大学物理学：第五章 地面和大气中的辐射过程 (2)

1、第五章 地面和大气中的辐射过程 5.3 地球大气与辐射的相互作用 重点： 吸收光谱 散射特征 布格定律 相关物理量 5.3.1 大气吸收的物理过程 l吸收: 投射到介质上面的辐射能中的一部分被转变为 物质本身的内能或其它形式的能量。 l介质：大气中有各种气体成分及气溶胶粒子 大气成分对辐射具有选择吸收的特性，是由分子和原子结构 及其所处运动状态决定的。 l气体分子或原子内的电子能级跃迁、原子和分子的振动和转动等 所发射和吸收的辐射谱是非连续性的，构成原子的线光谱和分子 的带光谱。单个分子，当它处于某一特定运动状态时，其分子内 部总能量E由三部分组成： lEe：外层电子的动能和静电位能； lEv

2、：原子在其平衡位置附近振动的能量； lEr：分子绕其质量中心转动的能量。 分子光谱 (5.3.1) evr EEEE An electron some distance from a nucleus has a particular value of potential energy Based on distance from the nucleus and the size of the electric field If you give the electron more energy, it gain potential energy and will move farther aw

3、ay from the nucleus! The opposite is also true. When an electron gives up energy to move closer, it will be emitted as a photon of light The electron is not allowed a leisurely journey from one orbit to another It “jumps” instantaneously Also explains why some frequencies of light emitted by hydroge

4、n are the sum of two other frequencies that are observed -eV sign for DE indicates emission (+ eV for absorption) Visible lines in H atom spectrum are called the BALMER series (里德博等式 ) Ultra Violet Lyman Infrared Paschen Emission spectrum of H Light Bulb Hydrogen Lamp Quantized, not continuous 辐射频率f

5、及波数与能量变化的关系是 f和为分子吸收或发射谱线的位置。这种谱线由有限个非常窄的吸收线或发射 线组成，其间夹杂该分子不可能发射和吸收的光谱间隙。吸收光谱与发射光 谱是一致的。 实际分子的转动跃迁常伴随着振动跃迁发生。 振动带内存在转动谱线，而转动和振动能量的变化又常伴随着电子能级跃迁。 表5.3 分子的能级跃迁与吸收线中心波数和波长 ()/ evrevr fEEEhfff ()/ evrevr EEEhc “15 um motion” Some Energy States of Water Molecules . of Carbon Dioxide Molecules Vibration m

6、odes of carbon dioxide. Mode (a) is symmetric and results in no net displacement of the molecules center of charge, and is therefore not associated with the absorption of IR radiation. Modes (b) and (c) do displace the center of charge, creating a dipole moment, and therefore are modes that result f

7、rom EM radiation absorption, and are thus responsible for making CO2 a greenhouse gas. N2和O2分子：对称的电荷分布，没有振 动或转动谱。其吸收和发射谱由电子轨 道跃迁造成，位于紫外和可见光辐射区。 H2O分子的原子呈三角形分布，是极性 分子，有三种振动方式。这三种振动过 程都引起电偶极距变化，产生吸收和发 射，而转动和振动态的结合使得水汽的 吸收谱十分复杂。 CO2分子为线型对称分子，也有三种振动 方式，但没有转动带。 分子光谱举例 谱线增宽：自然增宽、压力增宽、多普勒增宽 自然增宽： l没有任何外界因素

8、作用，谱线本身也必然具有一定 的宽度，这是由于能级具有一定的宽度造成的（测 不准原理）。 压力加宽(碰撞加宽) l在对流层和平流层大气中，由于分子、原子或离子 处于不断的无规则运动中，频繁碰撞的结果导致发 射辐射的位相发生无规则变化，而使谱线加宽。 l压力加宽与T、P有关，由于大气压力的变化比温度 的变化大得多，碰撞加宽的谱线宽度随压力的变化 是主要的。 l多普勒增宽：由作热运动的分子发射辐射的Doppler频移引起。 分子不停地向各个方向以不同速度作无规则运动，即使每个分 子所发射的辐射频率相同，但因相对速度的原因使不同运动速 度的分子的辐射之间有一定的频率差异，从而引起辐射谱线有 一定程度

