衛(wèi)星海洋學(xué)---第5章課件.ppt

第六章散射和吸收 ScatterandAbsorption 5 1描述衰減的術(shù)語 TermsDescribingAttenuation 5 2輻射傳輸方程 RadiativeTransferEquation 5 3大氣層和大氣窗 Aerosphere AtmosphericWindows 5 4輻射傳輸方程 RadiativeTransferEquation 5 1 1復(fù)折射率和穿透深度 復(fù)折射率的表達(dá)式如下 6 1 實(shí)部表明電磁波在兩介質(zhì)的界面處傳播速度和方向的變化 斯奈爾折射定律 5 2 令ke是電場強(qiáng)度的衰減系數(shù) 上式表明了電場強(qiáng)度的衰減系數(shù)ke 與復(fù)折射率的虛部n 二者之間的關(guān)系 這個(gè)公式直接地揭示了n 的物理意義 復(fù)折射率的虛部n 是描述電磁波在傳播過程中能量衰減快慢程度的物理量 皮層深度 skindepth 或者穿透深度 transmittancedepth 在電場強(qiáng)度 electricfieldintensity 的表達(dá)公式 5 5 內(nèi) 如果在z d處的電場強(qiáng)度Ex d 衰減為初始值Ex 0 的1 e 那么我們定義從z 0到z d的距離為皮層深度 skindepth 或者穿透深度 transmittancedepth 輻亮度與電場強(qiáng)度的平方成比例 電場強(qiáng)度衰減為初始值的1 e 這意味著輻亮度衰減為初始值的 1 e 2 0 135 這里e是自然數(shù) e 2 71828 又考慮到公式 5 6 我們有 5 7 式中d是皮層深度 skindepth 或者穿透深度 transmittancedepth 如果使用某種儀器測(cè)得了海水對(duì)于可見光或紅外光的穿透深度 那么我們可使用公式 5 15 來計(jì)算海水對(duì)于可見光或紅外光的復(fù)折射率的虛部 在不包含有機(jī)物的純凈海水里 400nm紫光的穿透深度大約是75m 700nm紅光的穿透深度大約是3m 在實(shí)際海水中 一方面海水自身的吸收作用限制了黃紅光的穿透深度 另一方面溶解有機(jī)物和浮游植物的吸收作用又限制了紫光和藍(lán)光的穿透深度 一般地 490nm藍(lán)綠光的穿透深度最大 波長超過490nm的可見光在海水中的穿透深度隨可見光的波長增加而減小 相反 微波在海水中的穿透深度隨微波的波長減小而減小 對(duì)于頻率為5GHz波長為6cm的C波段微波 純凈海水的穿透深度是5mm 對(duì)10GHz波長為3cm的X波段微波 海水在20 C時(shí)的相對(duì)電容率 相對(duì)介電常數(shù) 大約是代入n 2 43到公式 5 7 可得穿透深度d 1 96mm 這就是說 頻率為10GHz的微波在進(jìn)入海水1 96mm深度處時(shí) 輻亮度就已衰減到初始值的 1 e 2 0 135 因此 對(duì)于這個(gè)頻率來說海水基本不透明 因?yàn)槲⒉ǖ哪芰孔釉诤Ｋ醒杆俚乇缓Ｋ肿硬蹲?所以對(duì)于這個(gè)頻率海水是理想導(dǎo)體 5 1 2衰減系數(shù)和光學(xué)厚度 AttenuationCoefficient OpticalThickness 衰減系數(shù) attenuationcoefficient ka 可由朗伯 比爾透射定律 Lamber BeerTransmittanceLaw 計(jì)算 輻照度透射定律 IrradianceTransmittanceLaw 是朗伯 比爾透射定律的一種微分形式 即 5 8 式中E z 是輻照度 irradiance 衰減系數(shù)可根據(jù)輻照度在一段距離兩端的測(cè)量值由公式 5 8 間接地計(jì)算獲得 衰減系數(shù) radianceattenuationcoefficient ka 也可從輻亮度透射定律 RadianceTransmittanceLaw 