第六章 红外辐射在大气中的传输.ppt

1、第六章红外线辐射在大气中的传播，一般重视红外线辐射在大气中的传播问题。 这是因为红外线辐射从目标出来之后，在大气中输送相当长的距离才到达观测设备，因此经常受到大气中的各种因素的影响而给红外技术的应用带来有限的困难。6.1地球大气的基本组成、1 .瓦斯气体的瓦斯气体组成、主瓦斯气体： 78%氮21%氧、微量瓦斯气体：氩(Ar )、二氧化碳(CO2 )、一氧化碳(CO )、一氧化碳(CO )、一氧化碳(2)、这些个的瓦斯气体不一定是中性的，在日照下90km以上存在络离子和电子。 大气瓦斯气体对辐射有衰减和吸收散射衰减的作用。 二、气溶胶传播、气溶胶传播：以液体或固体为分散相和瓦斯气体为分散媒形成的

2、溶胶又称气溶胶传播，瓦斯气体分散胶体。 例如，雾是水滴分散在空气中的气溶胶传播，烟是固体粒子分散在空气中的气溶胶传播等。 含有漂浮在大气中的尘埃、液滴、冰晶等固体或液体微粒状气溶胶传播。 大气中的气溶胶传播与环境污染有着密切的关系。 气溶胶传播引起放射性射线的散射衰减。 气溶胶传播的产生与去除、气溶胶传播的去除：主要依赖大气降水、小粒子间的碰撞、凝聚、聚合与沉降过程。 6.2大气天气条件，一、大气温度、对流层顶平均高度10km，大气质量80及水汽、云和降水基本集中，主要气象现象和过程如寒流、台风、雷雨、闪电等发生在此层。 1 .对流层、对流层的主要特征：I )温度随高度升高而下降。 地面吸收太

3、阳辐射的短波部分释放长波长辐射，大气吸收地面的长波长辐射，以对流方式从地面吸收热量而升温，因此离地面越近的大气获得的热量越多，对流层的气温随着高度的升高而降低。 ii )有强垂直混合。 低层空气因地面产生的热量而受热上升，高层冷气下沉，对流层内存在较强的垂直混合作用。 )气象要素水平分布不均匀。 由于各地纬度和地表性质的不同，地面上空的空气在水平方向上具有不同的物理属性，压力、温度、湿度等因素水平分布不均匀，会产生各种天气过程和天气变化。 2 .平流层、平流层大气温度下部冷上部热、使大气相对稳定的构造。 对流弱，空气多水平运动，平流层水蒸气和尘埃很少，也没有对流层云和天气。 同温层温度约220

4、K，2055公里的高度温度从220K上升到270K左右。 平流层下部的温度随高度变化很小(同温层)。 因为平流层上部存在臭氧杀菌层(2235公里)，臭氧杀菌吸收太阳紫外辐射，提高大气温度。 对流层的山顶上升10km到55公里左右，成为平流层。 中间阶层，中间阶层： 55至80公里。 大气温度随高度减少，水蒸气极少，有相当强的垂直混合(类似于对流层)，60公里以上的大气分子开始电离，电离层的底部在中层内。 5580公里高的温度从270K下降到180K左右。 4 .热层，该层的温度随进一步升高而增加。 因为热层的分子氧和原子氧吸收太阳紫外辐射。 但是，由于分子少，不易引起对流运动，由于导热率小，引

5、起巨大的温度梯度和昼夜温差，白天太阳活动期的温度达到2000k，夜间太阳宁静期只不过500k。 热层的空气处于高电离状态。 由于热层上部空气稀薄，大气粒子很少相互碰撞，高速运动的空气分子克服地球引力，有可能向星际空间逃逸，也被称为逸散层。 二、大气压强力、理想的瓦斯气体状态方程：其中h(z )为常数：其中h(z )不是常数，而是随高度变化的量，称为z处的标高。一般认为在不太宽的范围内海拔几乎可以看作是一定的，所以刚才的压力式：三.大气密度，六. 3大气中的主要吸收瓦斯气体，大气中的主要吸收瓦斯气体可以利用水蒸气，二氧化碳，臭氧杀菌等。 一、水蒸气、水蒸气在大气低层中的含量较高，是对红外线辐射输

