第五章辐射2AtmosRad

1、第五章第五章地面和大气中的辐射过程地面和大气中的辐射过程5.3 5.3 地球大气与辐射的相互作用地球大气与辐射的相互作用重点：重点：吸收光谱、散射特征、布格定律吸收光谱、散射特征、布格定律相关物理量相关物理量5.3.1 5.3.1 大气吸收的物理过程大气吸收的物理过程吸收：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大气中有各种气体成分及气溶胶粒子对辐射具有选择吸收的特性是分子和原子结构及其所处运动状态决定的。气体分子或原子内的气体分子或原子内的电子能级跃迁电子能级跃迁、原子和分子、原子和分子的的振动和转动振动和转动等所发射和吸收的辐射谱等所发射和吸收的辐射谱是非连续

2、是非连续性的性的，构成，构成原子的线光谱原子的线光谱和和分子的带光谱分子的带光谱。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，其分子内部总能量子内部总能量E E由三部分组成由三部分组成E =Ee+Ev+Er（5.3.1） Ee：绕原子核转动的外层电子的动能和静电位能绕原子核转动的外层电子的动能和静电位能Ev：原子在其平衡位置附近振动的能量原子在其平衡位置附近振动的能量Er：分子绕其质量中心转动的能量分子绕其质量中心转动的能量 分子光谱分子光谱吸收系数吸收系数单个粒子的吸收截面单个粒子的吸收截面s sab 粒子所吸收的辐射通量相当于面积粒子所吸收的辐射通量相当

3、于面积s sab从入射辐从入射辐射场中所截获的辐射通量（订正教材）射场中所截获的辐射通量（订正教材）体积吸收系数体积吸收系数单位体积中各粒子吸收截面之和（单位体积中各粒子吸收截面之和（kab=Ns sab）质量吸收系数质量吸收系数单位质量的吸收物质（单位质量的吸收物质（1 1cmcm2 2气柱中）吸收了原气柱中）吸收了原辐射能的份数辐射能的份数(5.3.19)(5.3.19)ababababANkNkMssabk选择性吸收选择性吸收太阳短波辐射：太阳短波辐射：H H2 2O O、O O2 2、O O3 3地气长波辐射：地气长波辐射：H H2 2O O、COCO2 2、O O3 3气体吸收对大气

4、辐射平衡的重要性取决于：气体吸收对大气辐射平衡的重要性取决于：一是吸收线的强度一是吸收线的强度二是吸收气体的含量及其空间分布。二是吸收气体的含量及其空间分布。5.3.2 5.3.2 大气吸收光谱大气吸收光谱H H2 2O O吸收约吸收约20%20%的太阳能量的太阳能量几乎覆盖长波辐射整个波段几乎覆盖长波辐射整个波段6.3 m振动带振动带大于大于12 m转动带转动带5.3.2 5.3.2 大气吸收光谱大气吸收光谱H H2 2O OH H2 2O O主要集中在大气下层，吸收作用主要在对流主要集中在大气下层，吸收作用主要在对流层，特别是对流层下层层，特别是对流层下层液态水：吸收带与气态对应，波段向长

5、波方向移动液态水：吸收带与气态对应，波段向长波方向移动5.3.2 5.3.2 大气吸收光谱大气吸收光谱O2主要在小于主要在小于0.25 m的紫外区：的紫外区：舒曼舒曼龙格（龙格（SchumannSchumann- -RungeRunge）吸收带）吸收带赫兹堡（赫兹堡（HerzbergHerzberg）带）带因小于因小于0.25 m的太阳辐射能量不到的太阳辐射能量不到0.2%0.2%，而且，而且O2在可见光波段的两吸收带较弱，所以对太阳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。辐射的削弱不大。5.3.2 5.3.2 大气吸收光谱大气吸收光谱O3强吸收在的紫外区：强吸收在的紫外区：哈特

6、来（哈特来（HhartleyHhartley）带）带最强最强哈金斯（哈金斯（HugginsHuggins）带）带较弱较弱可见光区：查普尤（可见光区：查普尤（ChappuisChappuis）带带较弱较弱O3层吸收太阳辐射的2%平流层温度高的原因红外区：4.7 m、9.6 m 、14.1 m较强吸收带较强吸收带5.3.2 5.3.2 大气吸收光谱大气吸收光谱19321932年：严济慈采用照相光年：严济慈采用照相光度术，精确测定了臭氧在全度术，精确测定了臭氧在全部紫外区域（部紫外区域（215-345215-345纳米）纳米）的吸收系数，并发现了若干的吸收系数，并发现了若干新光带新光带国际臭氧委员会

7、把严济慈精国际臭氧委员会把严济慈精确测定的吸收系数定为标准确测定的吸收系数定为标准值，各国气象学家用以每日值，各国气象学家用以每日测定高空臭氧层厚度的变化，测定高空臭氧层厚度的变化，长达年之久长达年之久5.3.2 5.3.2 大气吸收光谱大气吸收光谱CO2大于大于2 m的红外区：的红外区：较强中心：较强中心： 2 2.7m、4.3m 、15m15m最重要5.3.2 5.3.2 大气吸收光谱大气吸收光谱紫外波段紫外波段O2、O3把把0.290.29 m以下的紫外辐射几乎全部吸收以下的紫外辐射几乎全部吸收可见光波段只有非常少量的吸收可见光波段只有非常少量的吸收红外波段红外波段主要是水汽的吸收，其次

