紅外輻射在大氣中的傳輸演示文稿現(xiàn)在是1頁\一共有75頁\編輯于星期五（優(yōu)選）紅外輻射在大氣中的傳輸現(xiàn)在是2頁\一共有75頁\編輯于星期五二，氣溶膠氣溶膠：以液體或固體為分散相和氣體為分散介質(zhì)形 成的溶膠稱為氣溶膠，亦稱氣體分散膠體。比如，霧是水滴分散在空氣中的氣溶膠，煙是固體粒于分散在空氣中的氣溶膠等。大氣中含有懸浮的塵埃、液滴、冰晶等固體或液體微粒狀氣溶膠。大氣中的氣溶膠和環(huán)境污染有密切的關(guān)系。氣溶膠會造成輻射的散射衰減?，F(xiàn)在是3頁\一共有75頁\編輯于星期五現(xiàn)在是4頁\一共有75頁\編輯于星期五氣溶膠的產(chǎn)生和消除氣溶膠的消除：主要靠大氣的降水、小粒子間的碰并、凝聚、聚合和沉降過程。一次氣溶膠（以微粒形式直接從發(fā)生源進入大氣）二次氣溶膠（在大氣中由一次污染物轉(zhuǎn)化而生成）

氣溶膠按其來源可分為：現(xiàn)在是5頁\一共有75頁\編輯于星期五§6.2大氣的氣象條件一，大氣溫度對流層頂?shù)钠骄叨?0km，幾乎集中了大氣質(zhì)量的80％以及全部水汽、云和降水，主要天氣現(xiàn)象和過程如寒潮、臺風、雷雨、閃電等都發(fā)生在這一層。1.對流層溫度梯度:7K/km0到10公里高度溫度從300K降至220K?，F(xiàn)在是6頁\一共有75頁\編輯于星期五對流層的主要特征：

i)溫度隨高度升高而降低。地面能吸收太陽輻射的短波部分而升溫并放出長波輻射，大氣通過吸收地面的長波輻射和通過對流方式從地面吸收熱量升溫，因而越接近地面的大氣得到的熱量越多，造成對流層的氣溫隨高度升高而降低。

ii)有強烈的垂直混合。低層空氣由于從地面得到熱量使之受熱上升，高層冷空氣下沉，從而造成對流層內(nèi)存在強烈的垂直混合作用。

iii)氣象要素水平分布不均勻。由于各地緯度和地表性質(zhì)的差異，地面上空空氣在水平方向上具有不同物理屬性，壓、溫、濕等要素水平分布不均勻，從而產(chǎn)生各種天氣過程和天氣變化。

現(xiàn)在是7頁\一共有75頁\編輯于星期五2.平流層平流層大氣溫度下部冷上部熱，使大氣有相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。對流很弱，空氣大多作水平運動，平流層中水汽和塵埃很少，也沒有對流層中的云和天氣現(xiàn)象。等溫層溫度大約220K20到55公里高度溫度從220K上升到270K左右。平流層下部溫度隨高度變化很?。ǖ葴貙樱?。平流層上部因為存在臭氧層(22─35公里處)，臭氧吸收太陽紫外輻射使大氣溫度增加。對流層頂10km向上到55公里左右為平流層?，F(xiàn)在是8頁\一共有75頁\編輯于星期五3.中間層中間層：55到80公里。大氣溫度隨高度遞減，水汽極少，有相當強的垂直混合（類似于對流層），60公里以上大氣分子開始電離，電離層的底就在中層內(nèi)。