獲得 輻亮度透射定律也是朗伯 比爾透射定律的一種微分形式 即 5 9 式中L z 是輻亮度 radiance 衰減系數(shù) attenuationcoefficient 描述介質(zhì) medium 的固有光學(xué)性質(zhì) IOP inherentopticalproperties 它的值是由介質(zhì)內(nèi)部各個(gè)組份的物理吸收特性 幾何散射特性以及各個(gè)組份的濃度決定的 與外部光源 或電磁波源 本身的強(qiáng)度無關(guān) 輻照度 irradiance 和輻亮度 radiance 描述表觀光學(xué)性質(zhì) AOP apparentopticalproperties 的光學(xué)量 它們的初始值依賴于外部光源強(qiáng)度 它們?cè)诳臻g的分布取決于外部光源強(qiáng)度和介質(zhì)內(nèi)部衰減率這兩個(gè)方面 吸收和散射都引起衰減 所以 衰減系數(shù) attenuationcoefficient ka 是吸收系數(shù) absorptioncoefficient kab 和散射系數(shù) scatteringcoefficient ksc 的總和 5 10 衰減系數(shù)沿傳播路徑上的積分 5 11 被稱為從位置z0 0到z的光學(xué)厚度 opticalthickness 在某些英文文獻(xiàn)中也被稱為光學(xué)深度 opticaldepth 或不透明度 opacity 式中衰減系數(shù)ka 吸收系數(shù)kab和散射系數(shù)ksc的單位是m 1 光學(xué)厚度 a沒有量綱 z0和z是介質(zhì)中電磁波傳播路徑的邊界 對(duì) 5 8 和 5 9 求積分 并使用定義 4 18 和 5 11 可得到 5 12 和 5 13 式中的 a z 代表從位置z0 0到z的這一段介質(zhì)相對(duì)于波長 電磁波的光學(xué)厚度 t 代表從位置z0 0到z的這一段介質(zhì)相對(duì)于波長 電磁波的透射率 以上兩個(gè)公式是朗伯 比爾透射定律 Lamber BeerTransmittanceLaw 的積分形式 如果僅僅考慮吸收引起的衰減 以上公式中的 a應(yīng)改為 ab 圖5 2 MODIS Terra遙感監(jiān)測(cè)到的2002年4月份云層的平均光學(xué)厚度的全球分布 對(duì)比代表輻照度 irradiance 的公式 5 12 和代表電場強(qiáng)度的公式 5 5 的衰減項(xiàng) 可獲得 5 12 5 5 因而 5 14 上式表明了光學(xué)厚度 a f z1 z2 衰減系數(shù)ka f z 與復(fù)折射率的虛部n f 三者之間的關(guān)系 從公式 5 14 可以導(dǎo)出 5 15 這個(gè)公式表明 復(fù)折射率的虛部n f 與衰減系數(shù)ka f z 在路徑z1到z2之間的平均值成正比 如果衰減系數(shù)ka f z 不隨位置z變化 即ka f z ka f 那么 有 5 16 5 1 3漫衰減系數(shù)和光束衰減系數(shù) DiffuseAttenuationCoefficient BeamAttenuationCoefficient 依據(jù)不同方法 測(cè)量的衰減系數(shù)可分為 漫衰減系數(shù) diffuseattenuationcoefficient 和 光束衰減系數(shù) beamattenuationcoefficient 兩種 與漫衰減系數(shù)對(duì)應(yīng)的透射率被稱為漫透射率 與光束衰減系數(shù)對(duì)應(yīng)的透射率被稱為光束透射率 測(cè)量表觀光學(xué)性質(zhì)的儀器主要是輻照度儀和輻亮度儀 圖5 3 水下輻照度和輻亮度測(cè)量儀的剖面測(cè)量方式 引自 圖5 4 水下向下輻照度Ed 引自 圖5 5 水下向下輻照度Ed 引自 輻照度衰減系數(shù)和輻亮度衰減系數(shù)統(tǒng)稱為 