第四章-紅外輻射在大氣中的傳輸課件

第四章紅外輻射在大氣中的傳輸信息科學(xué)與工程學(xué)院馮傳勝Email:fcs@1第四章紅外輻射在大氣中的傳輸信息科學(xué)與工程學(xué)院馮傳勝1景物光學(xué)系統(tǒng)探測(cè)器大氣傳輸 景物的紅外輻射在大氣中傳輸時(shí)，由于大氣對(duì)紅外輻射的吸收和散射而導(dǎo)致紅外輻射的衰減。本章將討論大氣對(duì)紅外輻射的吸收與散射。2景物光學(xué)系統(tǒng)探測(cè)器大氣傳輸 景物的紅外輻射在大氣中傳輸時(shí)，由本章目錄4.1大氣組成4.2大氣對(duì)紅外輻射的吸收衰減4.3大氣對(duì)紅外輻射的散射衰減3本章目錄4.1大氣組成34.1大氣組成4.1.1一些基本關(guān)系式一、混合比與分子量大氣中各氣體成分的含量，常用相對(duì)于干空氣(不計(jì)水汽)的混合比來表示。設(shè)干空氣： 某氣體成分分子量：Mt 分子量：Mi密度：ρt

密度：ρi壓強(qiáng)：P 分壓強(qiáng)：pi絕對(duì)溫度：T則有稱為該氣體的質(zhì)量混合比，簡(jiǎn)稱混合比。44.1大氣組成4.1.1一些基本關(guān)系式4體積混合比qi*：與干空氣處于相同溫度和壓力下的某種氣體的體積Vi與干空氣體積V之比。由于大氣可看成理想氣體，所以有

干空氣的分子量與各氣體成分的分子量之間的關(guān)系：下表為大氣成分表。5體積混合比qi*：與干空氣處于相同溫度和壓力下的某種氣體的體66二、厘米N.T.P.(或厘米S.T.P.)海平面上單位截面積垂直氣柱內(nèi)各成分的總含量常表示為Wsi，單位是[克·厘米-2]，使用時(shí)常直接寫成克。Wsi的另一種表示形式是：表示成所謂“標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)”下的厘米數(shù)，叫做厘米N.T.P.或厘米S.T.P.，它是將含量為Wsi的某氣體成分化到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(P0=1個(gè)大氣壓，T0=273.15K)在單位截面上所占有的高度Wsi*。設(shè)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下該氣體成分的密度為ρ0i，顯然7二、厘米N.T.P.(或厘米S.T.P.)7因?yàn)榇髿庠诤芨叩木认驴梢哉J(rèn)為是靜力平衡的，設(shè)g為重力加速度(取為980.665厘米?秒-2)，而地面上氣壓的標(biāo)準(zhǔn)值為Ps=P0，則干空氣的總含量的標(biāo)準(zhǔn)值為：

