第五章輻射2AtmosRad

1、第五章第五章地面和大氣中的輻射過(guò)程地面和大氣中的輻射過(guò)程5.3 5.3 地球大氣與輻射的相互作用地球大氣與輻射的相互作用重點(diǎn)：重點(diǎn)：吸收光譜、散射特征、布格定律吸收光譜、散射特征、布格定律相關(guān)物理量相關(guān)物理量5.3.1 5.3.1 大氣吸收的物理過(guò)程大氣吸收的物理過(guò)程吸收：投射到介質(zhì)上面的輻射能中的一部分被轉(zhuǎn)變?yōu)槲镔|(zhì)本身的內(nèi)能或其它形式的能量大氣中有各種氣體成分及氣溶膠粒子對(duì)輻射具有選擇吸收的特性是分子和原子結(jié)構(gòu)及其所處運(yùn)動(dòng)狀態(tài)決定的。氣體分子或原子內(nèi)的氣體分子或原子內(nèi)的電子能級(jí)躍遷電子能級(jí)躍遷、原子和分子、原子和分子的的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)等所發(fā)射和吸收的輻射譜等所發(fā)射和吸收的輻射譜是非連續(xù)

2、是非連續(xù)性的性的，構(gòu)成，構(gòu)成原子的線光譜原子的線光譜和和分子的帶光譜分子的帶光譜。單個(gè)分子，當(dāng)它處于某一特定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，其分單個(gè)分子，當(dāng)它處于某一特定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，其分子內(nèi)部總能量子內(nèi)部總能量E E由三部分組成由三部分組成E =Ee+Ev+Er（5.3.1） Ee：繞原子核轉(zhuǎn)動(dòng)的外層電子的動(dòng)能和靜電位能繞原子核轉(zhuǎn)動(dòng)的外層電子的動(dòng)能和靜電位能Ev：原子在其平衡位置附近振動(dòng)的能量原子在其平衡位置附近振動(dòng)的能量Er：分子繞其質(zhì)量中心轉(zhuǎn)動(dòng)的能量分子繞其質(zhì)量中心轉(zhuǎn)動(dòng)的能量 分子光譜分子光譜吸收系數(shù)吸收系數(shù)單個(gè)粒子的吸收截面單個(gè)粒子的吸收截面s sab 粒子所吸收的輻射通量相當(dāng)于面積粒子所吸收的輻射通量相當(dāng)

3、于面積s sab從入射輻從入射輻射場(chǎng)中所截獲的輻射通量（訂正教材）射場(chǎng)中所截獲的輻射通量（訂正教材）體積吸收系數(shù)體積吸收系數(shù)單位體積中各粒子吸收截面之和（單位體積中各粒子吸收截面之和（kab=Ns sab）質(zhì)量吸收系數(shù)質(zhì)量吸收系數(shù)單位質(zhì)量的吸收物質(zhì)（單位質(zhì)量的吸收物質(zhì)（1 1cmcm2 2氣柱中）吸收了原氣柱中）吸收了原輻射能的份數(shù)輻射能的份數(shù)(5.3.19)(5.3.19)ababababANkNkMssabk選擇性吸收選擇性吸收太陽(yáng)短波輻射：太陽(yáng)短波輻射：H H2 2O O、O O2 2、O O3 3地氣長(zhǎng)波輻射：地氣長(zhǎng)波輻射：H H2 2O O、COCO2 2、O O3 3氣體吸收對(duì)大氣

4、輻射平衡的重要性取決于：氣體吸收對(duì)大氣輻射平衡的重要性取決于：一是吸收線的強(qiáng)度一是吸收線的強(qiáng)度二是吸收氣體的含量及其空間分布。二是吸收氣體的含量及其空間分布。5.3.2 5.3.2 大氣吸收光譜大氣吸收光譜H H2 2O O吸收約吸收約20%20%的太陽(yáng)能量的太陽(yáng)能量幾乎覆蓋長(zhǎng)波輻射整個(gè)波段幾乎覆蓋長(zhǎng)波輻射整個(gè)波段6.3 m振動(dòng)帶振動(dòng)帶大于大于12 m轉(zhuǎn)動(dòng)帶轉(zhuǎn)動(dòng)帶5.3.2 5.3.2 大氣吸收光譜大氣吸收光譜H H2 2O OH H2 2O O主要集中在大氣下層，吸收作用主要在對(duì)流主要集中在大氣下層，吸收作用主要在對(duì)流層，特別是對(duì)流層下層層，特別是對(duì)流層下層液態(tài)水：吸收帶與氣態(tài)對(duì)應(yīng)，波段向長(zhǎng)