55到80公里高度溫度從270K降至180K左右。4.熱層這一層溫度又隨高度升高而增加，因為熱層的分子氧和原子氧能吸收太陽紫外輻射。但由于分子稀少很難有對流運動，熱傳導率很小，造成巨大溫度梯度和晝夜溫差，白天太陽活動期溫度高達2000k，夜間太陽寧靜期僅500k。熱層空氣處于高度的電離狀態(tài)。熱層上部由于空氣稀薄，大氣粒子很少互相碰撞，高速運動的空氣分子可能克服地球引力，向星際空間逃逸，又稱逸散層?，F(xiàn)在是9頁\一共有75頁\編輯于星期五二，大氣壓強根據(jù)理想氣體物態(tài)方程：：大氣的平均分子量：原子質(zhì)量單位現(xiàn)在是10頁\一共有75頁\編輯于星期五其中,如果把h(z)看成常數(shù)：現(xiàn)在是11頁\一共有75頁\編輯于星期五但h(z)不是常數(shù)，是隨高度變化的量，稱為z處的標高。我們可以認為在一個不大的范圍內(nèi)，標高近似地可以看成常數(shù)，于是我們就可以利用剛才的壓強公式：高度km標高km高度km標高km08.5407.8107.8508.1206.3607.6306.8706.5現(xiàn)在是12頁\一共有75頁\編輯于星期五三.大氣密度其中是標準狀態(tài)下的大氣密度。嚴格的大氣狀況應以實際測量值為準。根據(jù)理想氣體物態(tài)方程：（標準狀態(tài)）現(xiàn)在是13頁\一共有75頁\編輯于星期五§6.3大氣中的主要吸收氣體大氣中的主要吸收氣體有水蒸氣、二氧化碳、和臭氧等。一，水蒸汽水蒸氣在大氣的低層中的含量較高，是對紅外輻射傳輸影響較大的一種大氣成分。水蒸氣分子對紅外輻射有強烈的選擇吸收作用。⑴水蒸氣壓強pw:

就是大氣中水蒸氣的分壓強。⑵絕對濕度ρw:

單位體積空氣中所含有的水蒸氣的質(zhì)量，單位為g/m3。也就是水蒸氣在空氣中的密度。1.描述水蒸氣含量的一些物理量：現(xiàn)在是14頁\一共有75頁\編輯于星期五⑶飽和水蒸氣壓ps:水蒸氣在某一溫度下開始發(fā)生液化時的壓強，稱為水蒸氣在該溫度下的飽和水蒸氣壓，也就是飽和狀態(tài)下水蒸氣的分壓強，它只是溫度的函數(shù)。⑷飽和水蒸氣量ρs:即飽和水蒸氣密度，只與溫度有關(guān)。⑸相對濕度RH:

空氣試樣中水蒸氣的含量和同溫度下該空氣試樣達到飽和狀態(tài)時的水蒸氣含量的比值，用百分數(shù)表示。⑹露點溫度:

露點溫度是給定空氣試樣變成飽和狀態(tài)時的溫度。現(xiàn)在是15頁\一共有75頁\編輯于星期五2，可凝結(jié)水量W在輻射傳播方向上，和輻射束有相同截面、以輻射傳播距離為長度的體積內(nèi)，所含有的水蒸汽折合成液態(tài)水層的厚度。如果水蒸氣在輻射傳播路徑上是均勻的：可凝結(jié)水量不能和水等同看待，也不包含已經(jīng)凝結(jié)的水滴。現(xiàn)在是16頁\一共有75頁\編輯于星期五3，水蒸氣的分布幾乎所有的水蒸氣都分布在對流層，在大氣底層，紅外吸收水蒸氣占主導地位。不同時間、不同地區(qū)水蒸氣的含量差別很大。圖中的縱坐標給出的是單位路程的可凝結(jié)水量?，F(xiàn)在是17頁\一共有75頁\編輯于星期五二.二氧化碳二氧化碳在空氣中比例比較穩(wěn)定，約0.033％。隨著高度的增加，水蒸氣的含量急劇減少。因此在高空，水蒸氣的吸收退居次要地位，二氧化碳的吸收變得更重要。：二氧化碳在標準狀態(tài)下的分子數(shù)密度。二氧化碳對輻射的影響可以用大氣厘米數(shù)D來衡量，也就是把輻射路經(jīng)的二氧化碳壓縮為具有標準狀態(tài)的體積。方法和可凝結(jié)水量類似。二氧化碳的大氣厘米數(shù)