Wst=P0/g=(1013.25毫巴×103)/980.665=1.033×103克?厘米-2該值叫做一個(gè)大氣質(zhì)量。利用該值可以方便地求出混合比隨高度不變的氣體成分的總含量標(biāo)準(zhǔn)，即及8因?yàn)榇髿庠诤芨叩木认驴梢哉J(rèn)為是靜力平衡的，設(shè)g為重力加速度三、溫度大氣溫度的垂直分布，可大致由中緯度年平均值表示，叫做“標(biāo)準(zhǔn)大氣”。對(duì)流層(10km以下)中，每增加一公里，溫度下降約6.5度。由對(duì)流層頂?shù)狡搅鲗?，先是等溫和逆溫?高度增加溫度升高)，到臭氧層內(nèi)，溫度不斷上長(zhǎng)，到50km達(dá)到極大值0oC，再向上遞減，至80~90km，達(dá)到最低值(約-93oC)，然后急增到230~730oC之間。在電離層以上，可認(rèn)為是等溫的。四、壓力和密度壓力和密度隨高度的增加呈指數(shù)式下載，高度每增加16公里，壓力和密度差不多下降到原來的10%。9三、溫度910102.1.2紅外吸收譜組成大氣的主要成分是N2、O2、Ar(氬),由于它們是對(duì)稱分子，振動(dòng)時(shí)不吸收15um以下的紅外線。引起強(qiáng)烈紅外吸收的分子有，H2O,CO2,O3,CH4,N2O,CO等。其中吸收最強(qiáng)的是H2O(非干空氣),CO2。H2O：強(qiáng)吸收帶2.7um,6.3um；不太強(qiáng)的吸收帶0.54,0.72,0.81,0.85,0.94,1.1,1.38,1.87,3.2umCO2：強(qiáng)吸收帶4.3um,15um;不太強(qiáng)的吸收帶0.78~1.24,1.4,1.6,2.0,2.7,4.8,5.2,9.4,10.4umO3:強(qiáng)吸收帶9.6um；不太強(qiáng)吸收帶2.7,3.28,3.57,4.75,5.75,9.1,14um。NO2：強(qiáng)吸收帶4.5um,7.8um。CH4：強(qiáng)吸收帶3.2um,7.6um。CO：強(qiáng)吸收帶4.8um。三個(gè)大氣窗口：2~2.6um,3~5um,8~14um。112.1.2紅外吸收譜111212重要吸收氣體的分布：H2O：集中在3、4公里以下的大氣層中，海平面上含量可達(dá)3%。10公里以上基本不用考慮H2O的吸收。CO2：約占大氣體積的0.033%，在大氣層50公里內(nèi)基本均勻分布(靠近地面與人類活動(dòng)有關(guān))；6公里以上時(shí)，H2O含量很低，其吸收作用顯著；10公里以上主要是CO2的吸收。O3：主要集中在23公里的高度上，濃度約為0.001%。低空輻射或地面輻射基本不考慮其吸收。13重要吸收氣體的分布：132.1.3可凝水為了計(jì)算一定的大氣路徑長(zhǎng)度內(nèi)水蒸氣對(duì)紅外輻射的吸收率(或透過率)，首先要計(jì)算出該路徑長(zhǎng)度內(nèi)水蒸氣的含量，而水蒸氣的含量是用可凝水來計(jì)量的?？赡喊褑挝婚L(zhǎng)度某截面積的測(cè)量路徑上的水蒸氣壓縮成相同截面積一定厚度的水層，這層水叫做“可凝水”，單位是“毫米·公里-1”。絕對(duì)濕度HA

:絕對(duì)濕度是單位體積空氣中所含有的水蒸氣的質(zhì)量，其單位為g/m3。所謂絕對(duì)濕度，是指水蒸氣的密度。142.1.3可凝水14飽和水蒸氣量ρs:

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，其單位是g/m3。飽和空氣中的水蒸氣量，即飽和水蒸氣密度，只與溫度有關(guān)。相對(duì)濕度HR: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)到飽和水蒸氣含量的比值。可凝水W'的單位是(毫米·公里-1)，絕對(duì)濕度HA的單位是(g/m3)，則兩者在數(shù)值上相等，即