6、送有较大影响的大气成分。 水蒸气分子对红外线辐射有很强的选择性吸收作用。 水汽压pw :是大气中水蒸气的分压。 绝对大气湿度w :单位体积的空气中含有的水蒸气的质量，单位为g/m3。 空气中水蒸气的密度。 描述水蒸气含量的物理量：以百分率表示相对大气湿度RH :空气试样中的水蒸气含量与在相同温度下该空气试样达到饱和状态时的水蒸气含量之比。 露点温度：露点温度是规定的空气试样成为饱和状态时的温度。 2、可凝结水量w在辐射传播方向上具有与辐射束相同的截面，以辐射传播距离为长度的体积内含有的水蒸气折返到液体水层的厚度。 如果水蒸气在辐射传播路径上是均匀的：可凝水量与水不同，也不含凝结的水滴。 3、水

7、蒸气分布，大部分水蒸气分布于对流层，大气底部红外吸收水蒸气占主导地位。 水蒸气的含量因时间和地区而大不相同。 图中的纵轴表示每单位行程的可凝结水量。 二、二氧化碳、二氧化碳在空气中的比例比较稳定，约0.033。 随着高度的增加，水蒸气含量急剧减少。 因此，在上空水蒸气的吸收退到次要地位，二氧化碳的吸收变得更加重要。二氧化碳在标准状况中的分子数密度。 根据理想气体的状态方程，对于标准状况，在： x点二氧化碳的分压也应该满足：二氧化碳在x下的分压比通常取常数，CO2在水平传递路径上是均匀的：三.臭氧杀菌、臭氧杀菌在红外具有吸收带，但是在低空二氧化碳和水蒸气更强，低空的臭氧杀菌浓度更低。 因为是约亿

8、分之二，所以在低空一般可以无视臭氧杀菌的吸收。 当系统在高空运行时，必须考虑到臭氧杀菌的吸收。 氯氟碳化合物、臭氧杀菌层的破坏、6.4大气中的主要散射粒子、大气中的主要散射粒子是气体分子和气溶胶传播。 瓦斯气体分子的半径约为104m。 比云雾更大的水滴是雨滴： 102104微米，散射粒子浓度与粒子大小的关系称为气溶胶传播尺度光谱，辐射输送常用的气溶胶传播尺度模型有三种：一.气溶胶传播尺度光谱，二.气溶胶传播浓度与高度的关系，近地面：每立方厘米1001000 例外： 20公里左右有气溶胶传播层的0.1，6.5大气吸收衰减，1 .大气辐射透射特性，朗贝尔红宝石定律，大气分子和悬浮粒子对辐射有吸收和

9、散射作用，大气中含有很多分子和悬浮粒子，而分子光谱不像原子光谱那样由明亮的发射谱线组成。 在一定的波长区间形成一系列的发射谱线系统。 2 .分子光谱、1、分子的能级结构、2、分子光谱的形成、分子动能全部被量子化，因此分子从状态变化为状态时放射电磁波，其频率由下式决定：从分子的能级示意图来看：纯旋转能级之差为0.05ev，波长25m，远红外线振动能级之差约为0.051ev，因此旋转振动谱带位于波长2.525 m的中红外区域。 分子的振动能和旋转能变化为云同步时，产生的分子光谱为旋转振动谱带：分子的电子能、振动能和旋转能变化时，产生分子的电子光谱带。 电子能级之差一般为l20ev。因此，所产生的光

10、谱在电磁波光谱的可见光和紫外区。 通常将分子的旋转振动谱和分子的纯旋转光谱称为红外光谱。 3、大气选择性吸收，1、大气各成分的红外线吸收带，2、用大气窗、红外技术将红外线辐射分为近、中、远、极远红外区4个区。 近、中、远红外区域包含一个以上的大气窗，但在极远红外区域(15m以上)没有透明的大气窗。 大气窗是什么？ 能够透过大气层的红外频带是大气窗。 在窗区域，大气对红外线的吸收很弱。 红外系统通常采用3.24.8微米813微米的三个光谱通带中的一个，即2.02.5微米。 当红外辐射在大气窗中传播时，辐射的衰减主要是由于大气散射。 3、吸收带的精细结构，4 .发射谱线的扩展和线型，1、发射谱线的

11、自然扩展，分子和原子系留在能级的平均时间，由于不确定性的关系，能级有不确定的幅度。 在分子自发地从高能量水平向低能量水平迁移的情况下，发射谱线应该具有一定的宽度，发射谱线的自然扩展的原因，自然扩展的线型，发射谱线的概率分布函数：2，发射谱线的其他扩展，发射谱线的冲突的扩展(压力的扩展)， 也称为发射谱线的多普勒展宽，5 .分子的单线吸收(每线的订正)、1、发射谱线的线状函数与辐射吸收截面、光谱分布的概率函数即线状函数，是发射发射谱线的概率函数，也是吸收发射谱线的概率函数。 根据兰伯特比尔定律，辐射传播距离r，其光谱透射率是吸收谱具有一定宽度，在该光谱宽度内，总吸收截面(或积分吸收截面) :光谱