8、是主要是水汽的吸收，其次是CO2和和CH4。 1414 m以外的辐射不能透过大气传向外空以外的辐射不能透过大气传向外空。5.3.2 5.3.2 大气吸收光谱大气吸收光谱大气透明窗或大气光谱窗大气透明窗或大气光谱窗8 8 12 12 m大气的吸收很弱大气的吸收很弱地表的温度约地表的温度约300300K K，与这个温度相对应的黑体与这个温度相对应的黑体辐射能量主要集中在辐射能量主要集中在1010 m这一范围，通过窗这一范围，通过窗区，地面发出的长波辐射可顺利地被发送到宇区，地面发出的长波辐射可顺利地被发送到宇宙空间宙空间。5.3.2 5.3.2 大气吸收光谱大气吸收光谱5.3.3 5.3.3 大气

9、对辐射的散射大气对辐射的散射气体分子以及气溶胶粒子内含有多个分立的电子和质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，使正负电荷中心产子，当电磁波照射到粒子上后，使正负电荷中心产生偏移，构成电偶极子或多极子，并在电磁波激发生偏移，构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。生电磁波就是散射辐射。特点特点：散射波长和原始波相同，并且与原始波有固定散射波长和原始波相同，并且与原始波有固定的位相关系。的位相关系。散射和吸收不同散射和吸收不同：（：（1 1）它不产生分子内

10、能状态的变化，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（应以电磁波理论和物质的电子理论来解释（MieMie理理论）；吸收是因能态发生变化而产生的，需要用量论）；吸收是因能态发生变化而产生的，需要用量子理论来解释。（子理论来解释。（2 2）散射不是选择性的，散射不是选择性的，它在电磁它在电磁波谱的各个波长上都会发生，因而是全波段的。波谱的各个波长上都会发生，因而是全波段的。5.3.3 5.3.3 大气对辐射的散射大气对辐射的散射1 1散射过程的分类散射过程的分类定义无量纲尺度参数当1时：Rayleigh散射，也称分子散射。如空气分子对短波辐射的散射。当0.1 50：几何光

11、学：折射。如大雨滴对可见光的折射、反射。2 r1 1散射过程的分类散射过程的分类一个粒子的散射截面一个粒子的散射截面ss，表示当有辐照度为表示当有辐照度为E E的的辐射射入时，将把辐射射入时，将把E Ess的能量散射到四面八方，的能量散射到四面八方，而使入射波的能量减少而使入射波的能量减少E Ess。若单位体积中有若单位体积中有 N N 个相同的颗粒，则总散射掉的辐射能为个相同的颗粒，则总散射掉的辐射能为 ENENss。单位体积中各个粒子散射截面之和称为单位体单位体积中各个粒子散射截面之和称为单位体积的散射削弱系数积的散射削弱系数k ks s 2 2散射削弱系数散射削弱系数Niik1s,ss对

12、于不同大小的气溶胶散射粒子：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，即单位体积中散射颗粒物的多少以及每因素，即单位体积中散射颗粒物的多少以及每个散射粒子的散射截面个散射粒子的散射截面2 2散射削弱系数散射削弱系数 ss0, ,cckrm n r drs（1 1）瑞利散射）瑞利散射4423sc,13)1(32CNmk64sc,01.0563 10k标况下，00sc,sc,kkm:折射率，一般为复数，虚部代表吸收（1 1）瑞利散射）瑞利散射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

13、散射削弱系数之比。4,4,0.704.920.47sc bluesc redkkLord Lord RayleighRayleigh (John William (John William StruttStrutt 1842- 1842-1919)1919)英国物理学家英国物理学家18711871：Rayleigh ScatteringRayleigh Scattering光学光学声学声学电学电学热力学热力学1904 Nobel Prize1904 Nobel Prize（1 1）瑞利散射）瑞利散射（2 2）米散射）米散射 ( (大颗粒散射大颗粒散射) )假设：粒子是球体；介质均匀假设：粒子是

14、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球状粒子的散射特性取决于粒子的相对尺度数数a a和和粒子介质粒子介质复折射指数复折射指数m m 。米散射理论是球状粒子散射的通用理论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散射效率因子：粒子的散射截面与粒子几何截面之比截面之比2scsc rQ（2 2）米散射）米散射 ( (大颗粒散射大颗粒散射) )（2 2）米散射）米散射 ( (大颗粒散射大颗粒散射) )假论一般大气条件下粒子是独立散射的，则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单位体积中粒子的总散射截面就是各粒子散射截面

15、之和，即得到散射系数射截面之和，即得到散射系数scsc02sc0( , )( )d( , )( )dkrn n rrr Qrn n rrsbCkscGustav Gustav MieMie (1868-1957) (1868-1957)德国物理学家德国物理学家19081908：Mie theoryMie theory（2 2）米散射）米散射 ( (大颗粒散射大颗粒散射) )5.3.45.3.4辐射能在介质中的传输辐射能在介质中的传输1.1.布格布格- -朗伯（朗伯（Beer-Beer-Bouguer-LanbertBouguer-Lanbert）定律定律a ,ddbEEkl1a .0d,0eb

16、kllEEa ,ddbEEkl1a .0d,0ebkllEE,0E,lE1l1ldl衰减系数或削弱系数或衰减系数或削弱系数或消光系数消光系数11.00dd,0,0eeexexklkllEEE对于散射和吸收引起的总衰减，可写为：.exscabkkk1. Beer-1. Beer-Bouguer-LanbertBouguer-Lanbert law lawPierre Pierre BouguerBouguer1698-17581698-1758versatile French versatile French scientist best scientist best remembered remembered as one of the as one of the founders of founders of photometry, photometry, the the measurement measurement of light of light intensities. intensities. 2. 2. 辐射传输的有关物理量辐射传输的有关物理量(1)(1)光学厚度光学厚度,00ddllexexklkl00ddllexexklkl2. 2. 辐射传输的有关物理量辐射传输的有关物理量(1)(1)光学厚度光学厚度,0elE