第四章輻射在大氣中的傳輸§4.1大氣的構(gòu)成§4.2大氣消光及大氣窗口§4.3大氣吸收和散射的計(jì)算§4.4大氣消光對(duì)光電成像系統(tǒng)性能的影響下一頁(yè)§4.1大氣的構(gòu)成4.1.1大氣層結(jié)構(gòu)4.1.2大氣的組成4.1.3大氣模式下一頁(yè)返回第四章4.1.1大氣層結(jié)構(gòu)

一般根據(jù)溫度垂直分布的特征，把大氣分為對(duì)流層、平流層、中間層、熱成層和逸散層下一頁(yè)上一頁(yè)4.1.1大氣層結(jié)構(gòu)對(duì)流層對(duì)人類(lèi)活動(dòng)的影響很大，天氣過(guò)程主要發(fā)生在這一層，其厚度不到地球半徑的2%，卻集中了約80%的大氣質(zhì)量和90%以上的水汽。對(duì)流層溫度變化較大，地面至2m高的范圍內(nèi)稱(chēng)為貼地層，晝夜溫度變化可達(dá)10℃以上，貼地層以上至1～2km高度的邊界層內(nèi)常出現(xiàn)逆溫。就整個(gè)對(duì)流層而言，溫度隨高度的增加而遞減，平均遞減率為6.5℃/km。溫度遞減率變?yōu)榱慊驗(yàn)樨?fù)之處為對(duì)流層頂，對(duì)流層的高度在中緯度區(qū)平均10～12km。下一頁(yè)上一頁(yè)4.1.1大氣層結(jié)構(gòu)平流層位于大約10～50km范圍內(nèi)，集中20%左右的大氣質(zhì)量，水汽相當(dāng)少，但臭氧含量最為豐富。平流層的溫度變化與對(duì)流層相反，溫度遞減率變?yōu)榱慊蛘帪槠搅鲗禹?。這種溫度結(jié)構(gòu)的空氣十分穩(wěn)定，氣溶膠較豐富。下一頁(yè)上一頁(yè)4.1.1大氣層結(jié)構(gòu)中間層為平流層頂至80～85km范圍，其間溫度隨高度增加而迅速下降，80km以上則保持不變或遞增。由于中間層的溫度結(jié)構(gòu)與對(duì)流層相似，故有第二對(duì)流層之稱(chēng)。熱成層又稱(chēng)為電離層或暖層，其范圍自中間層頂至200～500km，空氣非常稀薄，在強(qiáng)烈的太陽(yáng)紫外輻射和宇宙射線作用下，空氣形成電離狀態(tài)。下一頁(yè)上一頁(yè)4.1.1大氣層結(jié)構(gòu)逸散層為500～750km以上至星際空間的邊界范圍，近代人造衛(wèi)星的探測(cè)結(jié)果表明，大氣的上界可以擴(kuò)展到2000～3000km處。對(duì)于一般軍用光電成像器件大多工作在對(duì)流層或平流層下部(約20～25km以下)。大氣由多種元素和化合物混合而成，大致可分為干潔大氣、水蒸氣以及其他懸浮的固體和液體粒子。上一頁(yè)返回4.14.1.2大氣的組成1.干潔大氣

干潔大氣指不含水蒸氣和氣溶膠粒子的大氣。大致可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是常定成分，主要有氮(N2)、氧(O2)、氦(He)、氫(H2)、氖(Ne)、氬(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)等，占據(jù)了絕大部分干潔空氣的體積；另一類(lèi)是可變成分，如二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)、臭氧(O3)、氨(NH3)、二氧化硫(SO2)一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)等，大氣中所占體積很小，但對(duì)輻射的吸收和散射有重要的作用。下一頁(yè)返回4.14.1.2大氣的組成2.水蒸氣(H2O)

全球地面水蒸氣含量可相差5個(gè)數(shù)量級(jí)，并主要集中在4km以下氣層中，在14km以上的氣層中，水蒸氣含量變化很小。水蒸氣對(duì)輻射衰減特別嚴(yán)重，是光電成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析和使用中必須重點(diǎn)考慮的因素之一。下一頁(yè)上一頁(yè)4.1.2大氣的組成