15飽和水蒸氣量ρs:15表：飽和空氣中的水蒸氣質(zhì)量ρs(g/m3)16表：飽和空氣中的水蒸氣質(zhì)量ρs(g/m3)16例：設(shè)某大氣試樣在25oC時(shí)的相對(duì)濕度為60%，測(cè)量路徑長(zhǎng)度為2km，求該路徑內(nèi)的總可凝水量？解：查表得，25oC時(shí)飽和空氣中的水蒸氣質(zhì)量為22.8g/m3則絕對(duì)濕度HA=60%*22.8=13.68g/m3。得每公里可凝水量為13.68mm/km。得2km路徑內(nèi)的可凝水量為13.68*2=27.36毫米。17例：174.2大氣對(duì)紅外輻射的吸收衰減4.2.1途徑吸收的一般方程一束波長(zhǎng)為λ的紅外光透過厚度為L(zhǎng)的大氣時(shí)會(huì)產(chǎn)生衰減，其透過率可表示為其中ξ(λ,x)為衰減系數(shù)，衰減是由于大氣中氣體分子的吸收作用及氣體分子、懸浮粒子的散射作用引起的，所以其中β(λ,x)為單位路徑長(zhǎng)度的吸收系數(shù)，γ(λ,x)為單位路徑長(zhǎng)度的散射系數(shù)。184.2大氣對(duì)紅外輻射的吸收衰減4.2.1途徑吸收的一般方實(shí)驗(yàn)證明：β(λ,x)與吸收氣體濃度ρ(x)成正比:其中α(λ,x)為每克吸收氣體分子的吸收系數(shù)，叫做吸收截面(單位為[厘米2?克-1])。將波長(zhǎng)換成波數(shù)表示，如果只考慮吸收，則波數(shù)為σ的紅外線通過長(zhǎng)度為L(zhǎng)的途徑后的透過率為：在波數(shù)間隔Δσ內(nèi)的平均透過率為：19實(shí)驗(yàn)證明：β(λ,x)與吸收氣體濃度ρ(x)成正比:19而相應(yīng)的平均吸收率為：可見要計(jì)算吸收系數(shù)，需要知道α(σ,x)的形式。對(duì)于單譜線吸收，常用的模型有洛倫茲模型、多普勒模型和混合型(洛倫茲-多普勒模型)；知道了單吸收線的形狀后，可采用逐線積分法計(jì)算多條譜線的吸收；為了計(jì)算的方便，也可以采用波帶模型計(jì)算：常用的波帶模型有：埃薩瑟模型、隨機(jī)模型、隨機(jī)埃薩瑟模型和準(zhǔn)隨機(jī)模型。20而相應(yīng)的平均吸收率為：204.2.2利用大氣透過率表計(jì)算大氣的吸收表格法計(jì)算大氣的吸收，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疲呀?jīng)整理出各種形式的大氣透射率數(shù)據(jù)表。低空選擇性吸收的主要大氣成分是H2O和CO2，則任意波長(zhǎng)片透過率的值為表中查到的H2O和CO2透過率的乘積，即214.2.2利用大氣透過率表計(jì)算大氣的吸收21注意：表中的值只表示海平面水平路徑上的透過率，不代表一定高度上的透過率。要計(jì)算一定高度水平路徑上的透過率，需要進(jìn)行修正(高度修正)：在高度為h的水平路程x所具有的透射率等于長(zhǎng)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)式可以表示為其中k=0.5(對(duì)H2O)或1.5(對(duì)CO2)；P0是海平面上的大氣壓強(qiáng)，P是h高度上的大氣壓強(qiáng)。從文獻(xiàn)資料上可以查到(P/P0)k的值。注意：除了查表法計(jì)算大氣的透過率外，也可以使用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。22注意：表中的值只表示海平面水平路徑上的透過率，不代表一定高度23232424附：查表法計(jì)算過程根據(jù)氣溫、相對(duì)濕度求出絕對(duì)濕度HA(g.m-3);根據(jù)絕對(duì)濕度HA(g.m-3),得到每公里的可凝水量w（mm.km-1）,可凝水量表示單位水平路程長(zhǎng)度內(nèi)的水蒸汽壓縮成相同截面水層的厚度，HA和w數(shù)值上是相等的。高度修正。對(duì)高空水平路程，由于大氣壓強(qiáng)低，吸收帶變窄，同樣路程透過率增加，須引入高度修正因子，等效折算到海平面路程。設(shè)高度為h上的水平路程為x0,大氣壓強(qiáng)為p,海平面的大氣壓強(qiáng)為p0,則等效路程x0為： 對(duì)水蒸汽

對(duì)二氧化碳

把傾斜路程等分為若干段，分段折算等效路程。水蒸汽光譜透過率τH2O可將等效路程乘以每公里的可凝水量w，根據(jù)總可凝水量查表得到。二氧化碳光譜透過率τCO2直接由等效路程查表得到。光譜大氣透過率為：計(jì)算λ1～λ2光譜通帶的波段透過率。25附：查表法計(jì)算過程根據(jù)氣溫、相對(duì)濕度求出絕對(duì)濕度HA(g.m4.3大氣對(duì)紅外輻射的散射衰減4.3.1一般方程實(shí)驗(yàn)證明：散射系數(shù)與散射粒子的濃度成正比：式中γλ表示單位路徑長(zhǎng)度的散射系數(shù)；