9、的增宽。与T有关，与P无关。 实际大气，谱线的Doppler加宽和压力加宽同时存在。 30km以下大气，谱线加宽主要由压力加宽效应决定；在大气 高层（50km以上），Doppler加宽主要在平流层上层和中间层 相当厚的一层大气中，压力加宽与Dopplar加宽同等重要，即 Doppler-Lorentz混合线型， 称为Voigt线型函数。 吸收系数 单个粒子的吸收截面ab 粒子所吸收的辐射通量相当于面积ab从入射辐射场中所截获 的辐射通量。 体积吸收系数：单位体积中各粒子吸收截面之和（ka=Nab）。 质量吸收系数：单位体积中各粒子吸收截面之和；单位质量的吸 收物质（1cm2气柱中）吸收了原辐射

10、能的份数。 加宽作用使得吸收带中谱线互相重叠，在每一波数处的吸收系数 实际多使用一波数间隔内的平均值。 0 5.3.19 abababab N kNk M ,i i kk 选择性吸收 太阳短波辐射：H2O、O2、O3 地气长波辐射：H2O、CO2、O3 气体吸收对大气辐射平衡的重要性取决于： 吸收线的强度 吸收气体的含量及其空间分布。 5.3.2 大气吸收光谱 lH2O l吸收约20%的太阳能量 l几乎覆盖长波辐射整个波段 l吸收作用主要在对流层，特别是对流层下层。 l液态水：吸收带与气态对应，波段向长波方向移动。 5.3.2 大气吸收光谱（H2O） 大于12m转动带6.3m振动带 O2主要在

11、小于0.25m的紫外区： 舒曼-龙格吸收带0.125-0.2m，赫兹堡带0.24-0.26m。 因小于0.25m的太阳辐射能量不到0.2%， 而且O2在可见光波段的两吸收带较弱， 所以对太阳辐射的削弱不大。 O3 强吸收带在紫外区： 哈特来带最强0.220.30m；哈金斯带较弱0.32-0.36m；可见光 区：查普斯带较弱。 臭氧层吸收太阳辐射的2%平流层温度高的原因。 红外区：4.7m、9.6m 、14.1m较强吸收带。 5.3.2 大气吸收光谱（ O2 和O3 ） CO2吸收主要分布在大于2m的红外区：较强中心为 2.7m、 4.3m 和15m（最重要）。 5.3.2 大气吸收光谱（ CO

12、2等） n 紫外波段：O2、O3把0.29m以下的紫外辐射几乎全部吸收 n 可见光波段：只有非常少量的吸收 n 红外波段：主要是水汽的吸收，其次是CO2和CH4。 n 14m以外的辐射不能透过大气传向外空。 n 大气透明窗或大气光谱窗：812m大气的吸收很弱 n 大气窗区对地气系统的辐射平衡有十分重要的意义：地表的温度 约300K，与这个温度相对应的黑体辐射能量主要集中在10m这 一范围，通过窗区，地面发出的长波辐射可顺利地被发送到宇宙 空间。 5.3.2 大气吸收光谱（大气透明窗） 0.29 14 n光化反应：分子吸收足够的辐射能分裂为原子；不稳定的原 子结合成较稳定的分子释放多余的辐射能

13、n光化反应所要求的辐射波谱可以为连续谱，只要其中的波长 短到使一个光子所提高的化学能足以造成分子的光解。其它 能量转化为原子的动能，使气体的温度增高。 n地球大气中，大多数光化反应需要有紫外辐射和可见光辐射。 0.2424 2 m Oh fOO n光致电离：任何原子都能被波长非常短的辐射所电离。具有 足够能量的光子把电子从绕原子核旋转的外层轨道上剥离开 来，这种过程称为光致电离。 n也象光化反应那样，光致电离要求辐射具有低于一定的临界 能量波长的连续波。引起电离的辐射波长通常小于0.1m。 n气体分子以及气溶胶粒子内含有多个分立的电子和质子，当电 磁波照射到粒子上后，使正负电荷中心产生偏移，构

14、成电偶极 子或多极子，并在电磁波激发下作受迫振动，向各方向发射次 生电磁波。这种次生电磁波就是散射辐射。 n特点：散射波长和原始波相同，并与原始波有固定的位相关系。 n散射和吸收不同： 它不产生分子内能状态的变化，应以电磁波理论和物质的电 子理论来解释（Mie理论）；吸收是因能态发生变化而产生 的，需要用量子理论来解释。 散射不是选择性的，它在电磁波谱的各个波长上都会发生， 因而是全波段的。 5.3.3 大气对辐射的散射 Scattering - Example Purely absorbing With Scattering Photon pathlength LPhoton pathlen

