读书报告-大气与辐射传输

大气与辐射传输读书报告李姗迟10212978自然地理大气层结构地球外转围的大气圈并没有一个确切的界限，只是离地面越高，空气逐渐变得越稀薄，50%的质量集中在30km以下的范围内。按照不同的特性，可以有不同的分层方法。比较常见的几种分层法是：①根据热状态的特征，大气分为对流层、平流层、中间层、热层和逃逸层；②根据大气成分随高度分布的特征，分为均匀层和非均匀层；③根据大气的电离特征，分为电离层和非电离层。电离层又可细分为D层、E层和F层。犬气囲中温啦、电子密鹿.忆啓组戍的取直分布按气逞垂直分布分层一热分层对流层对流层是大气的最低层，其厚度随纬度和季节而变化。在赤道附近为16-18km；在中纬度地区为10-12km，两极附近为8-9km。夏季较厚，冬季较薄。这一层的显著特点：一是气温随高度升高而递减，大约每上升100m，温度降低0.6°C。贴近地面的空气受地面发射出来的热量影响而膨胀上升，上面冷空气下降，故在垂直方向上形成强烈的对流，对流层也正是因此而得名；二是密度大，大气总质量的3/4以上集中在此层。在对流层中，因受地表的影响不同，又可分为两层。在l-2km以下，受地表的机械、热力作用强烈，通称摩擦层，或边界层，亦称低层大气，排人大气的污染物绝大部分活动在此层。在1-2公里以上，受地表影响变小，称为自由大气层，主要天气过程如雨、雪、雹的形成均出现在此层。对流层和人类的关系最密切，对电磁辐射传输有显著影响。平流戻从对流层顶到约50km的大气层为平流层。在平流层下层，即30—35km以下，温度随高度降低变化较小，气温趋于稳定，所以又称同温层。在30—35km以上，温度随高度升高而快速升高，平流层顶的温度约与地面附近相等。平流层的特点：一是空气没有对流运动，平流运动占显着优势；二是空气比下层稀薄得多，水汽、尘埃的含量甚微，很少出现天气现象；三是在高约15—35km范围内，有厚约20km的一层臭氧层，因臭氧具有吸收太阳光短波紫外线的能力，故使平流层的温度升高；四是由于臭氧的全球分布不均且随着季节而变，故平流层内会产生季节性的强风环流。中间戻从平流层顶到80km高度称为中间层。这一层空气更为稀薄，温度随高度增加而降低。热层从80km到约500km称为热层。这一层温度随高度增加而迅速增加，层内温度很高，昼夜变化很大，热层下部尚有少量的水分存在，因此偶尔会出现银白并微带青色的夜光云。逃逸戻热层以上的大气层称为逃逸层。这层空气在太阳紫外线和宇宙射线的作用下，大部分分子发生电离；使质子的含量大大超过中性氢原子的含量。逃逸层空气极为稀薄，其密度几乎与太空密度相同，故又常称为外大气层。由于空气受地心引力极小，气体及微粒可以从这层飞出地球致力场进入太空。逃逸层是地球大气的最外层，该层的上界在哪里还没有一致的看法。实际上地球大气与星际空间并没有截然的界限。逃逸层的温度随高度增加而略有增加。均匀戻从地面到约90公里的空间，由于大气温度、气压、数密度的不均匀分布所产生的对流、湍流等混合作用，使得大气各成分所占的体积百分比保持不变，称为均匀层。均匀层大气的平均分子量为28.966克/摩尔，为常数。非均匀层约90公里以上，由于氧分子的光化分解以及扩散作用，使大气成分的体积百分比随高度而变，平均分子量不再是常数，即为非均匀层。在约100公里或稍高处，大气的分子重力扩散与湍流混合强度达到同样量级，该高度被称为湍流层顶。湍流层顶以上，大气服从重力扩散平衡分布。电离层从60公里开始，一直到大气层的上界，都存在有电子、正离子和少量的负离子。