現(xiàn)在是18頁\一共有75頁\編輯于星期五根據(jù)理想氣體物態(tài)方程，在標準狀態(tài)下：在x點，二氧化碳的分壓強也應該滿足：：二氧化碳在x處的分壓比，通常取常數(shù)CO2在水平傳徑上是均勻的：現(xiàn)在是19頁\一共有75頁\編輯于星期五三.臭氧分解碰撞＋吸收紫外合成分解吸收紫外紅外臭氧對紅外存在吸收帶，但在低空由于存在二氧化碳和水蒸汽更強的吸收帶，臭氧的吸收帶一般都顯不出來。而低空的臭氧濃度很低。大約是億分之二，因此在低空時一般可忽略臭氧的吸收。而當系統(tǒng)工作在高空時，就必須考慮臭氧的吸收?，F(xiàn)在是20頁\一共有75頁\編輯于星期五氯氟烴臭氧層的破壞現(xiàn)在是21頁\一共有75頁\編輯于星期五§6.4大氣中的主要散射粒子大氣中的主要散射粒子是氣體分子和氣溶膠。自然的氣溶膠粒子半徑一般為10-3～102微米，按其大小可分為三類：10-3～10-2

微米愛根核10-2～1微米大粒子或者大核(霾)1～102微米巨大粒子或者巨核(云、霧)氣體分子的半徑大約10－4微米。比云霧更大的水滴就是雨滴：102~104微米現(xiàn)在是22頁\一共有75頁\編輯于星期五散射粒子濃度和粒子大小的關(guān)系叫氣溶膠尺度譜,輻射傳輸中常用的氣溶膠尺度譜模型有三種:（1）Diermendjian模型dN(r):r到r＋dr的粒子數(shù)濃度；：不同情況下的成形常數(shù)。r:粒子半徑；a:和總的粒子數(shù)濃度相關(guān)的參數(shù)；一.氣溶膠尺度譜現(xiàn)在是23頁\一共有75頁\編輯于星期五（3）Zold模型（對數(shù)正態(tài)模型）式中σ是標準偏差、R平均半徑。（2）Junge模型或者寫成C是歸一化常數(shù)，為成形常數(shù)，一般在2～4之間。現(xiàn)在是24頁\一共有75頁\編輯于星期五現(xiàn)在是25頁\一共有75頁\編輯于星期五二.氣溶膠濃度和高度的關(guān)系氣溶膠的濃度隨高度增加呈指數(shù)梯減:特征高度，一般取近地面處：每立方厘米～100－1000個懸浮微粒；10公里處：每立方厘米～0.01個懸浮微粒。例外：20公里左右存在一個氣溶膠層～0.1現(xiàn)在是26頁\一共有75頁\編輯于星期五§6.5大氣的吸收衰減一.大氣的輻射透射特性朗伯－比耳定律：吸收截面吸收元濃度散射截面散射元濃度朗伯定律：現(xiàn)在是27頁\一共有75頁\編輯于星期五大氣的分子和懸浮微粒都對輻射有吸收和散射的作用：大氣含有多種分子和懸浮微粒：現(xiàn)在是28頁\一共有75頁\編輯于星期五分子光譜不象原子光譜那樣由一些明銳的光譜線所組成。而是在一定波長區(qū)間形成一系列光譜線系。每一線系在一端極密，就如同連續(xù)的光譜帶，所以我們常稱分子光譜為帶狀光譜。若用高分辨的儀器觀測，則發(fā)現(xiàn)每一個光譜帶都是由一組細的光譜線排列而成的。二.分子光譜現(xiàn)在是29頁\一共有75頁\編輯于星期五1，分子的能級結(jié)構(gòu)現(xiàn)在是30頁\一共有75頁\編輯于星期五2，分子光譜的形成因為分子的每一種運動能量都是量子化的，所以，當分子從狀態(tài)改變到狀態(tài)時將發(fā)射電磁輻射，其頻率由下式確定：從分子的能級示意圖中可以看出：純轉(zhuǎn)動能級之差＜0.05ev，所以波長>25μm，從遠紅外直到微波區(qū)域。如果分子只有轉(zhuǎn)動能量變化:產(chǎn)生的光譜是純轉(zhuǎn)動光譜:現(xiàn)在是31頁\一共有75頁\編輯于星期五由于振動能級之差約在0.05－1ev之間，所以轉(zhuǎn)動—振動光譜帶處于波長2.5－25μm的中紅外區(qū)。如果分子的振動能量和轉(zhuǎn)動能量同時發(fā)生變化，則產(chǎn)生的分子光譜是轉(zhuǎn)動—振動光譜帶：現(xiàn)在是32頁\一共有75頁\編輯于星期五