通常描述大氣中水蒸氣含量可用以下方法：（1）水蒸氣分壓強(qiáng)ev，單位為大氣壓或毫巴(atm或mb)；（2）體積比濃度，單位為%；（3）混合比或質(zhì)量密度比，即單位質(zhì)量空氣中所包含的水蒸氣量，單位為g/kg；（4）絕對(duì)濕度，即單位體積空氣中所含水蒸氣的質(zhì)量，單位為g/m3；下一頁(yè)上一頁(yè)4.1.2大氣的組成（5）飽和水蒸氣含量，該值僅與溫度有關(guān)，當(dāng)給定空氣樣品中的水蒸氣含量時(shí)，可通過(guò)降低溫度使其中的水蒸氣從非飽和變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)，對(duì)應(yīng)的飽和溫度稱(chēng)為“露點(diǎn)”溫度。（6）相對(duì)濕度，即單位體積空氣中所含水蒸氣的質(zhì)量與同溫度下飽和水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比，以百分?jǐn)?shù)(%)表示。下一頁(yè)上一頁(yè)4.1.2大氣的組成

根據(jù)定義，絕對(duì)濕度H、飽和水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)Ha和相對(duì)濕度Hr之間的關(guān)系為絕對(duì)濕度H與水蒸氣壓強(qiáng)ev的關(guān)系為式中，Rv=4.615×102J·kg-1·K-1為氣體常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度。(4-1)(4-2)下一頁(yè)上一頁(yè)4.1.2大氣的組成

當(dāng)相對(duì)濕度Hr=100%，對(duì)應(yīng)的水蒸氣壓強(qiáng)稱(chēng)為飽和水蒸氣壓強(qiáng)，即式中，td為攝氏溫度(單位為℃)。(4-3)下一頁(yè)上一頁(yè)4.1.2大氣的組成3.氣溶膠粒子

大氣中懸浮著大量固體和液體粒子。通常將半徑小于幾十微米的固體微粒叫做氣溶膠粒子。液態(tài)粒子的尺度一般較大，具有云滴、霧滴、雨滴、冰晶、雪花和冰雹等可見(jiàn)的形態(tài)。如圖下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.1.2大氣的組成3.氣溶膠粒子

由于重力作用，大氣氣溶膠粒子濃度隨高度按指數(shù)衰減，在對(duì)流層這種變化可表示為式中，N為粒子濃度；z為高度；h0為特征高度(與氣候和地區(qū)有關(guān))。(4-4)下一頁(yè)上一頁(yè)4.1.2大氣的組成3.氣溶膠粒子

由于不同尺度(大小)的粒子對(duì)不同波長(zhǎng)光波的散射不同，因此，應(yīng)知道氣溶膠粒子尺度分布。目前尚無(wú)完整的理論可以解釋某種分布的成因，比較普遍的描述是廣義伽馬分布，即(4-5)下一頁(yè)上一頁(yè)4.1.2大氣的組成3.氣溶膠粒子

式中,r為粒子半徑(單位為μm)；n(r)為半徑r處單位半徑間隔內(nèi)氣溶膠粒子濃度(單位為cm-3·μm-1)；a、b、c和d為擬合參數(shù)，選擇不同的擬合參數(shù)可較好地描述諸如霾、雨、雹、云等粒子的尺度分布及宏觀的光學(xué)特性。上一頁(yè)返回4.14.1.3大氣模式1.標(biāo)準(zhǔn)大氣