12、吸收截面等于积分吸收截面和线形函数的乘积。 另外，对预定频率间隔的透过率为平均值：对预定频率间隔的平均吸收比为：可以基于具体线形函数来修正。 关于分子的传动带吸收也可以用同样的方法修正。 6 .表法修正了大气吸收、1、海面上水平路程水蒸气的分光透过率，教材167页172页仅考虑水蒸气的吸收，波长为0.314微米，显示了各种可凝结水量下的透过率。 求出海面水平路程长16.25 km、气温21、相对大气湿度RH=53%，求出1.41.8微米的光谱区间，仅考虑了水蒸气吸收时的平均透过率。 解：求出水蒸气的可凝结水量。 可以认为水蒸气在水平路径上是均匀的：这样得到的单位正好是mm。 T=21点(135

13、页)、2、海面上的水平距离CO2的分光透射率、教材172页177页仅考虑CO2的吸收，波长为0.314微米，显示了各种水平距离下的透射率。 没有必要校正二氧化碳的大气厘米数以给出各种水平距离CO2的透射率。 求出海面水平路程长16.25 km、气温21、相对大气湿度RH=53%、1.41.8微米的光谱区间，仅考虑了吸收CO2时的平均透过率。 求出海面水平路程长16.25 km、气温21、相对大气湿度RH=53%、1.41.8微米的光谱区间，仅考虑了大气吸收时的平均透过率。 更准确的计算方法有：3 .高度修正：等效海面距离，高度h的水平距离x具有的透射率与长度X0的等效海面上水平距离的透射率相等

14、，可以用公式表示：高度校正因数，6.6大气散射衰减，纯散射透射率：散射系数为x时， 一般以散射面积比测定粒子的散射能力：对于具有相同散射截面的粒子群，散射系数为： m种不同粒子群，散射系数为：为了确定任意尺寸分布的散射要素的散射系数，需要知道散射面积比k ()。k ()的修正计算非常复杂，需要解平面波和均匀球体相互作用的麦克斯韦方程组群。 在我们研究的辐射在大气中传播的特定情况下，只考虑辐射不吸收的球形水珠散射，折光率实数等于133，散射面积比：2 .与瑞利散射、米氏散射、散射系数、粒子尺寸以及入射波长有关。 与波长的四次方成反比，随着波长的增加，瑞利散射会急速减少。 瑞利散射适用于较小的粒子

15、散射(半径小于0.05 )。 大气中的分子散射是瑞利散射。 没有选择性散射，红外区的散射主要是米氏散射。 3 .散射系数经验方程一般可以将散射系数归纳为以下经验方程： 其中，a、A1、q均为未定常数。 关于红外区域，作为瑞利散射：q :经验常数，可以忽略与大气的视认性有关。 四、气象能见度方程、散射系数理论修正与实验测量十分复杂。 在气象学利用气象观测距离处理散射问题。 营销对象和背景的亮度托拉斯是随着距离的增加减少到零距离时的2 %的距离，称为天气视图，仅称为视图或视距。 1 .由于当设观察者所观看的目标和背景之间的托拉斯为：目标和距观察者的距离为0时，观察者所观看的目标和背景之间的视差定义

16、为：所以，2 .视差方程式通过了天气观看距离v，其在实际测量中测量了指定波长为0的亮度变化(这主要是由散射引起的)、5 .散射衰减的工序校正计算、1.0处的视程的测定方法：首先测定0处的透射率，根据视程方程式求出0处的视程，然后根据视程求出任意波长的透射率。 视程方程式：结论：测量已知距离x和透射率S(0，x )可以求出视程。 假定在整个视图中大气均匀，则在整个视图中S (0)相同，因此通过将该式的S (0)代入视图方程式能够得到视差距离。 在距离x=5.5 km、波长0.55 m处测定的透射率S(0，x )为30 %，求出了气象观测程度v。 换言之，0.55 m处的气象观看距离是17.9 km。利用0处的可视度求出任意波长下的分光散射系数s ()，第二项表示瑞利散射，在红外波段中瑞利散射可以忽略：波长为0时：波长为0时：纯粹散射的透射率：由此求出常数a :能够求出任意波长的分光散射系数的气象可视距离v为60 km，为1.41.8毫米求出海面水平距离长16.25 km、气温21、相对大气湿度RH=53