如果分子的電子能量，振動能量和轉(zhuǎn)動能量都發(fā)生變化，就產(chǎn)生分子的電子光譜帶。由于電子能級之差一般在l－20ev。因此它所產(chǎn)生的光譜位于電磁波譜的可見光和紫外區(qū)域。通常將分子的轉(zhuǎn)動—振動光譜和分子的純轉(zhuǎn)動光譜稱為紅外光譜?，F(xiàn)在是33頁\一共有75頁\編輯于星期五三.大氣的選擇性吸收1，大氣各組分的紅外吸收帶現(xiàn)在是34頁\一共有75頁\編輯于星期五2，大氣窗口在紅外技術(shù)中將紅外輻射分為四個區(qū)：即近、中、遠和極遠紅外區(qū)。在近、中、遠紅外區(qū)中都包含有—個或一個以上的大氣窗口，而在極遠紅外區(qū)(15微米以上)沒有很透明的大氣窗口。什么叫大氣窗口？可以透過大氣層的紅外波段即為大氣窗口。在窗口區(qū)大氣對紅外的吸收很弱?，F(xiàn)在是35頁\一共有75頁\編輯于星期五5.9～14Ⅷ1.4～1.9Ⅳ4.3～5.9Ⅶ1.1～1.4Ⅲ2.7～4.3Ⅵ0.92～1.1Ⅱ1.9～2.7Ⅴ0.70～0.92ⅠElder和Strong把紅外區(qū)域分成八個區(qū)域現(xiàn)在是36頁\一共有75頁\編輯于星期五Elder和Strong的窗口有效透射率的經(jīng)驗公式：