漫衰減系數(shù) diffuseattenuationcoefficient 人們使用Kd表示由向下輻照度Ed計(jì)算獲得的漫衰減系數(shù) 它是水色衛(wèi)星遙感的產(chǎn)品之一 在海上調(diào)查中 使用水下海水衰減測(cè)量儀能夠直接探測(cè)海水垂直剖面的衰減系數(shù) 使用平行光束 準(zhǔn)直光束 和一個(gè)較窄的視場角 FOV fieldofview 能夠避免了來自外部散射的增益 故稱為 光束衰減系數(shù) beamattenuationcoefficient 光束衰減系數(shù)也稱為體積衰減系數(shù) volumeattenuationcoefficient 漫衰減系數(shù) diffuseattenuationcoefficient Kd 和 光束衰減系數(shù) beamattenuationcoefficient ka 之間的關(guān)系是 5 17 式中 是光場角分布的平均余弦 averagecosineofangulardistributionoflightfield 向下平均余弦 downwellingaveragecosine 是 5 18 向上平均余弦 upwellingaveragecosine 是 5 1 4體積散射函數(shù) VolumeScatteringFunction 體積散射函數(shù) volumescatteringfunction 的定義是 5 20 體積散射函數(shù) volumescatteringfunction 描述散射衰減系數(shù)的立體角分布 它的單位是m 1 sr 1 它與體積散射函數(shù) 之間的關(guān)系是 5 21 前向散射系數(shù) forwardscatteringcoefficient ksc f 等于后向散射系數(shù) backscatteringcoefficient ksc b 等于 體積散射系數(shù) volumescatteringcoefficient ksc 的單位是m 1 它與體積散射函數(shù) 之間的關(guān)系是 5 21 前向散射系數(shù) forwardscatteringcoefficient ksc f 等于后向散射系數(shù) backscatteringcoefficient ksc b 等于 海水的散射主要集中在前向散射 前向散射一般占總散射的90 以上 后向散射只占小部分 通常小于10 這里的體積散射系數(shù)就是公式 5 10 定義的散射系數(shù) scatteringcoefficient ksc 中的一種 在海洋光學(xué)調(diào)查中 人們使用 儀測(cè)量體積散射函數(shù) volumescatteringfunction 使用b儀器測(cè)量體積散射系數(shù) volumescatteringcoefficient ksc 因?yàn)楹Ｋ⑸潆S波長變化不大 故不必針對(duì)光譜中的每一單色光都測(cè)量 5 1 5粒子的尺度分布函數(shù)和單粒子衰減截面 SizeDistributionofParticles AttenuationCross SectionofSingleParticle r是用半徑代表的粒子的尺度尺度為r的單個(gè)粒子造成的衰減由 a A 單位是m2 表示D r 是粒子的尺度分布函數(shù) 單位m 3 m 1 它表明了單位體積的粒子數(shù)和粒子尺度的關(guān)系 衰減系數(shù) attenuationcoefficient 因此有N是介質(zhì)內(nèi)部單位體積中的總粒子數(shù)dN是單位體積中尺度在r和r dr之間的粒子數(shù)請(qǐng)注意到 這里粒子的分布函數(shù)D r 沒有除以總粒子數(shù) 它是有量綱的函數(shù) 不是概率密度函數(shù) 分布函數(shù)D r 除以總粒子數(shù)N等于無量綱的概率密度函數(shù) 表5 1 粒子的滴尺度分布參數(shù) Drop