標(biāo)準(zhǔn)大氣用以描述在太陽(yáng)黑子最多和最少活動(dòng)范圍內(nèi)理想的中緯度的大氣年平均狀態(tài)。世界氣象組織(WMO)關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)大氣的定義是：“……所謂標(biāo)準(zhǔn)大氣就是能夠粗略地反映周年、中緯度狀況的，得到國(guó)際上承認(rèn)的假想大氣溫度、壓力和密度的垂直分布。它的典型用途是做壓力高度計(jì)校準(zhǔn)，飛機(jī)性能計(jì)算，飛機(jī)和火箭設(shè)計(jì)，彈道制表和氣象制圖的基礎(chǔ)，假定空氣服從使溫度、壓力和密度與位勢(shì)發(fā)生關(guān)系的理想氣體定律和流體靜力學(xué)方程。在一個(gè)時(shí)期內(nèi)只能規(guī)定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣除相隔多年做修正外，不允許經(jīng)常變動(dòng)?！毕乱豁?yè)返回4.14.1.3大氣模式1.標(biāo)準(zhǔn)大氣

目前最權(quán)威的1976年美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)大氣是在1962年美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)大氣和1966年美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)大氣增補(bǔ)(USSAS-1966)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集和分析，對(duì)1962年標(biāo)準(zhǔn)大氣進(jìn)行了修正和補(bǔ)充，并把高度延伸到1000km。經(jīng)我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)總局批準(zhǔn)，在建立我國(guó)自己的標(biāo)準(zhǔn)大氣之前，可使用1976年美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)大氣30km以下作為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

下一頁(yè)上一頁(yè)4.1.3大氣模式2.分析模式

按照1976年標(biāo)準(zhǔn)大氣，海平面(z=0)的溫度T0=10℃=283.15K，氣壓p=1013.25mb，空氣密度ρ=1.225kg/m3。下圖所示為氣壓p和密度ρ隨幾何高度z的分布。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.1.3大氣模式2.分析模式

圖中曲線可按以下幾種模式擬合：

(1)等密度模式(ρ=ρ0=常數(shù))

式中，g為重力加速度；γ=-dT/dz為溫度遞減率。（4-6）下一頁(yè)上一頁(yè)4.1.3大氣模式2.分析模式

(2)等溫模式(γ=0)g式中，R=2.8706×102J·kg-1K-1為氣體常數(shù)。

(4-7)下一頁(yè)上一頁(yè)4.1.3大氣模式(3)多元模式(γ=常數(shù))

(4-8)上一頁(yè)返回4.1§4.2大氣消光及大氣窗口由多種成分組成的大氣是復(fù)雜的光學(xué)介質(zhì)。輻射在這種介質(zhì)中傳輸時(shí)，將產(chǎn)生折射，吸收和散射等物理過(guò)程而導(dǎo)致輻射的衰減，這使光電成像系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)產(chǎn)生直接的影響。同時(shí)這些現(xiàn)象也反映了大氣的狀態(tài)，為大氣遙感提供了依據(jù)。下一頁(yè)返回第四章§4.2大氣消光及大氣窗口4.2.1大氣消光4.2.2波蓋耳(Bouggner)定律4.2.3大氣窗口下一頁(yè)上一頁(yè)4.2.1大氣消光

大氣對(duì)輻射強(qiáng)度的衰減作用稱(chēng)之為消光。大氣消光的基本特點(diǎn)是：（1）在干潔大氣中，大氣消光決定于空氣密度和輻射通過(guò)的大氣層厚度。（2）大氣中有氣溶膠粒子及云霧粒子群時(shí)其消光作用增強(qiáng)。（3）在地面基本觀測(cè)不到波長(zhǎng)λ<0.3μm以下的短波太陽(yáng)紫外輻射。（4）地面觀測(cè)到的太陽(yáng)光譜輻射中有明顯的氣體吸收帶結(jié)構(gòu)。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.24.2.1大氣消光

