大气分子红外吸收机理的探讨

1、大气分子红外吸收机理的探讨姓名:学号:学院:班级:老师: 摘要：本文作者曾总结出了大气窗口公式。通过讨论认为，由该公式计算出的大气水分子电磁波吸收波谱图与大气窗口图基本吻合。从而从理论上证明大气分子的电磁波吸收主要由水分子产生。本文对水分子的电磁波吸收机理做了进一步所的探讨。所得到的新模型比作者早期建立的模型更具有说服力。关键词：大气窗口大气水分子电磁波吸收机理0引言太赫兹技术是目前世界范围内的一个研究重点。所谓太赫兹是指波长介于0.003ym到30ym之间的电磁波，它基本处在红外光的区域附近，是电磁波谱中有待研究的最后一个频率窗口。太赫兹波具有很多独特的性质，比如低辐射能量，对无极化物质有很

2、强的穿透性，很多大分子的振动和转动频率均落于此波段等。这些特性决定了太赫兹波具有重要的学术价值和重大应用前景。然而，大气对太赫兹波有强烈的吸收，某些波段的太赫兹波在大气中无法远距离传输，限制了很多太赫兹应用。同时，大气红外衰减问题的研究还涉及到卫星通讯，航空遥感，雷达，红外辐射探测等诸多领域。20世纪50年代，军事红外技术获得了广泛的应用，其作为一种高科技术，与激光技术并驾齐驱，在军事上占有举足轻重的地位。红外大气的传输和辐射模型是红外成像制导系统仿真中的关键环节，在光电对抗系统、导引头及各种搜索、跟踪算法的开环测试中都有应用。由于目标、背景、大气状态的复杂性，使得红外图像仿真难度很大。大气辐

3、射、环境辐射和大气对辐射传输的衰减都对红外传感器成像有很大影响。由于辐射会与大气组分相互作用,发生吸收和散射而受到衰减，从而改变辐射的空间、时间和光谱分布特性。这些大气效应对于地球的热平衡、目标探测、地球资源遥感、大气参数遥测等领域的研究,具有极重要的影响。20世纪70年代，军事红外技术又转向民用，与雷达、电视一起构成当代三大传感系统。而红外辐射的传输过程中的衰减做为红外系统的重要部分，其研究意义不言而喻。另外，大气分子对红外辐射的吸收机理和规律的研究还是基础光学的重要内容之一，也牵扯到电磁波与原子电子的相互作用等物理学基础理论。虽然，目前已经统计出了很多红外光在大气中的透射数据，也开发出了计

4、算这些繁杂数据所需要的软件，但大气分子对红外辐射的吸收机理和规律的研究却并没有取得另人乐观的成果。大气红外吸收早在17实际就由西方科学家着手研究。从1881年到1942年，经过艰苦努力。大气红外吸收波谱图-大气窗口所测量的光波波长由刚开始的5gm延伸到24ym4。此后，出来对测量技术的改进以外。人们为探索大气红外吸收规律和机理，开始大量理论研究工作。却一直没有得到理想的结果。到了20世纪中期，随着量子力学的发展和系统化，人们逐渐将其引入到大气辐射传输研究中来。试图解释辐射和吸收带的展宽问题，并由此建立辐射（吸收）的理论模型。目前虽然已经有十几种模型产生。却没有能较好符合实际的成果。1电磁波的吸

5、收机理分析大气中能对红外辐射产生吸收的分子主要是，水蒸汽，二氧化碳，臭氧，一氧化氮，甲烷以及一氧化碳等5。而水蒸汽，二氧化碳，臭氧能引起最大的吸收量。而根据文献大气中对电磁波产生吸收最主要的主要物质还是水汽。而得出的大气水分子的电磁波吸收公式基本上与大气窗口的波谱图完全重合。另外通过水分子的电磁波吸收机理的分析。从理论上证明大气中水分子对电磁波起主要的吸收作用。水的组成是HO。图1给出了水分子中氢原子和氧原子的一种排列情况。下面的曲线是电磁场变化模拟曲线。图1水分子中原子的振动情况如果电磁波的电场按示图示方式变化，其振幅方向为正极。那么在开始时，氢原子H2将受电场排斥力而向右（X方向）移动。当

6、正极转向左侧时X方向），H回到初始状态,2但不会随电场的左转而继续向左运动。这是由于H对其的排斥造成的。这样，电磁场只在某一侧的振动对原子产生能量消耗。也就是说，电磁场对氢原子作用过程将会表现为一个如图2所示的一个脉冲函数。图2脉冲图F面我们分析当正弦电场作用于氢原子时，由于上述脉冲效应的影响而最终形成的电磁波能量吸收机理（见图3）。1.501.00I+|np0.50再0.00-0.50-1.00-1.50波长图3正弦电场与氢原子的作用过程a-氢原子的脉冲振动，2a-电场波长=1/2氢原子的脉冲振动波长3a-电场波长=1/3氢原子的脉冲振动波长由图3可以看出，当电场波长等于脉冲振动波长的1/2