5、波方向移動(dòng)液態(tài)水：吸收帶與氣態(tài)對(duì)應(yīng)，波段向長(zhǎng)波方向移動(dòng)5.3.2 5.3.2 大氣吸收光譜大氣吸收光譜O2主要在小于主要在小于0.25 m的紫外區(qū)：的紫外區(qū)：舒曼舒曼龍格（龍格（SchumannSchumann- -RungeRunge）吸收帶）吸收帶赫茲堡（赫茲堡（HerzbergHerzberg）帶）帶因小于因小于0.25 m的太陽(yáng)輻射能量不到的太陽(yáng)輻射能量不到0.2%0.2%，而且，而且O2在可見(jiàn)光波段的兩吸收帶較弱，所以對(duì)太陽(yáng)在可見(jiàn)光波段的兩吸收帶較弱，所以對(duì)太陽(yáng)輻射的削弱不大。輻射的削弱不大。5.3.2 5.3.2 大氣吸收光譜大氣吸收光譜O3強(qiáng)吸收在的紫外區(qū)：強(qiáng)吸收在的紫外區(qū)：哈特

6、來(lái)（哈特來(lái)（HhartleyHhartley）帶）帶最強(qiáng)最強(qiáng)哈金斯（哈金斯（HugginsHuggins）帶）帶較弱較弱可見(jiàn)光區(qū)：查普尤（可見(jiàn)光區(qū)：查普尤（ChappuisChappuis）帶帶較弱較弱O3層吸收太陽(yáng)輻射的2%平流層溫度高的原因紅外區(qū)：4.7 m、9.6 m 、14.1 m較強(qiáng)吸收帶較強(qiáng)吸收帶5.3.2 5.3.2 大氣吸收光譜大氣吸收光譜19321932年：嚴(yán)濟(jì)慈采用照相光年：嚴(yán)濟(jì)慈采用照相光度術(shù)，精確測(cè)定了臭氧在全度術(shù)，精確測(cè)定了臭氧在全部紫外區(qū)域（部紫外區(qū)域（215-345215-345納米）納米）的吸收系數(shù)，并發(fā)現(xiàn)了若干的吸收系數(shù)，并發(fā)現(xiàn)了若干新光帶新光帶國(guó)際臭氧委員會(huì)

7、把嚴(yán)濟(jì)慈精國(guó)際臭氧委員會(huì)把嚴(yán)濟(jì)慈精確測(cè)定的吸收系數(shù)定為標(biāo)準(zhǔn)確測(cè)定的吸收系數(shù)定為標(biāo)準(zhǔn)值，各國(guó)氣象學(xué)家用以每日值，各國(guó)氣象學(xué)家用以每日測(cè)定高空臭氧層厚度的變化，測(cè)定高空臭氧層厚度的變化，長(zhǎng)達(dá)年之久長(zhǎng)達(dá)年之久5.3.2 5.3.2 大氣吸收光譜大氣吸收光譜CO2大于大于2 m的紅外區(qū)：的紅外區(qū)：較強(qiáng)中心：較強(qiáng)中心： 2 2.7m、4.3m 、15m15m最重要5.3.2 5.3.2 大氣吸收光譜大氣吸收光譜紫外波段紫外波段O2、O3把把0.290.29 m以下的紫外輻射幾乎全部吸收以下的紫外輻射幾乎全部吸收可見(jiàn)光波段只有非常少量的吸收可見(jiàn)光波段只有非常少量的吸收紅外波段紅外波段主要是水汽的吸收，其次