大氣消光作用主要由大氣中各種氣體成分及氣溶膠粒子對(duì)輻射的吸收與散射造成。在入射輻射作用下，原子或分子發(fā)生極化并依入射光頻率做強(qiáng)迫振動(dòng)，此時(shí)可能產(chǎn)生兩種形式的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程：下一頁(yè)上一頁(yè)4.2.1大氣消光(1)入射輻射轉(zhuǎn)換為原子或分子的次波輻射能。在均勻介質(zhì)中，這些次波疊加的結(jié)果使光只在折射方向上繼續(xù)傳播下去，在其他方向上因次波的干涉而相互抵消，所以沒(méi)有消光現(xiàn)象；在非均勻介質(zhì)中，由于不均勻質(zhì)點(diǎn)破壞了次波的相干性，使其他方向出現(xiàn)散射光。在散射情況下，原波的輻射能不會(huì)變成其他形式的能量，只是由于輻射能向各方向的散射，使沿原方向傳播的輻射能減少。下一頁(yè)上一頁(yè)4.2.1大氣消光(2)入射輻射能轉(zhuǎn)換為原子碰撞的平動(dòng)能，即熱能。當(dāng)共振子發(fā)生受迫振動(dòng)時(shí)，即入射輻射頻率等于共振子固有頻率時(shí)(ω=ω0)，會(huì)吸收特別多的能量，入射輻射被吸收而變?yōu)樵踊蚍肿拥臒崮埽瑥亩乖较騻鞑サ妮椛淠軠p少。上一頁(yè)返回4.24.2.2波蓋耳(Bouggner)定律一般地，輻射通過(guò)介質(zhì)的消光作用與入射輻射能量Φ(λ,s)、衰減介質(zhì)密度ρ(s)(單位為g/m3)以及所經(jīng)過(guò)的路徑ds成正比，即式中,k(λ,s)為光譜質(zhì)量消光系數(shù)，單位為M-1·L-1。(4-9)下一頁(yè)返回4.24.2.2波蓋耳(Bouggner)定律由式(4-9)解得輻射衰減規(guī)律為式中，Φ(λ,0)為s=0的初始光譜輻射通量。(4-10)下一頁(yè)上一頁(yè)4.2.2波蓋耳(Bouggner)定律若介質(zhì)具有均勻的光學(xué)性質(zhì)，ρ(s)=ρ,k(λ,s)=k(λ),則可簡(jiǎn)化得到Bouggner定律其中，w=ρs為光程上單位截面的介質(zhì)質(zhì)量；l(λ)=k(λ)sρ為介質(zhì)的光學(xué)厚度。(4-11)下一頁(yè)上一頁(yè)4.2.2波蓋耳(Bouggner)定律為了描述輻射通過(guò)大氣時(shí)的透射特性，定義大氣光譜透射比τ(λ,s)為

(4-12)下一頁(yè)上一頁(yè)4.2.2波蓋耳(Bouggner)定律為描述在某一波段［λ1,λ2］內(nèi)的大氣透射性質(zhì)，引入平均透射比τ(s)

(4-13)下一頁(yè)上一頁(yè)4.2.2波蓋耳(Bouggner)定律理論與實(shí)踐表明：大氣不同成分與不同物理過(guò)程造成的消光效應(yīng)具有線性疊加特性，即總消光特征量可以寫(xiě)成各分量之和，即

式中,α,β分別表示吸收和散射；下標(biāo)m,p分別表示分子和氣溶膠粒子。(4-14)下一頁(yè)上一頁(yè)4.2.2波蓋耳(Bouggner)定律將式(4-14)代入式(4-12)，可得即總透射比為各單項(xiàng)透射比之積。式(4-15)僅適合于光譜透射比的計(jì)算而不能用于計(jì)算平均透射比。(4-15)下一頁(yè)上一頁(yè)4.2.2波蓋耳(Bouggner)定律波蓋耳定律的使用應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：(1)定律假定消光系數(shù)與入射輻射強(qiáng)度、吸收介質(zhì)濃度無(wú)關(guān)。一般情況下吸收比與輻射強(qiáng)度無(wú)關(guān)，但當(dāng)輻射功率密度大到某一閾值(10.7W/cm2)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)“飽和吸收”。(2)假定粒子之間彼此獨(dú)立地散射電磁輻射，即不考慮多次散射的影響。上一頁(yè)返回4.24.2.3大氣窗口