w為可凝結(jié)水量，單位是mm。

C，t。是常數(shù)，需要通過測量來確定。（教材188頁）現(xiàn)在是37頁\一共有75頁\編輯于星期五窗口波長Ct。WmⅠ0.70～0.9215.1106.32.6Ⅱ0.92～1.116.5106.32.4Ⅲ1.1～1.417.196.30.61Ⅳ1.4～1.913.181.00.036Ⅴ1.9～2.713.172.50.008Ⅵ2.7～4.312.572.30.006Ⅶ4.3～5.921.251.20.005Ⅷ5.9～14如果現(xiàn)在是38頁\一共有75頁\編輯于星期五現(xiàn)在是39頁\一共有75頁\編輯于星期五紅外系統(tǒng)通常采用下列三個光譜通帶中的一個，即：2.0～2.5微米；3.2～4.8微米；8～13微米。當紅外輻射在大氣窗口波段傳輸時，輻射的衰減主要是由大氣散射所造成的。3，吸收帶的精細結(jié)構(gòu)現(xiàn)在是40頁\一共有75頁\編輯于星期五四.光譜線的展寬和線型1，光譜線的自然展寬如果分子或原子系統(tǒng)在能級上存留的平均時間為，根據(jù)不確定性關(guān)系，能級有不確定的寬度。如果分子從高能級自發(fā)躍遷到低能級時，光譜線應該有一定的寬度，也叫譜線的自然寬度：⑴光譜線的自然展寬的起因現(xiàn)在是41頁\一共有75頁\編輯于星期五⑵自然展寬的線型譜線的幾率分布函數(shù)：滿足歸一化條件：：歸一化線型函數(shù)（洛倫茲型）根據(jù)經(jīng)典電磁理論，單位頻率范圍內(nèi)的光譜強度：：譜線的半寬度；：譜線的中心頻率。：譜線的總強度；現(xiàn)在是42頁\一共有75頁\編輯于星期五2，光譜線的其它展寬光譜線的碰撞展寬（壓力展寬）光譜線的多普勒展寬（多普勒效應）不同展寬的疊加形成新的線型函數(shù)?，F(xiàn)在是43頁\一共有75頁\編輯于星期五五.分子的單線吸收（逐線計算）1，譜線的線型函數(shù)與輻射吸收截面光譜分布的幾率函數(shù)即線型函數(shù)，既是發(fā)射譜線的幾率函數(shù)，也是吸收譜線的幾率函數(shù)。現(xiàn)在是44頁\一共有75頁\編輯于星期五根據(jù)朗伯－比耳定律，輻射傳播距離R，其光譜透射率為：吸收截面應該和該頻率的吸收譜線的幾率分布函數(shù)成正比：:比例常數(shù) 吸收元濃度，也就是吸收分子的濃度。吸收截面，單一頻率的吸收截面。現(xiàn)在是45頁\一共有75頁\編輯于星期五吸收譜線具有一定的寬度，在這個譜線寬度內(nèi)，總的吸收截面（或者說積分吸收截面）:光譜吸收截面等于積分吸收截面與線型函數(shù)的乘積。對于給定頻率間隔透射率應取平均值：現(xiàn)在是46頁\一共有75頁\編輯于星期五對于給定頻率間隔，平均吸收率為：根據(jù)具體的線型函數(shù)，就可以進行計算了。對于分子的帶吸收也可以利用相似的方法進行計算。現(xiàn)在是47頁\一共有75頁\編輯于星期五六.表格法計算大氣吸收1，海平面上水平路程水蒸汽的光譜透過率教材167頁－172頁給出了只考慮水蒸氣的吸收，波長從0.3－14微米，各種可凝結(jié)水量下的透過率?，F(xiàn)在是48頁\一共有75頁\編輯于星期五【例】海平面水平路程長16.25km，氣溫21℃，相對濕度RH=53%，求1.4～1.8微米光譜區(qū)間，只考慮水蒸汽的吸收時的平均透過率。解：先求水蒸汽的可凝結(jié)水量?？梢哉J為水蒸氣在水平路徑上是均勻的：的單位是的單位是的單位是這樣得到的的單位正好是mm?，F(xiàn)在是49頁\一共有75頁\編輯于星期五T=21℃時（135頁），現(xiàn)在是50頁\一共有75頁\編輯于星期五現(xiàn)在是51頁\一共有75頁\編輯于星期五2，海平面上水平路程CO2的光譜透過率教材172頁－177頁給出了只考慮CO2的吸收，波長從0.3－14微米，各種水平路程下的透過率。由于給出的是各種水平路程CO2的透過率，就不必計算二氧化碳的大氣厘米數(shù)?，F(xiàn)在是52頁\一共有75頁\編輯于星期五【例】海平面水平路程長16.25km，氣溫21℃，相對濕度RH=53%，求1.4～1.8微米光譜區(qū)間，只考慮CO2的吸收時的平均透過率?，F(xiàn)在是53頁\一共有75頁\編輯于星期五【例】海平面水平路程長16.25km，氣溫21℃，相對濕度RH=53%，求1.4～1.8微米光譜區(qū)間，只考慮大氣吸收時的平均透過率。簡單考慮，只考慮大氣的水蒸氣和二氧化碳的吸收時的大氣平均透過率分別為：大氣的平均透過率為：更準確的計算方式應該是：現(xiàn)在是54頁\一共有75頁\編輯于星期五3.高度修正：等效海平面路程在高度為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)字表達式可以表示為：海平面對水蒸氣：對二氧化碳：：高度修正因子現(xiàn)在是55頁\一共有75頁\編輯于星期五§6.6大氣的散射衰減假設介質(zhì)對輻射只有散射作用，根據(jù)朗伯散射定律：（教材中在此更換了散射系數(shù)、散射截面等的符號。）純散射的透射率：如果散射系數(shù)是x的函數(shù)：現(xiàn)在是56頁\一共有75頁\編輯于星期五一.散射系數(shù)和散射面積比應該正比于散射粒子數(shù)：：比例系數(shù)。物理意義：散射粒子的平均散射截面。入射到截面積為的體積元上，體積元內(nèi)粒子總的散射面積為，向各個方向散射的總功率為：散射粒子數(shù)密度?，F(xiàn)在是57頁\一共有75頁\編輯于星期五散射系數(shù)：（原來寫法：）通常用散射面積比來衡量一種粒子的散射本領：對于具行相同散射截面的粒子群，散射系數(shù)為：現(xiàn)在是58頁\一共有75頁\編輯于星期五對于m種不同類型的粒子群，散射系數(shù)為：要想確定任意尺寸分布的散射元的散射系數(shù)，必須知道散射面積比K(λ)。