sizeDistributionParameters 在散射理論中 計(jì)算吸收和散射系數(shù)需要知道粒子的尺度分布 對(duì)于較大的霧 云 雨的粒子 一種常用的尺度分布函數(shù)是 5 1 6米氏散射和瑞利散射 MieScatter RayleighScatter 球形粒子的總衰減截面 a和散射衰減截面 sc可以按照級(jí)數(shù)形式展開為 Stewart1985 5 31 5 32 式中代表粒子的周長與電磁波波長之比q是 5 33 該物理量是代表粒子尺寸的一個(gè)無量綱因子 am和bm是米氏散射系數(shù) r是粒子半徑 單位是 m 是輻射波長 單位是 m n是復(fù)折射率 如果公式 5 33 中的代表粒子尺寸的一個(gè)無量綱因子q 1 則公式 5 31 和 5 32 包含的低階散射系數(shù)為 5 34 5 35 5 36 式中i表示虛數(shù) 如果在散射系數(shù)中忽略q5而保留q3 米氏散射 MieScatter 變?yōu)槿鹄⑸?RayleighScatter 在瑞利散射 RayleighScatter 中 球形粒子的吸收衰減截面 ab和散射衰減截面 sc可以簡化展開為 5 37 5 38 式中Im表示對(duì)一個(gè)復(fù)數(shù)取虛部運(yùn)算的算子 因?yàn)?5 37 代表的吸收衰減截面 ab遠(yuǎn)大于 5 38 代表的散射衰減截面 sc 所以總衰減截面 a約等于 5 37 代表的吸收衰減截面 ab 5 2輻射傳輸方程 RadiativeTransferEquation 吸收系數(shù)kab與電離層離子的或大氣層分子的吸收有關(guān) 電磁波輻射隨著吸收介質(zhì)的路徑微分元dz逐步衰減 我們使用kab z 描述在這個(gè)路徑位置z處的吸收系數(shù) 沿著電磁波輻射的傳播路徑對(duì)吸收的輻射通量積分 可獲得輻射的總衰減量 5 2 1大氣輻射傳輸方程 RadiativeTransferEquationintheAtmosphere 輻射傳輸?shù)囊浑A微分方程是 5 43 該方程的求解過程比較復(fù)雜 這里不再贅述 對(duì)于路徑h 其解是 5 44 式中LS代表光源表面的輻亮度 radianceofthesourcesurface 為得到大氣中的輻射傳輸方程 RadiativeTransferEquationintheAtmosphere 的通解 需要知道LB 即與大氣溫度相同的黑體發(fā)射的輻亮度 和kab 這兩個(gè)參數(shù)是高度的函數(shù) 一個(gè)簡單的數(shù)值解法是 把大氣分成一系列水平層面 然后把各層的影響累加起來 在每一層內(nèi) 令LB為常數(shù) 可得一個(gè)簡單解 solution 5 46 式中 是該層介質(zhì)的光學(xué)厚度 5 2 2光學(xué)質(zhì)量和光學(xué)厚度 OpticalMass OpticalThickness 因?yàn)槲找鸬墓鈱W(xué)厚度 opticalthickness 的定義是在一階近似條件下 大氣的光學(xué)質(zhì)量 opticalairmass m是 5 51 在衛(wèi)星遙感中 太陽天頂角總是小于60度 我們可以用一階近似 5 51 來表示大氣中任何粒子的光學(xué)質(zhì)量 5 3大氣層和大氣窗 Aerosphere AtmosphericWindows 科學(xué)家將地球大氣分為三層 包括對(duì)流層 troposphere 同溫層 stratosphere 或平流層 advectionlayer 和電離層 Ionosphere 環(huán)繞在地球表面至高空6 18km范圍內(nèi)的一層大氣稱為對(duì)流層 troposphere 對(duì)流層向上至大約50km左右的范圍 就是通常所稱的同溫層 stratosphere 或平流層 advectionlayer 5 3 1對(duì)流層 同溫層和電離層 Troposphere Stratosphere Ionosphere 圍繞地球的空氣主要分布在對(duì)流層 對(duì)流層的高度在赤道附近為17 18km 在中緯度區(qū)域?yàn)?0 12km 在高緯度區(qū)域?yàn)? 