ρ是單位體積內(nèi)的散射粒子數(shù)；

Sλ是每個(gè)粒子的散射系數(shù)，叫做散射截面(厘米2粒子-1)。264.3大氣對(duì)紅外輻射的散射衰減4.3.1一般方程26設(shè)散射粒子為球形，半徑為b。引入一個(gè)無量綱的量eλ，叫做散射截面比，它表示一個(gè)粒子散射本領(lǐng)的大?。簞t設(shè)一粒子群有m種不同粒子，則散射系數(shù)為27設(shè)散射粒子為球形，半徑為b。引入一個(gè)無量綱的量eλ，叫做散射4.3.2散射截面比與波長(zhǎng)及粒子的關(guān)系散射截面比與(b/λ)的關(guān)系如圖所示。從圖中可以看出：當(dāng)b<<λ時(shí)，eλ迅速變化；當(dāng)b=λ時(shí)，eλ達(dá)到最大值3.8，散射最強(qiáng)烈；當(dāng)b繼續(xù)增大，eλ振蕩變化；當(dāng)b>>λ時(shí)，eλ趨近于常數(shù)2，與波長(zhǎng)λ無關(guān)。284.3.2散射截面比與波長(zhǎng)及粒子的關(guān)系散射截面比與(b/λ4.3.3瑞利散射當(dāng)b<<λ時(shí)，發(fā)生的散射稱為瑞利散射。瑞利散射的散射系數(shù)γλ與λ4成反比，當(dāng)λ大于1um時(shí)，瑞利散射基本上可以忽略。波長(zhǎng)越短，瑞利散射越強(qiáng)烈—天空呈現(xiàn)藍(lán)色。294.3.3瑞利散射294.3.4彌氏(Mie)散射當(dāng)b和λ大小差不多時(shí)，產(chǎn)生Mie散射。霧粒子的半徑在0.5~80um之間，最多的是5~15um，所以對(duì)外紅線的散射是很嚴(yán)重的。如設(shè)霧粒子的半徑為4um，濃度為100cm-3，則對(duì)λ為4um的散射系數(shù)為1.91×10-4厘米-1。如距離為100m，則透射率為霾粒子的半徑一般小于0.5um，所以對(duì)紅外線的散射不是太強(qiáng)烈，但對(duì)可見光的散射嚴(yán)重。304.3.4彌氏(Mie)散射304.3.5無選擇性散射當(dāng)b>>λ時(shí)，產(chǎn)生的散射叫無選擇性散射。這時(shí)散射截面比e=2，與波長(zhǎng)無關(guān)。不少霧和云的粒子及不少排出氣體中的粒子，其尺寸遠(yuǎn)大于可見光波長(zhǎng)，所以對(duì)可見光來說是無選擇性散射，但對(duì)紅外線來說云和霧不能認(rèn)為是無選擇性散射。霧呈“白”色抽煙時(shí)從煙頭上升起的“煙”呈“灰藍(lán)色”，而從口中吐出的煙呈“白色”。314.3.5無選擇性散射314.3.6大氣散射的經(jīng)驗(yàn)公式散射系數(shù)可以寫成：其中Q和q是常數(shù)，由散射粒子的尺寸和分布情況決定。b<<λ時(shí)，q=4，即瑞利散射；當(dāng)b>>λ時(shí)，q=0，即無選擇性散射；當(dāng)b與λ相當(dāng)時(shí)，取4~0之間的值，即Mie散射，對(duì)于大氣一般取1.3。一般可取:其中V是氣象視距。氣象視距V：通常定義為人眼對(duì)著地平線天空剛好能分辨出大的黑色目標(biāo)(不發(fā)光、無反射)的平均距離。即可見光區(qū)指定波長(zhǎng)λ(通常取0.55um)處目標(biāo)與背景對(duì)比度降低到它在零距離值的2%的距離。324.3.6大氣散射的經(jīng)驗(yàn)公式32Q值的確定