第五章紅外輻射在大氣中的傳輸

1第五章

紅外輻射在大氣中的傳輸

2教學(xué)目的：本章著重讓學(xué)生理解紅外輻射在大氣中傳輸時(shí)發(fā)生衰減的物理起因，了解紅外輻射在大氣中的傳輸特性以及學(xué)會(huì)使用軟件來計(jì)算大氣透射率。學(xué)時(shí)分配：4重點(diǎn)、難點(diǎn)：吸收衰減、散射衰減、大氣透射率的計(jì)算。3

紅外輻射在大氣中的傳輸問題一直受到人們的普遍重視。這是因?yàn)榧t外輻射自目標(biāo)發(fā)出后，要在大氣中傳輸相當(dāng)長的距離，才能達(dá)到觀測(cè)儀器，由此總要受到大氣中各種因素的影響，給紅外技術(shù)的應(yīng)用造成限制性的困難。4紅外輻射在大氣中傳輸時(shí)，主要有以下幾種因素使之衰減：

（1）在0.2～0.32μm的紫外光譜范圍內(nèi)，光吸收與臭氧的分解作用有聯(lián)系。（2）在紫外和可見光譜區(qū)域中，由氮分子和氧分子所引起的瑞利（Rayleigh)散射是必須要考慮的。（3）粒子散射或米（Mie)氏散射。（4）大氣中某些元素原子的共振吸收。（5）分子的帶吸收是紅外輻射衰減的重要原因。5§5.1地球大氣的基本組成和氣象條件1大氣的基本組成

包圍著地球的大氣層，每單位體積中大約有78%的氮?dú)夂?1%的氧氣，另外還有不到1%的氬（Ar）、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、一氧化二氮(N2O)、甲烷(CH4)、臭氧(O3)、水汽(H2O)等成分。除氮?dú)狻⒀鯕馔獾钠渌麣怏w統(tǒng)稱為微量氣體。除了上述氣體成分外，大氣中還含有懸浮的塵埃、液滴、冰晶等固體或液體微粒，這些微粒通稱為氣溶膠。6§5.1地球大氣的基本組成和氣象條件干潔空氣

1概念：

大氣中除水汽、液體和固體雜質(zhì)外的整個(gè)混合氣體。2成分：主要成分是氮、氧、氬、二氧化碳等，此外還有少量的氫、氖、氪、氙、臭氧等稀有氣體。3特點(diǎn)：(1)組成干潔空氣的各種成分總是維持，(2)干潔空氣的平均分子量是28.996，(3)在垂直高度90km以下干潔空氣的主要成分所占比例不變4干潔空氣中幾種有影響的氣體（1）臭氧:含量少，20-25km最多；影響氣溫垂直分布，保護(hù)生物（2）二氧化碳：集中于大氣底部20公里，因時(shí)間和空間而不同(夏季較少，冬季較多；城市較多，農(nóng)村較少)強(qiáng)烈吸收長波輻射,影響大氣和地面溫度；但含量過高影響會(huì)響人類健康。7水汽來源：江、河、湖、海及潮濕物體表面的水分蒸發(fā)

.分布：集中在大氣底層，一般隨高度的增高而減少

;且因緯度、地勢(shì)高低以及海陸的不同而有差異：低緯＞高緯、夏季＞冬季、濕潤地區(qū)＞干旱地區(qū)作用：是大氣唯一能發(fā)生相變的氣體，產(chǎn)生天氣現(xiàn)象；對(duì)地面和空氣溫度產(chǎn)生影響；在水平和垂直方向上進(jìn)行物質(zhì)與能量的交換。大氣中的固體雜質(zhì)和液體微粒

1.固體雜質(zhì)

定義：懸浮于大氣中的煙粒、塵埃、鹽粒等。

來源：物質(zhì)燃燒的煙粒、海水飛濺揚(yáng)入大氣后而被蒸發(fā)的鹽粒，被風(fēng)吹起的土壤微粒及火山噴發(fā)的煙塵，流星燃燒所產(chǎn)生的細(xì)小微粒和宇宙塵埃,還有細(xì)菌、微生物、植物的孢子花粉等。

8含量分布：多集中在大氣的底層，隨時(shí)間、地區(qū)和天氣條件而變化（陸上多于海上,城市多于鄉(xiāng)村，冬季多于夏季）作用:(1)吸收一部分太陽輻射和阻擋地面放熱，對(duì)地面和空氣溫度有一定影響；