8、是主要是水汽的吸收，其次是CO2和和CH4。 1414 m以外的輻射不能透過(guò)大氣傳向外空以外的輻射不能透過(guò)大氣傳向外空。5.3.2 5.3.2 大氣吸收光譜大氣吸收光譜大氣透明窗或大氣光譜窗大氣透明窗或大氣光譜窗8 8 12 12 m大氣的吸收很弱大氣的吸收很弱地表的溫度約地表的溫度約300300K K，與這個(gè)溫度相對(duì)應(yīng)的黑體與這個(gè)溫度相對(duì)應(yīng)的黑體輻射能量主要集中在輻射能量主要集中在1010 m這一范圍，通過(guò)窗這一范圍，通過(guò)窗區(qū)，地面發(fā)出的長(zhǎng)波輻射可順利地被發(fā)送到宇區(qū)，地面發(fā)出的長(zhǎng)波輻射可順利地被發(fā)送到宇宙空間宙空間。5.3.2 5.3.2 大氣吸收光譜大氣吸收光譜5.3.3 5.3.3 大氣

9、對(duì)輻射的散射大氣對(duì)輻射的散射氣體分子以及氣溶膠粒子內(nèi)含有多個(gè)分立的電子和質(zhì)氣體分子以及氣溶膠粒子內(nèi)含有多個(gè)分立的電子和質(zhì)子，當(dāng)電磁波照射到粒子上后，使正負(fù)電荷中心產(chǎn)子，當(dāng)電磁波照射到粒子上后，使正負(fù)電荷中心產(chǎn)生偏移，構(gòu)成電偶極子或多極子，并在電磁波激發(fā)生偏移，構(gòu)成電偶極子或多極子，并在電磁波激發(fā)下作受迫振動(dòng)，向各方向發(fā)射次生電磁波。這種次下作受迫振動(dòng)，向各方向發(fā)射次生電磁波。這種次生電磁波就是散射輻射。生電磁波就是散射輻射。特點(diǎn)特點(diǎn)：散射波長(zhǎng)和原始波相同，并且與原始波有固定散射波長(zhǎng)和原始波相同，并且與原始波有固定的位相關(guān)系。的位相關(guān)系。散射和吸收不同散射和吸收不同：（：（1 1）它不產(chǎn)生分子內(nèi)

10、能狀態(tài)的變化，它不產(chǎn)生分子內(nèi)能狀態(tài)的變化，應(yīng)以電磁波理論和物質(zhì)的電子理論來(lái)解釋（應(yīng)以電磁波理論和物質(zhì)的電子理論來(lái)解釋（MieMie理理論）；吸收是因能態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生的，需要用量論）；吸收是因能態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生的，需要用量子理論來(lái)解釋。（子理論來(lái)解釋。（2 2）散射不是選擇性的，散射不是選擇性的，它在電磁它在電磁波譜的各個(gè)波長(zhǎng)上都會(huì)發(fā)生，因而是全波段的。波譜的各個(gè)波長(zhǎng)上都會(huì)發(fā)生，因而是全波段的。5.3.3 5.3.3 大氣對(duì)輻射的散射大氣對(duì)輻射的散射1 1散射過(guò)程的分類散射過(guò)程的分類定義無(wú)量綱尺度參數(shù)當(dāng)1時(shí)：Rayleigh散射，也稱分子散射。如空氣分子對(duì)短波輻射的散射。當(dāng)0.1 50：幾何光

11、學(xué)：折射。如大雨滴對(duì)可見(jiàn)光的折射、反射。2 r1 1散射過(guò)程的分類散射過(guò)程的分類一個(gè)粒子的散射截面一個(gè)粒子的散射截面ss，表示當(dāng)有輻照度為表示當(dāng)有輻照度為E E的的輻射射入時(shí)，將把輻射射入時(shí)，將把E Ess的能量散射到四面八方，的能量散射到四面八方，而使入射波的能量減少而使入射波的能量減少E Ess。若單位體積中有若單位體積中有 N N 個(gè)相同的顆粒，則總散射掉的輻射能為個(gè)相同的顆粒，則總散射掉的輻射能為 ENENss。單位體積中各個(gè)粒子散射截面之和稱為單位體單位體積中各個(gè)粒子散射截面之和稱為單位體積的散射削弱系數(shù)積的散射削弱系數(shù)k ks s 2 2散射削弱系數(shù)散射削弱系數(shù)Niik1s,ss對(duì)