7、倍时，波动电磁场最终与氢原子的振动方向相反。从而不能产生能量的共振吸收。当电场波长等于脉冲振动波长的1/3倍时，波动电磁场氢原子的振动方向始终相同。从而可以产生能量的共振吸收。2大气窗口红外波谱公式的建立本文作者曾根据振动学和波动学理论，总结出大气窗口公式。为了方便后讨论。现将该部分内容简述如下6。图4给出了基础光学文献和遥感科学文献共同引用的经典大气窗口红外透射波谱。100402()-5I图4大气吸收与大气窗口实测结果设氢原子的振动基频对应波长为九。根据前面讨论。可以构建一个函数。其值为1时出现电磁波的透射，其值为-1时出现电磁波的吸收。通过筛选，作者选择余弦函数。在余弦函数增加一个附加项并

8、进行修正后，总结出图1的波谱公式为T二0.77cos（63）+0.23九式中，T为电磁波透射率，入为波长（ym）。公式计算出的数值为正值对应电磁波的透射，为负值时对应电磁波的吸收。该公式计算出在0.8-1.0ym；1.0-l.lpm；1.3-1.4ym；1.8-2.0ym；2.6-3.0ym；2.8-3.0ym；6.0-7.8ym；14-40ym。出现吸收峰的情况与实际情况吻合较好。计算图见图5。波长.OOJ-0_O2OO-U:-O-O匚：O-ecO.S.图5大气吸收与大气窗口计算结果注：图5中的横坐标刻度取的比较粗略，如果坐标取的更细一些还可以得到一些尚未探测到的吸收波长频带。为了便于对比，

9、图中将式（1）计算出吸收值（负值）均取零。2.1电磁波的吸收由（1）式得知，电磁波在大气中只有满足下列条件时才能被吸收/63、1即：cos()=一1九20.05-“或者一兀二(2n-1)兀(n=1,2,3,4)(2)20.05小.“=2n-1尢.20.05九=um(2n-1)=c=2.99792458=X=20.05x10-6即，当电磁波频率与大气中水分子的振动基频相同或是其整数倍时出现吸收峰。则大气当2n-1二1时得中水分子的振动基频为1.4949632x10-6Hz。由上面方程可以计算出，在波长(第2行为对应频率Hz)分别为20.05pm；6.68pm；4.01pm；2.86pm；2.22

10、pm；1.82pm；1.54pm；1.34pm1.49x1013,4.49x10i3,7.48x1013,10.49x10i3,13.51x10i3,16.48x10i3,19.48x1013,22.39x10i3发生吸收。上述频率的倍数关系为3，5，7，9,11,13,15。2.2电磁波的透射电磁波在大气中只有满足下列条件时才能被透射/63、1即:cos()=-1九20.05小即兀=2n兀(n=1,2,3,4)九20.05小=2n九.20.05九=Lim2n=2.99792458=X=20.05x10-6即，由上面方程可以计算出，在波长(第2行为对应频率Hz)分别为10.03pm；5.01p

11、m；3.34pm；2.51pm；2.00pm；1.67pm；1.43pm；1.25pm当电磁波频率与大气中水分子的振动基频相同或是其整数倍时出现透射峰。2.99x10i3,5.98x10i3,8.97x10i3,11.96x1013,14.95x1013,17.94x1013,20.93x1013上述频率的倍数关系为2,4,6,8,10,12,14。3结论根据前面分析可以看出，大气水分子的特殊结构决定了其氢原子在电磁波作用下产生脉冲式振动。这种振动的结果就导致了电磁波通过大气层时，水分子对其产生的能量吸收只发生在某些特定的频率。即当电场波长等于脉冲振动波长的1/3倍时彳射电磁波的频率等于氢原子振动基频的奇数时倍发生全吸收。而当电场波长等于脉冲振动波长的1/2倍时彳射电磁波的频率等于氢原子基频的偶数倍发生全透射。作者曾由这两条规律总结出与实际情况吻合很好的大气出窗口公式。而本文建立的模型则对这两条规律所产生的机理做出了更合理的解释。参考文献中国科学技术协会，中国物理协会编著，2007-2008物理学学科发展报告，北京：中国科学技术出版社，2008,100-103张建奇，方小平，红外物理，西安：西安电子科技大学出版社