大氣物理中紅外傳輸

1、 大氣物理中紅外傳輸?shù)恼J(rèn)識 先認(rèn)識一下大氣物理學(xué)的研究領(lǐng)域，大氣物理學(xué)主要研究地球大氣參數(shù)、大氣現(xiàn)象和過程的物理性質(zhì)及其變化規(guī)律。大氣中的物理過程研究不僅涉及大氣科學(xué)的方方面面，還與陸地學(xué)、海洋學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科密切相關(guān)。大氣科學(xué)最重要的使命是科學(xué)預(yù)測十年到百年間的環(huán)境一氣候變化趨勢?，F(xiàn)代大氣物理學(xué)為了適應(yīng)地球環(huán)境與全球氣候變化的深入研究需求，產(chǎn)生許多新的學(xué)科分支，如研究大氣輻射特性和輻射傳輸過程的大氣輻射學(xué)、研究中層(或高層)大氣中各種物理現(xiàn)象和過程的中層(或高層)大氣物理學(xué)、研究大氣遙感原理、技術(shù)和應(yīng)用的大氣遙感學(xué)、研究大氣邊界層中物理現(xiàn)象和過程的大氣邊界層物理學(xué)等等。在這里，自己選擇自己相

2、對熟悉的大氣物理中的大氣紅外輻射傳輸來談?wù)勛约旱恼J(rèn)識。 對大氣輻射傳輸?shù)恼J(rèn)識大氣輻射傳輸建立了一個簡單的模型（如下圖）.在物理學(xué)中，介質(zhì)與電磁波的相互作用是一個具有吸收又有發(fā)射的過程， 在這里我們把整層大氣也看成是一種介質(zhì)，太陽穿過大氣層，由于大氣的存在，也會發(fā)生吸收與輻射，最后到達(dá)地面。也正是這個熱交換過程，才讓我們的地球保持著一個熱平衡。我們可以用一個示意圖來表示： 大地的發(fā)射大地的吸收云的吸收與發(fā)射氣溶膠的散射來 自 太 陽 的 輻 射 輻射束通常可以按其在輻射傳輸場中的強度（或輻亮度）來表示，根據(jù)模型的假設(shè)，可以得到一個紅外傳輸方程 這個方程中是表示吸收系數(shù)，表示吸收氣體的密度，S為傾

3、斜的路徑，為源函數(shù)。 這里解釋一下，電磁波在穿越大氣的時候，除了大氣的吸收（也成為大氣消光）外，我們在測量時還有來自其他方面的輻射進(jìn)入測量結(jié)果，比如氣溶膠的散射，會使測量的結(jié)果增加，比如大地的黑體輻射，也會使測量結(jié)果增加，這些因素我們統(tǒng)一定義為源函數(shù)。 在紅外輻射傳輸時，大地近似為黑體，可以用普朗克函數(shù)來代替，而且因為紅外線波長較長，一般大于氣溶膠的尺度，所以可以不考慮氣溶膠的散射增強。 考慮到入射的時候不可能只有垂直入射，所以得加入一個角度，定義，這樣可以得到向上的和向下的輻射傳輸方程：向上的 （1）向下的 （2）這兩個式子中定義為垂直光學(xué)厚度，有表示穿過某層介質(zhì)后的衰減的比例，為接近地面的

4、光學(xué)厚度。這樣，我們令（1）式中的，這樣就是穿越了整個大氣層的傳輸方程，可以用于太空遙感。 同樣，我們令（2）式中的也就是接受來自大氣層外的輻射穿越了整個大氣層的傳輸方程，可以用于地基遙感。上面只是理論方程，做了很多假設(shè)，比如假設(shè)大氣處于熱力平衡狀態(tài)，同時是平面平行的結(jié)構(gòu)。那么我們用這個方程可以做什么事情呢？或者說測得哪些物理量呢？從方程的表達(dá)式來看，里面有普朗克函數(shù)，該函數(shù)是溫度的方程，這樣我們可以來反演大氣溫度廓線，也可以來遙感云的溫度。 在具體的測量中，當(dāng)然要知道光學(xué)厚度，該物理量與吸收線型，離子的分布密度，高度都有關(guān)。這樣可以測量痕量氣體含量，氣溶膠的尺度譜分布。 這里有涉及到空氣的成

5、分，比如氮，氧，氖，氬，二氧化碳的體積百分比。 上面說的是黑體輻射，但和真正的黑體是有差別的，所以這又涉及到地面目標(biāo)的發(fā)射率（紅外譜段） 表面類型發(fā)射率 表面類型 發(fā)射率液態(tài)水1.0土壤0.90.98新雪0.99草地0.90.95老雪0.82沙漠0.840.91液態(tài)水云0.251.0森林0.950.97卷云0.10.9混凝土0.710.9冰0.96城市0.850.87 涉及的線型(1) 壓致增寬 由于碰撞增寬導(dǎo)致的線型稱為洛侖茲廓線 是理想單色譜線的波數(shù)，是二分之一極大值處譜線的半寬（2）多普勒增寬 其中： 多普勒半寬與絕對溫度的平方根成正比當(dāng)然，當(dāng)電磁波的波長變短時，也就是我們?nèi)粘Ｋ玫目梢?/p>

6、光波段時，這時就要考慮了空氣中粒子的散射問題。這里涉及到兩種重要的散射取決粒子的尺度參數(shù)，對于球形粒子，它的尺度參數(shù)定義為粒子周長與入射波長的之比， ,這里的a是粒子的半徑。若x<<1時為Reyleigh散射，x>1時為Mie散射。Mie散射的情況要復(fù)雜一些。（a） (c)(b)入射光線圖中是0.5vm的可見光照射三種尺度的球型氣溶膠所產(chǎn)生的散射能量角分布知道上面的信息，可以通過空基和地基遙感來確定相關(guān)的參數(shù)。現(xiàn)在的氣象衛(wèi)星都有紅外波段的通道，有的采用多通道的差分原理，來消除某個參數(shù)對測量值的影響；有的采用臨邊遙感的方式，可以增加對微量氣體的靈敏度，同時可以消除地面的輻射影響。地基遙感通常是采用雷達(dá)，有激光雷達(dá)和多普勒雷達(dá)，這些雷達(dá)可以遙感氣體廓線，降水量，雨滴分布譜，臭氧的含量等等?？梢钥闯?，模型很簡單，傳輸方程也很簡單?，F(xiàn)在很多氣象科研人員做的是能夠來理清大氣中各種參數(shù)的相互影響，采用更為精確的模型，得出更為可靠的