在数百公里高度以下，根据电子密度随高度分布，通常分为D层、E层和F层（F层白天分为F1层和F2层）。电离层有较大的昼夜、季节和纬度的变化。D层：离地面约50〜90公里。白天，峰值密度ND和相应高度hD的典型值分别为10mD mD厘米和85公里左右。无线电波中的短波在该层受到较大的吸收。太阳活动最高年的吸收几乎是最低年的两倍。一年之中，ND的夏季值大于冬季值，但在中纬地区，冬季有时会出现mD异常吸收。夜间，电离基本消失。E层：离地面约90〜130公里。白天，峰值密度Ne及其相应高度h口的典型值分别为mE mE10厘米和115公里。NE的昼夜、季节和太阳活动周期三种变化，大致符合简单层理论公式，E分别于中午、夏季和活动高年达到最大值。夜间，NE下降，hE上升。E E

F层：离地面约130公里以上，可再分为F1和F2层。Fl层（离地面约130〜210公里）：白天，峰值密度NF1及其相应高度h的典型TOC\o"1-5"\h\zmF1 mF1值分别为2X10厘米和180公里。F1层峰形夜间消失，中纬度F1层只出现于夏季，在太阳活动高年和电离层暴时，F1层变得明显。NF1和h閃的变化与E层类似。F1 F1F2层（离地面约210公里以上）：反射无线电信号或影响无线电波传播条件的主要区域，其上边界与磁层相接。白天，峰值密度NF2的典型值分别为10厘米；夜间，NF2F2 F2一般仍达5X10厘米。在任何季节，NF2的正午值都与太阳活动性正相关。h与太阳活动F2 F2性一般也有正相关关系，除赤道地区外，夜间值高于白天值。在F2层，地球磁场大气各风系、扩散和其他动力学因素起着重要的作用，其形态变化不能用查普曼的简单层理论来描述，于是F2层比起E层和F1层便有种种“异常”所谓日变化异常是指F2层电子密度的最大值不是出现在正午（通常是在本地时间13时至15时），同时"证2还具有半日变化分量，其最大值分别在本地时间上午10〜11时和下午22〜23时。季节异常是指F2层正午的电子密度在冬季要比夏季高。赤道异常是指F2层电子密度并不在赤道上空最大，它明显地受地磁场控制，其地理变化呈“双峰”现象，在磁纬±20度附近达到最大值。在高纬度地区，可观测到许多与带电粒子沉降有关的异常现象。其中，最为重要的是F层“槽”，这是地球背阳面上从极光圈开始朝向低纬宽约5〜10度的低电子密度的带区。400冬季夏季300F200E冬季105104面上从极光圈开始朝向低纬宽约5〜10度的低电子密度的带区。400冬季夏季300F200E冬季105104 丿\I—j- <—* 1 L>—0时 6日12日18出 落地方时间图2电离层各层峰值密度Nnx及相应离度月迅的平均昼夜变化（中纬度地区）100「5x10,0日6 12 18日24时出 落地方时间气溶胶气溶胶（aeroso1）是在气体和重力场中具有一定稳定性，沉降速度小的固态或液态质粒的混合系统。大气中悬浮的大量固态和液态微粒，包括灰尘、烟尘、盐晶、水晶和水滴等，统称为气溶胶。分散性气溶胶：是固态或液态物质经粉碎、喷射，形成微小粒子，分散在大气中形成的气溶胶。凝聚性气溶胶：是由气体或蒸汽（其中包括固态物升华而成的蒸汽）遇冷凝聚成液态或固态微粒，而形成的气溶胶。气溶胶的尺度范围粒度：10-3um（分子团） 101um（尘粒、云滴），跨5个数量级；质量：与粒度相应，质量跨15个数量级；