9km 在赤道地區(qū) 同溫層的范圍是離地表17 50km處的高度內(nèi) 在南北極地區(qū) 同溫層的范圍是離地表6 50km處的高度內(nèi) 同溫層被稱為平流層 因?yàn)樵谠搶哟髿庖云搅鬟\(yùn)動(dòng)為主 極少發(fā)生垂直方向的對(duì)流運(yùn)動(dòng) 對(duì)地球電離層而言 它分布在自地球表面上約50km到數(shù)千公里的大氣內(nèi) 依其電子密度隨高度的分布不同 電離層 Ionosphere 又可分成D E和F三層 5 3 2臭氧 Ozone 由于同溫層的高度較對(duì)流層高 因此與到達(dá)地表的太陽輻射相比 同溫層的太陽輻射含有更多的短波紫外輻射 一般將來自太陽的紫外輻射按照波長的大小分為三個(gè)區(qū) 波長在315 400nm之間的紫外線 ultravioletradiation 稱為UV A區(qū) 該區(qū)的紫外線不能被臭氧有效吸收 但是也不造成地表生物圈的損害 波長為280 315nm的紫外光稱為UV B區(qū) 這一波段的紫外輻射是可能到達(dá)地表并對(duì)人類和生態(tài)系統(tǒng)造成最大危害的部分 波長為200 280nm的紫外光部分稱為UV C區(qū) 該區(qū)紫外線波長短 能量高 不過這一區(qū)的紫外線能被大氣中的氧氣和臭氧完全吸收 即使是同溫層的臭氧發(fā)生損耗 UV C波段的紫外線也不會(huì)到達(dá)地表造成不良影響 如果在攝氏零度的溫度下 沿著垂直于地表的方向?qū)⒋髿庵械某粞跞繅嚎s到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 那么臭氧層的總厚度只有3mm左右 這種用從地面到高空垂直柱中臭氧的總厚度來反映大氣中臭氧含量的方法叫做柱濃度法 采用多布森單位 DobsonUnit 簡稱D U 來表示 正常大氣中臭氧的柱濃度 totalcolumnozone 約為300D U 1 0D U 相當(dāng)于在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和攝氏零度的溫度下0 001cm的臭氧層厚度 5 3 3氣溶膠 Aerosols 氣溶膠是氣體和在重力場中具有一定穩(wěn)定性和較小沉降速度的物質(zhì)顆粒組成的混合系統(tǒng) 章澄昌和周文賢1995 一般地 氣溶膠是指懸浮在空氣中的 由固體和液體顆粒與氣體載體共同組成的多相體系 氣溶膠的尺度范圍一般在10 3 10 m之間 大氣物理學(xué)通常將凝結(jié)核分為愛根核 尺度1 m 氣溶膠的濃度 指單位體積空氣中所含一定尺度范圍內(nèi)物質(zhì)顆粒的個(gè)數(shù) 表面積 體積和質(zhì)量 分別稱為數(shù)濃度 cm 3 表面積濃度 m2 cm 3 體積濃度 m3 cm 3 和質(zhì)量濃度 g cm 3 氣溶膠對(duì)輻射的影響有兩種方式 一種是直接影響 是指氣溶膠直接散射和吸收電磁輻射 另一種是間接影響 這是指氣溶膠作為凝結(jié)核 在大氣中改變?cè)频蔚臐舛群驮频卧诖髿庵写嬖诘臅r(shí)間 通過云滴影響電磁輻射 氣溶膠對(duì)電磁輻射的影響是雙向的 5 3 4大氣分子 臭氧和氣溶膠的光學(xué)厚度 OpticalThicknessesofAtmosphericMolecules Ozone Aerosols 對(duì)于可見光波段的遙感來說 相當(dāng)精確的大氣分子的光學(xué)厚度 opticalthicknessofatmosphericmolecules air 的表達(dá)式如下 5 57 式中波長 的單位是 m P z 是高度z處的大氣壓 Pn 0 是15 C時(shí)海平面的大氣壓 P z top 