(2)使大氣能見度變壞；

(3)充當(dāng)水汽凝結(jié)的核心，對(duì)云、雨的形成起重要作用。2.液體微粒定義：懸浮大氣中的水滴、過冷水滴和冰晶等水汽凝結(jié)物。作用：它們常聚集在一起，以云、霧等形式出現(xiàn)，使能見度變壞，還能減弱太陽輻射和地面輻射。9大氣污染定義：由于工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，在廢氣不加以回收利用的情況下，空氣中增加了許多新的成分，這就是所說的大氣污染。大氣污染物:如下表分類成分粉塵微粒碳粒、飛灰.碳酸鈣、氧化鋅、二氧化鉛硫化物二氧化硫、三氧化硫、硫酸、硫化氫、硫醇等氮化物一氧化氮、二氧化氮、氨等氧化物臭氧、過氧化物、一氧化碳等鹵化物氯、氟化氫、氯化氫等有機(jī)化合物碳化氫、甲醛、有機(jī)酸、焦油、有機(jī)鹵化物、酮等10大氣的高度嚴(yán)格地說，不存在大氣圈的上界。

大氣圈的垂直范圍通常有兩種劃法：

（一）著眼于大氣中出現(xiàn)的某些物理現(xiàn)象。大氣中極光是出現(xiàn)高度最高的物理現(xiàn)象，因此，可以把大氣的上界定為1200公里。（二）著眼于大氣密度，用接近于星際的氣體密度的高度來估計(jì)大氣的上界。按照人造衛(wèi)星探測(cè)資料推算，這個(gè)上界大約在2000—3000公里高度上。

112大氣的氣象條件

所謂大氣的氣象條件，是指大氣的各種特性，如大氣的溫度、壓強(qiáng)、濕度、密度等，以及它們隨時(shí)間、地點(diǎn)、高度的變化情況。

右圖表示了海拔100km內(nèi)大氣溫度隨高度變化的情況。12大氣的垂直分層

觀測(cè)證明，大氣在垂直方向上的物理性質(zhì)是有顯著差異的。根據(jù)溫度、成分、電荷等物理性質(zhì)，同時(shí)考慮到大氣的垂直運(yùn)動(dòng)等情況，可將大氣分為四層：對(duì)流層、

平流層、中間層、熱層。（一）對(duì)流層（0~10km)

對(duì)流層是地球大氣中最低的一層，其底界是地面。云、霧、雨、雪等主要大氣現(xiàn)象都出現(xiàn)在此層。因而，對(duì)流層是對(duì)人類生產(chǎn)、生活影響最大的一個(gè)層次，也是各種大氣研究的重點(diǎn)層次。13（二）平流層（10~25km)

隨著高度的增高，氣溫保持不變或微有上升，因此平流層也稱為同溫層。氣流比較平衡，多晴好天氣，能見度高。

(三)中間層（25~80km)

該層的特點(diǎn)是：氣溫隨高度增高而上升（由于臭氧層對(duì)紫外線的吸收），而60~80km內(nèi)隨著高度增加溫度又逐漸下降。

(四)暖層（80~8000km)

該層的特點(diǎn)：隨著高度的增高，氣溫迅速升高空氣就更稀?。豢諝馓幱诟叨入婋x狀態(tài)。從這一特征來說，暖層又可稱為電離層。1415§5.2大氣中的主要吸收氣體和主要散射粒子大氣中的主要吸收氣體由水蒸氣、二氧化碳、和臭氧等。1水蒸氣

水蒸氣在大氣中，尤其在低層大氣中的含量較高，是對(duì)紅外輻射傳輸影響較大的一種大氣成分。雖然人眼看不見，但它的分子對(duì)紅外輻射有強(qiáng)烈的選擇吸收作用。

(1)水蒸氣含量描述

(2)水蒸氣的分布16(1)水蒸氣含量描述

1)水蒸氣壓強(qiáng)：水蒸氣壓強(qiáng)是大氣中水蒸氣的分壓強(qiáng)，用符號(hào)pw表示，其單位是Pa。2)絕對(duì)濕度：絕對(duì)濕度是單位體積空氣中所含有的水蒸氣的質(zhì)量，通常用符號(hào)ρw表示，其單位為g/m3。所謂絕對(duì)濕度，是指水蒸氣的密度。3)飽和水蒸氣壓：在由氣體轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w過程中的水蒸氣，稱為飽和水蒸氣。在飽和空氣中，水蒸氣在某一溫度下開始發(fā)生液化時(shí)的壓強(qiáng)，稱為飽和水蒸氣壓，用ps表示。4)飽和水蒸氣量：某一空氣試樣中，處于某一溫度時(shí)，單位體積內(nèi)所能容納最大可能的水蒸氣質(zhì)量，用ρs表示，其單位是g/m3。17(1)水蒸氣含量描述