大氣的消光作用與波長(zhǎng)相關(guān)，且具有明顯的選擇性。除可見(jiàn)光0.38～0.76μm波段外,在0.76～1.1μm、1.2～1.3μm、1.6～1.75μm、2.1～2.4μm、3.4～4.2μm、4.4～5.4μm、8～14μm等波段也有較大的透射比，猶如光譜波段上輻射透射的窗口，故稱(chēng)為“大氣窗口”。有效地利用大氣窗口可增加光電成像系統(tǒng)的作用距離,目前常用的大氣窗口除可見(jiàn)光外,還有近紅外0.76～1.1μm、短波紅外1～2μm、中紅外3～5μm和遠(yuǎn)紅外8～14μm。

返回4.2§4.3大氣吸收和散射的計(jì)算4.3.1大氣的吸收4.3.2大氣的散射4.3.3利用氣象學(xué)距離處理消光的方法4.3.4大氣傳輸特性的計(jì)算機(jī)模擬簡(jiǎn)介下一頁(yè)返回第四章4.3.1大氣的吸收

對(duì)大氣的吸收進(jìn)行精確計(jì)算的方法主要有吸收線形法和吸收帶法，計(jì)算方法比較煩瑣，適合于比較精細(xì)的分析和探測(cè)。一般工程計(jì)算方法有集合法和LOWTRAN法，計(jì)算誤差約為5%～10%。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.34.3.1大氣的吸收

典型大氣透射譜圖中給出的透射譜圖是海平面上大氣主要吸收氣體的低分辨力吸收光譜。所謂低分辨力是指圖中曲線任一點(diǎn)的值不是該點(diǎn)的準(zhǔn)確值，而是在一個(gè)波數(shù)段Δν中吸收比的平均值。下一頁(yè)上一頁(yè)4.3.1大氣的吸收2.吸收帶模式

通常在一個(gè)很窄的吸收帶內(nèi)可能含有數(shù)十條或數(shù)百條吸收線，雖然每條吸收線都有確定的參數(shù)，但要找出譜帶總吸收的解析形式是極困難的。于是提出了吸收帶模式，最常用的有Elsasser周期模式、Goody統(tǒng)計(jì)模式和隨機(jī)Elsasser模式。下一頁(yè)上一頁(yè)4.3.1大氣的吸收

需要指出，Elsasser周期模式和Goody統(tǒng)計(jì)模式均有以下結(jié)論

exp(-δ1kw)強(qiáng)線近似，

k(λ)w?1τ(λ,s)=exp(-δ2kw)弱線近似，

k(λ)w?1(4-16)下一頁(yè)上一頁(yè)4.3.1大氣的吸收

式中，δ1,δ2均為常數(shù)。式(4-17)表明在吸收介質(zhì)w=ρs較少(弱線近似)時(shí)，由于大氣吸收的透射比滿足Bouggner定律，即有但在強(qiáng)線近似條件下將偏離Bouggner定律，這與實(shí)際大氣傳輸特性的測(cè)量結(jié)果是一致的。下一頁(yè)上一頁(yè)(4-15)4.3.1大氣的吸收3.大氣吸收的工程計(jì)算方法

對(duì)輻射能吸收起主要作用的成分是水蒸氣H2O、二氧化碳CO2和臭氧O3，其中O3在高層空間含量較高；CO2含量較為穩(wěn)定；H2O含量隨氣象條件變化較大。

下一頁(yè)上一頁(yè)4.3.1大氣的吸收3.大氣吸收的工程計(jì)算方法(1)集合法

①H2O的吸收通常用截面積為1cm2，長(zhǎng)度等于1km海平面水平輻射路程的空氣柱中所含水蒸氣凝結(jié)成液態(tài)水后的水柱長(zhǎng)度(cm/km)-可降水分ω0來(lái)表示，即ω0=10-1HrHa/d式中，d為水密度，單位為g/cm3，4℃時(shí)d=１g/cm3。(4-18)下一頁(yè)上一頁(yè)4.3.1大氣的吸收3.大氣吸收的工程計(jì)算方法②CO2的主要吸收帶位于2.7μm、4.3μm、10μm和14.7μm處。由于CO2在大氣中的濃度隨時(shí)間和地點(diǎn)的變化很小，因此，由CO2吸收造成的輻射衰減可認(rèn)為與氣象條件無(wú)關(guān)。