是在對(duì)流層頂?shù)拇髿鈮?1hPa 百帕 100pascals 帕斯卡 1millibar 毫巴 在可見光和近紅外光波段 氣溶膠的光學(xué)厚度 aerosolopticalthickness 主要是由氣溶膠對(duì)電磁波的散射引起的 氣溶膠散射的計(jì)算比較復(fù)雜 由于氣溶膠粒子遠(yuǎn)大于大氣分子 所以不能使用瑞利散射理論進(jìn)行研究 氣溶膠的光學(xué)厚度 A和波長 的關(guān)系是 5 58 式中 是埃斯特朗 Angstrom 指數(shù) 它與氣溶膠的粒徑有關(guān) 故稱為氣溶膠的尺度因子 與氣溶膠的粒子濃度有關(guān) 故稱為氣溶膠的濃度因子或渾濁度因子 圖5 4 在渤海海域某站點(diǎn)測(cè)量的氣溶膠散射光學(xué)厚度隨波長變化的曲線 圖5 5 2003年8月份渤海海域上空440nm波段的氣溶膠散射光學(xué)厚度的等值線 臭氧的光學(xué)厚度 ozoneopticalthickness oz 是由臭氧吸收引起的 它可從臭氧的全球分布的網(wǎng)站資料獲得 臭氧吸收的光學(xué)厚度 Ozoneopticalthickness 可由下面公式計(jì)算獲得 5 59 式中Uoz是臭氧濃度 采用多布森單位 單位是D U 是與波長有關(guān)的一個(gè)衰減因子 單位是cm 1 其大小為 5 60 圖5 6 2003年8月份渤海海域上空的臭氧濃度 單位為DU 的等值線 圖5 7 大氣分子散射的光學(xué)厚度 1號(hào)藍(lán)色 氣溶膠散射的光學(xué)厚度 2號(hào)紫色 及臭氧吸收的光學(xué)厚度 3號(hào)淺黃色 在總光學(xué)厚度中所占的比例 5 3 5水蒸汽和氧氣的吸收 AbsorptionsofWaterVaporandOxygen 氧分子 O2 具有一個(gè)恒磁矩 同入射場相互作用 在60GHz 對(duì)應(yīng)波長0 5cm 75GHz和118 8GHz 對(duì)應(yīng)波長0 25cm 附近產(chǎn)生許多分離的譜線 人們稱這些頻率帶為氣體吸收帶 在近紅外波段 氧分子 O2 有中心在1 2683 m和1 0674 m的吸收帶 在可見光的吸收帶波段 氧分子有中心在0 7620 m 0 6901 m以及0 6313 m的吸收帶 在紫外光波段 氧分子還有許多強(qiáng)吸收帶 曾慶存1974 陳渭民2003 水蒸汽 H2O 是具有一個(gè)電偶極子的極性分子 同入射電磁波相互作用在22 235GHz 對(duì)應(yīng)波長1 348cm 183 3GHz以及遠(yuǎn)紅外區(qū) 310GHz和325GHz 的若干頻率上產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)譜線 水汽吸收帶包括22 235GHz 153GHz和183 3GHz三個(gè)微波吸收帶 310GHz和325GHz兩個(gè)遠(yuǎn)紅外吸收帶 以及某些其它紅外波段 例如936nm近紅外強(qiáng)吸收帶 包括上述吸收頻帶的紅外和微波輻射計(jì)能夠用于探測(cè)大氣垂直氣柱內(nèi)的水汽含量 此外 水蒸汽 H2O 在熱紅外6 25 m存在一個(gè)強(qiáng)吸收帶 振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)基本帶 在大于10 m的波段附近存在一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)帶 在0 544 0 847 m存在一個(gè)吸收帶 在某些分散的紅外波段 1 1 m 1 38 m 1 87 m 2 7 m 3 2 m 也存在吸收帶 曾慶存1974 陳渭民2003 圖5 8 2003年8月份渤海海域上空水汽含量 單位cm 的等值線 5 3 6大氣窗 AtmosphericWindows 影響海洋熱收支 OceanicHeatBudget 的四個(gè)熱通量是 太陽入射輻射通量