5)相對(duì)濕度：相對(duì)濕度是空氣試樣中水蒸氣的含量和同溫度下該空氣試樣達(dá)到飽和是水蒸氣含量的比值，用百分?jǐn)?shù)RH表示

（5-1）6)露點(diǎn)溫度：露點(diǎn)溫度是給定空氣試樣變成飽和狀態(tài)時(shí)的溫度18(2)水蒸氣分布

大氣中水蒸氣的密度隨著高度的增加而迅速地減小（每升高5km，分壓強(qiáng)降低一個(gè)數(shù)量級(jí)）。不同時(shí)間、不同氣候區(qū)，不同季節(jié)水蒸氣含量差別很大。192二氧化碳

隨著高度的增加，二氧化碳對(duì)紅外輻射的吸收雖然減少，但不如水蒸氣吸收減少得那么顯著。因此，在低空水蒸氣的吸收對(duì)紅外輻射的衰減起主要作用；而在高空，水蒸氣的吸收退居次要地位，二氧化碳的吸收變得更重要了。3臭氧

臭氧在大氣中的形成和分解過程，決定了臭氧的濃度分布以及臭氧層的溫度。204大氣中的主要散射粒子

在輻射傳輸研究中常用的氣溶膠尺度譜模式有以下兩種：（1）Diermendjian譜模式，其公式為

（5-2）

式中N為單位體積中的粒子數(shù)，r為粒子半徑，a，b，α，γ是依來源而定的常數(shù)。21（2）Junge譜模式，其公式為（5-3）

式中c、ν是譜參數(shù)，c一般取2～4，ν與總濃度有關(guān)（3）對(duì)數(shù)正態(tài)譜模式

（5-4）

式中σ、R是譜參數(shù)。22§5.3大氣的吸收衰減本節(jié)將研究大氣吸收產(chǎn)生的衰減為了確定給定大氣路程上分子吸收所決定的大氣透射率，可以有如下幾種方法：（1）根據(jù)光譜線參數(shù)的詳細(xì)知識(shí)，一條譜線接一條譜線地做理論計(jì)算；（2）根據(jù)帶模型，利用有效的實(shí)驗(yàn)測(cè)量或?qū)嶋H譜線資料為依據(jù)，進(jìn)行理論計(jì)算；（3）在所要了解的大氣路程上直接測(cè)量；（4）在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬大氣條件下的測(cè)量。231大氣的選擇吸收

由于大氣對(duì)紅外輻射的吸收，可以用各種不同強(qiáng)度的重疊光譜線組成的離散帶來表征，重疊的程度取決于譜線的半寬度，而這些譜線在整個(gè)吸收帶內(nèi)的分布取決于吸收分子，因而才出現(xiàn)不同吸收帶。大氣的紅外吸收的特點(diǎn)是具有一些離散的吸收帶，而每一吸收帶都是由大量的，而且有不同程度重疊的各種強(qiáng)度光譜線組成的。這些譜線重疊的程度與半寬度由直接的關(guān)系，并且還與譜線的間隔有關(guān)系，當(dāng)然與譜線的實(shí)際線型也是有關(guān)的。譜線的半寬度是與氣壓、溫度等氣象條件有關(guān)的。至于譜線的位置以及譜線的強(qiáng)度分布則與吸收分子的種類有關(guān)。242表格法計(jì)算大氣的吸收

表格法計(jì)算大氣的吸收是一種利用紅外和大氣工作者編制的大氣透過率表格可以方便地計(jì)算大氣吸收。根據(jù)人們的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用適當(dāng)?shù)慕?，已?jīng)整理出各種形式的大氣透射率數(shù)據(jù)表25任意波長上的透射率為從表中觀察到的水蒸氣和二氧化碳透射率的乘積，即

（5-5）

在高度為h的水平路程x所具有的透射率等于長度為x0的等效海平面上水平路程的透射率，用數(shù)字表達(dá)式可以表示為

（5-6）

26§5.4大氣的散射衰減

輻射在大氣中傳輸時(shí)，除因分子的選擇性吸收導(dǎo)致輻射能衰減外，輻射還會(huì)在大氣中遇到氣體分子密度的起伏及微小微粒，使輻射改變方向，從而使傳播方向的輻射能減弱，這就是散射。一般說來，散射比分子吸收弱，隨著波長增加散射衰減所占的地位逐漸減少。但是在吸收很小的大氣窗口波段，相對(duì)來說散射就是使輻射衰減的主要原因。

271氣象視程與視距方程式

目標(biāo)與背景的對(duì)比度隨著距離的增加而減少到2%時(shí)的距離，稱為氣象視程，簡稱為視程或視距。我們可以以背景亮度為標(biāo)準(zhǔn)定義目標(biāo)的對(duì)比度C，即