15、gth = L L 1. 散射过程的分类 n定义无量纲尺度参数 当1时：Rayleigh散射（分子散射），如空气分子对短波辐 射的散射。 当0.150：几何光学：折射。如大雨滴对可见光的折射、反射。 2 r n单个粒子的散射截面sc：表示当有辐照度为E的辐射射入时， 将把Esc的能量散射到四面八方，而使入射波的能量减少Esc 。 若单位体积中有N个相同的颗粒，则总散射掉的辐射能为 ENsc 。 n单位体积散射削弱系数ks：单位体积中所有粒子散射截面之和。 2散射削弱系数 ss, 1 N i i k 对于不同大小的气溶胶散射粒子： 大气对辐射的散射削弱作用的大小取决于两个因素，即单位体积 中散射

16、颗粒物的多少以及每个散射粒子的散射截面。 散射截面、散射系数与尺度参数a和复折射（指数）率m有关。 2散射削弱系数 0 , , scsc krm n r dr 复折射指数 (m = n - ik) ，其中n代表散射，k代表吸收。 If k is equal to 0 at a given wavelength thus a particle does not absorb radiation at this wavelength. （1）瑞利散射 32 4 sc, 4 64 sc,0 sc,sc,0 0 32 (1)1 3 1.0563 10 m kC N k kk n 瑞利散射的基本特征 散

17、射光强度和波长的4次方成反比，这也是天空为什么是蓝色的原因。 散射光强度和粒子体积的平方成正比。 当入射光为自然光时，前后向散射呈对称分布。 散射光有很高的偏振度。 散射削弱系数与波长的4次方成反比，波长越短，分子散射削弱 越强。 例题 计算蓝光与红光的散射削弱系数之比。 4 , 4 , 0.70 4.92 0.47 sc blue sc red k k n 可见蓝光的散射比红光要强9倍以上，这就是晴天天空呈蓝色的 原因。而太阳的直接辐射光在通过地球大气时，由于分子散射对 蓝光的削弱要远大于对红光的削弱，从而使人们看到的日盘的颜 色要向红色偏移。特别是当太阳处于地平附近时，太阳辐射所经 过的大

18、气路径远大于正午时刻，所以其颜色是红色的而不是金黄 色的。 Lord Rayleigh 1842-1919 (John William Strutt) 英国物理学家 1871：Rayleigh Scattering 光学 声学 电学 热力学 1904 Nobel Prize （2）米散射（大粒子散射） 假设：粒子是球体；介质均匀。 球状粒子的散射特性取决于粒子的相对尺度数a和粒子介质复折 射指数m 。 米散射理论是球状粒子散射的通用理论。 散射效率因子： 粒子的散射截面与粒子几何截面之比。 sc sc 2 Q r 假论一般大气条件下粒子是独立散射的，则单位体积中粒子的总 散射截面就是各粒子散射

19、截面之和，即得到散射系数 2 00 sc ( ,)( )( ,)( ) scscsc b krm n r drr Qrm n r dr kC n 米散射的主要特点 随着粒子尺度数a的增大，前向散射光在总散射光中的比值迅速增大，这就是 所谓米效应。 前向散射光基本上不改变入射光的偏振状态，当入射光是自然光时，前向散 射光也是非偏振的。散射光偏振度最大的方向出现在散射角为85 120之间。 在吸收不强时，散射效率Qsc随x的增大呈振动状态变化，最后趋向于2，即散 射截面是几何截面的二倍。但当吸收增强时，Qsc曲线上的振动消失了。 散射截面随波长而变。当a很小时，和瑞利散射一样，与波长四次方成反比；

20、 当a增大时，逐渐变为和n (0n 4)；最后当a相当大时，和波长无明显关系。 nGustav Mie (1868-1957) n德国物理学家 n1908：Mie theory Nitrogen Dioxide Haze Nitrogen Dioxide Plume 5.3.4 辐射能在介质中的传输 布格-朗伯-比尔（Bouguer-Lambert-Beer）定律 . 1 0 1 0 . , ,0 , ,0 abab ab kdl l ab kdl l d EEkd l E d EEkd l EEEee 上述的指数削弱规律可适用于任何原因引起的辐射衰减。对于 由散射和吸收引起的衰减，可写为 , 00 ,0,0 ll exex kdlkdl l EEeEe 式中kex,= ksc,+ kab,，称为衰减系数。布格朗伯定律是下面研 究太阳直接辐射削弱的基础，非常重要。 物质对光吸收的定量关系很早就受到了科学家的注意并进行了研究。皮埃尔布格 （Pierre Bouguer）和约翰海因里希朗伯（Johann Heinrich Lambert）分别在1729年和 1760年阐明了物质对光的吸收程