数浓度：跨14个数量级。尺度范围并无严限制，下限限于仪器感应最小尺度；上限限于颗粒稳定性，半径大于50um的云滴或固体颗粒在空气中沉降速度大，稳定性差，故不作为气溶胶处理。表：气溶胶形态及其主要形成特征形蛊粒径仙形成特征主要效应轻雾(mist)水阖X0訛縄过程觥空气0(fog)<10勲怨me鮒甌有般fig响人灘廃紛尘(dust)>1机械粉阴扬尘」煤贱翻成帰烟尘（际）凰刪i0.01^1瞰辣升华等过影响詣见度（气）程厂旦跚陶分散烟(Eidro)固体船<1膵勰雜过程躺觊岛訓人Hl(smog)Ms固粒<1沁程池叛应閹瓏腹辦人啊克(sect)固備®-0,5豔过程、升华过鼠冷窥程靈(haze)M固粒<1蘇过焉化報应鹼小时有财也气溶胶的三种模结构爱根核模：rv0.05um积聚模：0.05umvrv2um粗粒子模：r>2um图：气溶胶的粒径分布及源和汇大气散射大气散射(atmosphericscattering),电磁波同大气分子或气溶胶等发生相互作用，使入射能量以一定规律在各方向重新分布的现象。其实质是大气分子或气溶胶等粒子在入射电磁波的作用下，所带电荷作受迫振动，并以此为中心向四周辐射出与入射波频率相同的子波，即散射波。散射波能量的分布同入射波的波长、强度以及粒子的大小、形状和折射率有关。尺度参数与散射类型散射的性质和强度取决于微粒的半径r与电磁波长九两者之间的关系。引入散射尺度参数x：x=2ra7九。式中：r一微粒半径；九一电磁波长。x的值大小决定了散射的性质：瑞利散射一xWO.l。主要由大气分子引起，散射强度与入-4成正比。前向散射与后向散射对称，大小相等。米氏散射一O.lvxW3。主要由大气中的气溶胶(烟、尘，水溶性粒子和小水滴等)弓I起。散射强度与入o—入-3成正比。散射的方向主要是前向散射。无选择散射一x>3。主要由大气中的云、雾、雨滴及较粗粒沙尘等引起。散射强度与波长无关。这种非选择性的散射使云雾呈白色，也即漫反射。主要是向前散射，散射能量集中于前向，后向散射能量远小于前向。同一粒子对不同波长而言，往往采用不同的散射处理方法,如直径l微米的云滴对可见光的散射是米散射；但对微波，却可作瑞利散射处理。大气吸收辐射能在气体中传输，一部分辐射能会被气体吸收成变为气体内能，使传输的辐射能削弱，这一现象称为大气吸收。辐射传输路径上吸收气体的数量称为光学质量。大气主要气体及相应吸收带在紫外——微波之间，具明显吸收作用的主要是o3、o2、co2和h2o；此外n2o、ch4对电磁辐射也有吸收，多种成份吸收特定波和的电磁波，形成相应的吸收带。O3：主要集中于20—30km高度的平流层。它是由高能的紫外辐射与大气中的氧分子(O2)相互作用生成的。O3除了在紫外(0.22—0.32卩m)有个很强的吸收带外，在0.6mm附近有一

宽的弱吸收带，在远红外9.6mm附近也有个强吸收带。虽然O3在大气中含量很低，只占O.Ol—O.l%，但O3对地球能量平衡起重要作用，O3的吸收阻碍了低层大气的辐射传输。CO2:主要分布于低层大气。其在大气中的含量仅占0.03%左右，人类的活动使之含量有所增加。CO2在中一远红外区段（2.7、4.3、14.5mm附近）均有强吸收带。其中最强的吸收带出现在13-17.5mm的远红外段（长波辐射的主要波段）。H2O：这里不包括固态水中的水滴。水汽一般出现在低空，它的含量随时间、地点的变化很大（约从0.1—3%），而且水汽的吸收辐射是所有其它大气组分的吸收辐射的几倍。最重要的吸收带在2.5—3.0ym,5.5—7.0gm和〉27.0卩m（在这些区段，水汽的吸收可超80%）。在微波波段水汽在0.94mm、1.63mm及1.35mm外有三个吸收峰。术比i"