12、于不同大小的氣溶膠散射粒子：對(duì)于不同大小的氣溶膠散射粒子：大氣對(duì)輻射的散射削弱作用的大小取決于兩個(gè)大氣對(duì)輻射的散射削弱作用的大小取決于兩個(gè)因素，即單位體積中散射顆粒物的多少以及每因素，即單位體積中散射顆粒物的多少以及每個(gè)散射粒子的散射截面?zhèn)€散射粒子的散射截面2 2散射削弱系數(shù)散射削弱系數(shù) ss0, ,cckrm n r drs（1 1）瑞利散射）瑞利散射4423sc,13)1(32CNmk64sc,01.0563 10k標(biāo)況下，00sc,sc,kkm:折射率，一般為復(fù)數(shù)，虛部代表吸收（1 1）瑞利散射）瑞利散射散射削弱系數(shù)與波長(zhǎng)的4次方成反比，波長(zhǎng)越短，分子散射削弱越強(qiáng)。例題 計(jì)算藍(lán)光與紅光的

13、散射削弱系數(shù)之比。4,4,0.704.920.47sc bluesc redkkLord Lord RayleighRayleigh (John William (John William StruttStrutt 1842- 1842-1919)1919)英國(guó)物理學(xué)家英國(guó)物理學(xué)家18711871：Rayleigh ScatteringRayleigh Scattering光學(xué)光學(xué)聲學(xué)聲學(xué)電學(xué)電學(xué)熱力學(xué)熱力學(xué)1904 Nobel Prize1904 Nobel Prize（1 1）瑞利散射）瑞利散射（2 2）米散射）米散射 ( (大顆粒散射大顆粒散射) )假設(shè)：粒子是球體；介質(zhì)均勻假設(shè)：粒子是

14、球體；介質(zhì)均勻球狀粒子的散射特性取決于粒子的相對(duì)尺度球狀粒子的散射特性取決于粒子的相對(duì)尺度數(shù)數(shù)a a和和粒子介質(zhì)粒子介質(zhì)復(fù)折射指數(shù)復(fù)折射指數(shù)m m 。米散射理論是球狀粒子散射的通用理論米散射理論是球狀粒子散射的通用理論散射效率因子：粒子的散射截面與粒子幾何散射效率因子：粒子的散射截面與粒子幾何截面之比截面之比2scsc rQ（2 2）米散射）米散射 ( (大顆粒散射大顆粒散射) )（2 2）米散射）米散射 ( (大顆粒散射大顆粒散射) )假論一般大氣條件下粒子是獨(dú)立散射的，則假論一般大氣條件下粒子是獨(dú)立散射的，則單位體積中粒子的總散射截面就是各粒子散單位體積中粒子的總散射截面就是各粒子散射截面

15、之和，即得到散射系數(shù)射截面之和，即得到散射系數(shù)scsc02sc0( , )( )d( , )( )dkrn n rrr Qrn n rrsbCkscGustav Gustav MieMie (1868-1957) (1868-1957)德國(guó)物理學(xué)家德國(guó)物理學(xué)家19081908：Mie theoryMie theory（2 2）米散射）米散射 ( (大顆粒散射大顆粒散射) )5.3.45.3.4輻射能在介質(zhì)中的傳輸輻射能在介質(zhì)中的傳輸1.1.布格布格- -朗伯（朗伯（Beer-Beer-Bouguer-LanbertBouguer-Lanbert）定律定律a ,ddbEEkl1a .0d,0eb

16、kllEEa ,ddbEEkl1a .0d,0ebkllEE,0E,lE1l1ldl衰減系數(shù)或削弱系數(shù)或衰減系數(shù)或削弱系數(shù)或消光系數(shù)消光系數(shù)11.00dd,0,0eeexexklkllEEE對(duì)于散射和吸收引起的總衰減，可寫為：.exscabkkk1. Beer-1. Beer-Bouguer-LanbertBouguer-Lanbert law lawPierre Pierre BouguerBouguer1698-17581698-1758versatile French versatile French scientist best scientist best remembered remembered as one of the as one of the founders of founders of photometry, photometry, the the measurement measurement of light of light intensities. intensities. 2. 2. 輻射傳輸?shù)挠嘘P(guān)物理量輻射傳輸?shù)挠嘘P(guān)物理量(1)(1)光學(xué)厚度光學(xué)厚度,00ddllexexklkl00ddllexexklkl2. 2. 輻射傳輸?shù)挠嘘P(guān)物理量輻射傳輸?shù)挠嘘P(guān)物理量(1)(1)光學(xué)厚度光學(xué)厚度,0elE