③高度修正及斜程處理。由于影響吸收的分子密度、氣壓和溫度等均隨海拔變化，因此當(dāng)路徑為一定海拔或者斜程時(shí)需要進(jìn)行修正。修正需要吸收分子的垂直分布，通常采用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)大氣或LOWTRAN區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)大氣。下一頁(yè)上一頁(yè)4.3.1大氣的吸收3.大氣吸收的工程計(jì)算方法

高度修正:

設(shè)海拔高度z(單位為km)的水平路徑長(zhǎng)度L，大氣壓p，海平面大氣壓p0，則等效路程長(zhǎng)度

L(p/p0)0.5≈Lexp(-0.05938z)H2O

L0=L(p/p0)1.5≈Lexp(-0.178z)CO2(4-19)下一頁(yè)上一頁(yè)4.3.1大氣的吸收3.大氣吸收的工程計(jì)算方法

斜程修正:

在斜程問(wèn)題中，通常是在知道傳感器位置處的溫度、海拔、相對(duì)濕度等參量的情況下，求斜程的大氣透射比下一頁(yè)上一頁(yè)4.3.1大氣的吸收3.大氣吸收的工程計(jì)算方法

由于傳輸路徑是變吸收體，通過(guò)積分推得海拔z1至z2,天頂角為θ的斜路徑上H2O的等效海平面可降水分量為式中，ωe(z1)為海拔z1上與斜程同樣長(zhǎng)路徑的H2O等效海平面可降水分量。(4-20)下一頁(yè)上一頁(yè)4.3.1大氣的吸收3.大氣吸收的工程計(jì)算方法

同樣，對(duì)于CO2有等效路徑長(zhǎng)度為式中，Le(z1)為海拔z1上與斜程同樣長(zhǎng)路徑的CO2等效海平面路徑長(zhǎng)度。(4-21)下一頁(yè)上一頁(yè)4.3.1大氣的吸收3.大氣吸收的工程計(jì)算方法(2).LOWTRAN法LOWTRAN模式是美國(guó)空軍地球物理實(shí)驗(yàn)室(AFGL)提出的一種低分辨力大氣模式(LOWTransmitlancd),具有采用了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)修正模型,算法較簡(jiǎn)單,精度約10%～15%,大多數(shù)光電成像系統(tǒng)分析都可采用LOWTRAN分析大氣傳輸特性。上一頁(yè)返回4.34.3.2大氣的散射

實(shí)驗(yàn)證明：散射系數(shù)β(λ)與散射粒子濃度N成正比，即β(λ)=σ(λ)N，σ(λ)為單個(gè)粒子的散射系數(shù)，稱(chēng)為散射截面(單位為cm2/粒子數(shù))。在輻射傳輸中還經(jīng)常用到散射相函數(shù)F(θ)的概念，它描述θ方向上單位立體角內(nèi)散射輻射的相對(duì)大小。通常確定散射系數(shù)的方法有三類(lèi)。下一頁(yè)返回4.34.3.2大氣的散射1.瑞利散射

當(dāng)散射粒子半徑r遠(yuǎn)小于輻射波長(zhǎng)(r?λ)時(shí)，散射服從瑞利散射規(guī)則相函數(shù)F(θ)分布如圖下一頁(yè)上一頁(yè)4.3.2大氣的散射

在實(shí)際應(yīng)用中還常用到后向散射系數(shù)，體積后向散射系數(shù)可確定

(4-28)下一頁(yè)上一頁(yè)4.3.2大氣的散射

在標(biāo)準(zhǔn)大氣下，海平面的體積散射系數(shù)和后向散射系數(shù)約為(λ=0.55μm)β0(0.55)=1.162×10-2km-1，β0(0.55,π)=1.3296×10-3km-1下一頁(yè)上一頁(yè)4.3.2大氣的散射

