦（10%），再加上少量的较重元素。温度与密度都是由中心向表面递减。 一般认为，太阳能源是由核心位置的四个氢原子稳定转换为一个氦原子的聚变反应所产生的。 2.3.1太阳结构

18、太阳结构1. 核心2. 辐射层3. 对流层4. 光球层5. 色球层6. 日冕7. 太阳黑子8. 米粒组织9. 日珥内部结构大气结构在对流层之下，一般认为能量在太阳内部是通过电磁辐射传输，即光子流输送；然而在太阳表面附近，因较重元素吸收而造成的对辐射能的重大阻挡，使得能量一部分由对流输送，一部分由电磁辐射输送。在太阳表面以上，能量再次以电磁辐射的方式进行。太太阳阳大大气气的的温温度度结结构构和和吸吸收收谱谱线线形形成成区区光球层光球层 厚度约500km较薄的一层，称为太阳表面太阳表面。 温度由低层的8000K变化到高层的4000K，平均温度和有效温度均为5800K左右。 到达地球的大多数电磁能量

19、来自该层。 均匀分布在日面上的、直径约1500km的相对光亮的米粒组织米粒组织。 由光球层发射的辐射基本上是连续连续的。色球层色球层 太阳大气，特点是具有稀薄而透明的太阳气体。 色球层厚度约2000km，温度由4000K增加到40006000K。 温度极小值4000K的较冷气体在太阳所含各种原子的特征波长处，吸收光球层发射的连续辐射，产生了太阳吸收光谱（即色球层的发射光谱）。 日全食观测到发射谱线大部分来自氢、氦和钙，食既和生光时刻，有一光亮的线发射光谱称为闪光谱。其中最强的吸收线为636.5nm，使日食期间色球层变得可见，具淡红色外观。日日 冕冕 太阳大气，特点是具有稀薄而透明的太阳气体。

20、日冕由日盘边缘向外延生数百万米，温度显著升高达105106K左右。通常认为日冕没有外边界。 日食期间可看到它像一个微泛白色的晕圈。 太阳风：由日冕流出的一股气体流，不断进入太阳系中。 源自色球层的氢和氦的强发射谱线虽高度增加而逐渐消失，被日冕特有的白色连续光谱所代替。日冕光谱包含许多弱发射线，其中最强的是电离铁的绿线。太阳黑子太阳黑子(Sunspot)光球层即太阳表面上较暗的区域，温度比周围低10002000K，发出的辐射能比周围小，看起来比周围黑，称为黑子。平均大小为10,000km，变化范围为日面上肉眼可见直到在日面上占据150,000km以上。黑子通常成对出现，或以复杂的黑子群出现，跟随

21、着一个先导黑子之后，完全限制在太阳赤道和南北纬40度之间。太阳黑子极大、太阳黑子极小、太阳黑子周期。黑子与太阳内部存在的极强磁场有关，成对的黑子具有相反的磁极性。月平均太阳黑子数变化月平均太阳黑子数变化两次黑子极大之间的平均时间长度约为11年，即所谓的11年周期！具有相同极性的太阳黑子周期叫做22年周期！太阳耀斑太阳耀斑(solar flare) 太阳色球有时会出现一块突然增大增亮的斑块，为高能爆发现象。 当一颗太阳黑子接近日面边缘时，可以看到它被叫做光斑的增强发射辐射的网状物所包围，光斑在黑子出现之前出现，在黑子消失之后消失。 光斑具有的磁场比太阳黑子小，但它能在日盘上伸展相当大的面积，且维

22、持时间较长。 也出现在高纬区，但通常出现在大而复杂的黑子群附近观测到。日珥日珥 太阳的瞬态变化特征之一。由光球层喷发产生，能够伸展到色球层，并在太阳边缘被观测到。 高30,000km，长200,000km，温度5000K。 由于温度比光球层低，显现为在亮背景上的细暗线。 日冕层的扰动与太阳黑子周期以及太阳黑子数的变化密切相关。日冕喷发伴随有来自太阳的远紫外线和X射线的大增。（1 1）太阳大气结构：）太阳大气结构： （2 2）太阳活动类型：）太阳活动类型：光球光球 色球色球 日冕日冕黑子黑子耀斑耀斑太阳活动太阳活动日珥日珥上述变化都与磁场活动有关。磁场变化由太阳的对流活动、自转运动以及总磁场之间

23、的相互作用而产生。太阳黑子包含着最强的磁场。太阳活动对地球的影响1. 对地球气候的影响太阳黑子的 11 年周期与夏季西太平洋副热带高压的南北位置存在着较好的对应关系；太阳黑子 11 年周期与中国夏季气温呈明显的双振动现象，即在太阳黑子的峰、谷值年附近，夏季我国大范围气温偏低；而在峰、谷年之间的年份，我国夏季大范围气温偏高2. 对电离层的影响（无线电短波通讯衰减或中断无线电短波通讯衰减或中断）3. 对地球磁场的影响（磁暴、极光磁暴、极光）对降水的影响太阳活动与地球上自然灾害的关系太阳活动与地球上自然灾害的关系太阳正常活动造就和维持地球良好的生态环境，异常活动则对地球的环境产生重要影响，甚至形成灾

24、害太阳活动剧烈 黑子、耀斑、质子、电子事件、太阳风、日冕活动等 影响地球的物理状态与变化规律，影响海洋和大气的环流过程，太阳活动通过电磁作用影响固体地球（包括自转变化）日地关系研究在最近数十年间一直受到天文、地球科学及其他学科学者的重视我国早在公元187年就有了太阳活动与洪涝关系的记录太阳在11年周期尺度上的辐射和微粒变化可影响地球的温度，甚至影响气候。世界范围内的大的火山、地震活动与太阳活动有着十分重要的联系温度变化与太阳周期长度的变化有很好的相关性在极大值年或前后一年，渤海出现严重的冰情中国1800多年的大地震频谱分析表明，11年周期的幅度最大，22年次之中国6级以上地震频次在太阳活动下降

25、段有一明显的高峰多种解释机制，如峰年易震机制，日本高山威雄的太阳气压地震说，前苏联森廷斯基的太阳地球自转地震说，美国辛普森的太阳地电流地震说等 2.3.2地球绕日轨道与日射分布地球绕日轨道与日射分布日地几何关系示意图日地几何关系示意图近日点近日点冬至点冬至点春分点春分点半短轴半短轴半长轴半长轴夏至点夏至点秋分点秋分点远日点远日点黄道面法向黄道面法向地轴地轴：太阳赤纬 ：地轴倾角 ：近日点相对于春分点的经度：某一给定时间地球的实际偏离角 ：地球的实际经度偏心率地球轨道的偏心率（eccentricity）定义为两焦点之间的距离与椭圆长轴(a)之比，即l地球绕日轨道形状l月球或其他星球的引力拖拽l从近乎于圆形到轻微的延伸再恢复l经历上述一个周期需要的时间约100,000年.黄赤交角l地轴倾角l测量到的地球赤道平面与轨道平面的夹角，现在为23.5o.l黄赤交角并不是一个常数，有一个非常微小的变化周期： 41,000 年.岁 差l近日点相对于春分点的经度l公转中，春分点时地球在椭圆轨道上所处的位置，将会影响地球上各个季节的起至时间，也会使地球在近、远日点出现的时间发生变化，其中地球出现在近日点的时间变化称为春分点的岁差春分点的岁差。它控制着地球轨道偏心率和黄赤交角的变化。l因为每年约25min的近日点前移，而具有约2.1万年的周期地球轨道参数变化与气候变迁 天文气候理论的形成与发展183