（5-7）

式中Lt為目標(biāo)亮度；Lb為背景亮度28

人眼對(duì)兩個(gè)目標(biāo)亮度的差異的區(qū)別能力是有限的，這種限制的臨界點(diǎn)稱為亮度對(duì)比度閾。亮度對(duì)比度閾通常以CV表示，對(duì)于正常的人眼來說，其標(biāo)準(zhǔn)值為0.02。對(duì)于同一目標(biāo)來說，當(dāng)它距觀察點(diǎn)的距離為x時(shí)，那么觀察者所看到的目標(biāo)與背景的對(duì)比度為

（5-8）式中Ltx為觀察者所看到的目標(biāo)亮度；Lbx為背景亮度29當(dāng)x=V處的亮度對(duì)比度CV與x=0處的對(duì)比度亮度C0的比值恰好等于2%時(shí)，這時(shí)的距離V稱為氣象視距，即

（5-9）

在實(shí)際測(cè)量中，總是讓特征目標(biāo)的亮度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于背景的亮度，即Lt>>Lb,而Lb0=LbV。因此，上式可變?yōu)?/p>

（5-10）30在實(shí)際觀察中，如果我們把一個(gè)很亮的目標(biāo)從x=0處移到距觀測(cè)點(diǎn)x=V處時(shí)，對(duì)于波長為λ0的亮度降到原亮度的2%，此時(shí)V就是氣象視程。如果滿足上述的假設(shè)，那么以x=0到x=V之間的大氣，在波長λ0處，對(duì)大氣透射率的影響只是由散射造成的，其透射率為

（5-11）31

由上面兩式可得到

（5-12）

所以可以得到在波長λ0處，散射系數(shù)和氣象視程的關(guān)系為

（5-13）式（5-13）即為視程方程式，V是長度單位，與μs(λ0)相適應(yīng)即可。322測(cè)量λ0處視程的原理

按照視程方程式，我們能知道散射系數(shù)μs。又因?yàn)槲覀冞x取的波長通常是λ0=0.61μm或0.55μm，在這些波長處的吸收近似為零，因此，衰減只是由散射造成的。在已知的x距離上，在波長λ0處，測(cè)得大氣的透射率為τs(λ0，x），則有（5-14）

（5-15）33如果已知距離x在0～V之間，由于在整個(gè)視程內(nèi)的μs都是一樣的，因此，可以將此式中的μs(λ0)代入視程方程中，得到視程與已知距離處的透射率之間的關(guān)系為

（5-16）

由此式可知，只要測(cè)得已知距離x及透射率τs(λ0，x），就可以求得視距。34計(jì)算氣象視程

例5-1在距離x=5.5km，波長0.55μm處測(cè)得的透射比τs(λ0，x）為30%，求氣象視程V。解:將x，τs(λ0，x）代入式（5-16）得

即在0.55μm處的氣象視距為17.9km。353利用λ0處的視程求任意波長處的光譜散射系數(shù)μs(λ)

一般可以將散射系數(shù)表示為

（5-17）式中的A，A1，q都是待定的常數(shù)。式（5-17）中，第二項(xiàng)表示瑞利散射。在紅外光譜區(qū)內(nèi)，瑞利散射并不重要，因此，只需考慮式中的第一項(xiàng)，即

（5-18）36對(duì)上式取對(duì)數(shù)，有

（5-19）式中q是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。當(dāng)大氣能見度特別好（例如氣象視程V大于80km）時(shí)，q=1.6；中等視見度，q=1.3（這是常見的數(shù)值）。如果大氣中的霾很濃厚，以致能見度很差（例如，氣象視程小于6km），可取q=0.585V1/3，其中V是以km為單位的氣象視程。37

式（5-19）同樣應(yīng)能滿足波長λ0處的散射系數(shù)?？衫檬剑?-18）和式（5-13）得到

（5-20）

（5-21）38

將式（5-21）代入式（5-18），就可以得到任意波長λ處的散射系數(shù)μs(λ)與氣象視距及波長的關(guān)系式

（5-22）

把此式帶入由純散射衰減導(dǎo)致的透射率公式，有

（5-23）39§5.5大氣透射率的計(jì)算舉例1大氣透射率的計(jì)算步驟

在實(shí)際大氣中，尤其是在地表附近幾千米的大氣中，吸收和散射是同時(shí)存在的，因此大氣的吸收和散射所導(dǎo)致的衰減都遵循比爾-朗伯定律。由此，我們可以得到大氣的光譜透射率為

（5-24）

式中τa(λ)，τs(λ)分別是與吸收和散射有關(guān)的透射率。由此可見，只要分別計(jì)算出τa(λ)和τs(λ)就可由式（5-24）來計(jì)算大氣透射率。