當(dāng)溫度、氣壓和高度改變時(shí)散射系數(shù)β(λ)和β(λ,θ)均需修正，修正因子相同

下標(biāo)“0”表示標(biāo)準(zhǔn)大氣壓海平面值。瑞利散射粒子主要為氣體分子，故稱(chēng)為分子散射。分子散射與λ4成反比，即短波散射比長(zhǎng)波散射強(qiáng)，故天空呈藍(lán)色。下一頁(yè)上一頁(yè)(4-29)4.3.2大氣的散射2.邁(Mie)散射

當(dāng)粒子尺度a=2πr/λ>0.1～0.3時(shí)，瑞利公式不再適用，應(yīng)采用描述球形氣溶膠粒子散射的邁散射理論。邁散射的計(jì)算方法可歸結(jié)為確定散射效率因子Qs(a,m)、吸收效率因子Qa(a,m)和衰減效率因子Qe(a,m)，相應(yīng)的截面與效率因子的關(guān)系為

(i=s,a,e)(4-30)下一頁(yè)上一頁(yè)4.3.2大氣的散射3.無(wú)選擇性散射

當(dāng)散射粒子半徑遠(yuǎn)大于輻射波長(zhǎng)時(shí)，粒子對(duì)入射輻射的反射和折射占主要地位，在宏觀上形成散射，這種散射與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，故稱(chēng)為無(wú)選擇性散射。散射系數(shù)β等于單位體積內(nèi)所含半徑ri的N個(gè)粒子的截面積總和下一頁(yè)上一頁(yè)4.3.2大氣的散射4.單次散射與多次散射

通常，研究散射有三種側(cè)重：一是側(cè)重于“角散射”，例如研究自然光；二是側(cè)重于“總散射”，例如研究太陽(yáng)輻射的衰減(從光束中消失的總能量)；三是對(duì)“角散射”和“總散射”都關(guān)心的成像過(guò)程。

上一頁(yè)返回4.34.3.3利用氣象學(xué)距離處理消光的方法1.氣象學(xué)的透明度和能見(jiàn)距離

在氣象學(xué)上，把白光通過(guò)1km水平路程的大氣透射比稱(chēng)為大氣透明度。在一定大氣透明度下人眼能發(fā)現(xiàn)以地平天空為背景視角大于30′的黑色目標(biāo)物的最大距離RV稱(chēng)為能見(jiàn)度或能見(jiàn)距離。下一頁(yè)返回4.34.3.3利用氣象學(xué)距離處理消光的方法

在一定距離R處的目標(biāo)物和背景所發(fā)出的光(自身或反射和散射輻射)，經(jīng)過(guò)一段空氣柱的衰減；同時(shí)空氣柱對(duì)各種自然輻射及散射輻射進(jìn)行多次散射而產(chǎn)生一附加的氣柱亮度L0，若觀察者實(shí)際接收到的目標(biāo)和背景的表現(xiàn)亮度為L(zhǎng)t(R)和Lb(R)，則表觀對(duì)比度為下一頁(yè)上一頁(yè)4.3.3利用氣象學(xué)距離處理消光的方法

在考慮散射時(shí),輻射L(λ,s)的傳輸方程為

(4-34)(4-33)下一頁(yè)上一頁(yè)4.3.3利用氣象學(xué)距離處理消光的方法2.氣溶膠粒子衰減的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ?/p>

大氣中的霾、霧、云、雨、雪等天氣現(xiàn)象都是輻射傳輸?shù)乃p因素。

(1)霾的衰減常用下面經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ焦烙?jì)霾的衰減系數(shù)

下一頁(yè)上一頁(yè)4.3.3利用氣象學(xué)距離處理消光的方法2.氣溶膠粒子衰減的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ?/p>

1/30.585Rv,Rv<6kmq=13，Rv～10km

16，Rv>50km