K(λ)的計算十分復雜，需要求解平面波與均勻球體相互作用的麥克斯韋方程組。對于散射元濃度隨半徑連續(xù)變化的大量粒子情況，散射系數(shù)變?yōu)橄铝蟹e分：N(r)由氣溶膠尺度譜決定?，F(xiàn)在是59頁\一共有75頁\編輯于星期五對于我們所研究的輻射在大氣中傳輸?shù)奶囟ㄇ闆r，只考慮對輻射沒有吸收的球形水珠散射，折射率為實數(shù)并等于1．33，散射面積比：現(xiàn)在是60頁\一共有75頁\編輯于星期五二.瑞利散射和米氏散射散射系數(shù)和粒子尺寸以及入射波長有關(guān)。1.當時，散射為瑞利散射。與波長的四次方成反比，隨著波長的增加，瑞利散射將迅速減少。瑞利散射適用于比較小的粒子散射（半徑小于0.05微米。）大氣中的分子散射屬于瑞利散射?，F(xiàn)在是61頁\一共有75頁\編輯于星期五2.當時，散射為米氏散射。無選擇性散射有強烈的米氏散射,并且是選擇性的米氏散射的特點是角分布的不對稱性，3.當時，散射按幾何光學處理。紅外區(qū)域的散射主要是米氏散射?，F(xiàn)在是62頁\一共有75頁\編輯于星期五三.散射系數(shù)的經(jīng)驗公式一般情況下，可以把散射系數(shù)歸結(jié)為下列經(jīng)驗公式：其中A，A1，q都是待定的常數(shù)。對于紅外區(qū)域，可以忽略瑞利散射：q：作為經(jīng)驗常數(shù)和大氣的能見度有關(guān)。瑞利散射米氏散射現(xiàn)在是63頁\一共有75頁\編輯于星期五四.氣象視程與視距方程式散射系數(shù)的理論計算和實驗測量都是非常復雜的。氣象學中利用氣象視距來處理散射問題。目標與背景的亮度對比度，隨著距離的增加而減少到零距離時的2%的距離，稱為氣象視程，簡稱為視程或視距。目標輻射出射度背景輻射出射度目標的輻射對比度：1.氣象視程的定義現(xiàn)在是64頁\一共有75頁\編輯于星期五我們還可以在可見光區(qū)某一指定波長來測量目標的亮度對比度：（注意這是光譜對比度，以后不加注明。）當目標距觀察點的距離為x時，觀察者所看到的目標與背景的對比度為：當目標距觀察點的距離為0時，觀察者所看到的目標與背景的對比度為：我們也可以以背景亮度為標準定義目標的亮度對比度：Lt為目標亮度；Lb為背景亮度現(xiàn)在是65頁\一共有75頁\編輯于星期五即：隨著距離的增加，對比度會下降。當x=V處的亮度對比度CV與x=0處的亮度對比度C0的比值恰好等于2%時，這時的距離V定義為氣象視距。所以：在實際測量中，總是讓特征目標的亮度遠遠大于背景的亮度，即：而背景的亮度是不變的：2.視程方程式現(xiàn)在是66頁\一共有75頁\編輯于星期五在實際測量中，測量的是指定波長λ0的亮度變化，λ0通常選擇可見光區(qū)的0.61微米或0.55微米，在這個區(qū)域大氣的吸收很小，大氣透射率的影響主要是由散射造成的。在波長λ0處，散射系數(shù)和氣象視程的關(guān)系為：視程方程式那么通過氣象視距V后，在λ0處的透射率為：現(xiàn)在是67頁\一共有75頁\編輯于星期五在已知的x距離上，在波長λ0處，測得大氣的透射率為τS(λ0，x）。（這主要是散射造成的）五.散射衰減的工程計算

1.測量λ0處視程方法：首先測量λ0處透射率，根據(jù)視程方程求得λ0 處視程，然后再根據(jù)視程求得任意波長處的透 射率。現(xiàn)在是68頁\一共有75頁\編輯于星期五視程方程：結(jié)論：只要測得已