第六章红外辐射在大气中的传输

1、 第6章 红外辐射在大气(dq)中的传输共三十九页红外辐射在大气中的传输问题一直受到人们的普遍重视。这是因为红外辐射自目标发出后，要在大气中传输相当长的距离，才能达到(d do)观测仪器，由此总要受到大气中各种因素的影响，给红外技术的应用造成限制性的困难。 共三十九页 辐射在大气中传输时，主要有以下几种(j zhn)因素使之衰减： （1）在0.20.32m的紫外光谱范围内， 臭氧的分解作用导致的光吸收。 （2）在紫外和可见光谱区域中，由氮分子和氧分子所引起的瑞利（Rayleigh)散射。 （3）粒子散射或米（Mie)氏散射。 （4）大气中某些元素原子的共振吸收 。 （5）分子的带吸收（红外辐射

2、衰减的重要原因）。 共三十九页6.1 地球(dqi)大气的基本组成和气象条件 1 大气的基本组成 包围着地球的大气层，每单位体积中大约有78%的氮气和21%的氧气，另外还有不到1%的氩（Ar）、二氧化碳(r yng hu tn)(CO2)、一氧化碳(CO)、一氧化二氮(N2O)、甲烷(CH4)、臭氧(O3)、水汽(H2O)等成分。除氮气、氧气外的其他气体统称为微量气体。 除了上述气体成分外，大气中还含有悬浮的尘埃、液滴、冰晶等固体或液体微粒，这些微粒通称为气溶胶。 共三十九页2 大气的气象条件 所谓大气的气象条件，是指大气的各种特性，如大气的温度、强度、湿度(shd)、密度等，以及它们随时间、

3、地点、高度的变化情况。 右图表示了海拔100km内大气温度随高度变化的情况。 共三十九页大气温度(wnd)大气压强大气密度共三十九页6.3 大气中的主要吸收气体和主要散射(snsh)粒子大气中的主要吸收气体由水蒸气、二氧化碳、和臭氧(chuyng)等。下面主要介绍这些气体的浓度和变化范围。 共三十九页 1 水蒸气 水蒸气在大气中，尤其在低层大气中的含量较高，是对红外辐射传输影响较大的一种大气成分。虽然人眼看不见，但它的分子对红外辐射有强烈的选择吸收作用。 水蒸气含量描述 1) 水蒸气压强(yqing):水蒸气压强(yqing)是大气中水蒸气的分压强(yqing)，用符号pw表示，其单位是Pa。

4、 2) 绝对湿度:绝对湿度是单位体积空气中所含有的水蒸气的质量，通常用符号w表示，其单位为g/m3。所谓绝对湿度，是指水蒸气的密度。共三十九页3)饱和水蒸气压: 在由气体转变为液体过程中的水蒸气，称为饱和水蒸气。在饱和空气中，水蒸气在某一温度下开始发生液化时的压强，称为在该温度下的饱和水蒸气压，用ps表示，它就是饱和状态下水蒸气的分压强，只是温度的函数。 4)饱和水蒸气量: 某一空气试样中，处于(chy)某一温度时，单位体积内所能容纳最大可能的水蒸气质量，用s表示，其单位是g/m3。饱和空气中的水蒸气量，即饱和水蒸气密度，只与温度有关。共三十九页5)相对湿度:相对湿度是空气试样中水蒸气的含量和

5、同温度(wnd)下该空气试样达到饱和是水蒸气含量的比值，用百分数RH表示 6）露点温度:露点温度是给定空气试样变成饱和状态时的温度。水蒸气的分布：图6-6 共三十九页7) 可凝结水量（可降水量）单位mm沿光线方向上所有的水蒸气在于光束有相同截面(jimin)的容器内凝结成水层的厚度。水蒸气被折合成液体水的数量。共三十九页2 二氧化碳 随着高度的增加，二氧化碳对红外辐射的吸收虽然减少，但不如水蒸气吸收减少得那么显著。因此，在低空水蒸气的吸收对红外辐射的衰减起主要作用；而在高空，水蒸气的吸收退居次要地位(dwi)，二氧化碳的吸收变得更重要了。 3 臭氧 臭氧在大气中的形成和分解过程，决定了臭氧的浓

6、度分布以及臭氧层的温度。 （臭氧分布，图6-7）共三十九页4 大气中的主要散射(snsh)粒子 气溶胶：云、雾、雨、冰晶、尘埃、碳粒子、烟、盐晶粒以及微小的有生命机体。尺度范围：表6-6 大气(dq)中的散射质点 共三十九页6.5 大气(dq)的吸收衰减 介质中的辐射场强度(qingd)与介质的透过率密切相关。因此，研究因大气的吸收和散射对辐射产生的衰减是非常重要的。本节将研究大气吸收产生的衰减 为了确定给定大气路程上分子吸收所决定的大气透射率，可以有如下几种方法： （1）根据光谱线参数的详细知识，一条谱线接一条谱线地做理论计算； （2）根据带模型，利用有效的实验测量或实际谱线资料为依据，进行

7、理论计算； （3）在所要了解的大气路程上直接测量； （4）在实验室内模拟大气条件下的测量。共三十九页(1) 大气的选择吸收(xshu) 表6-9 大气中各吸收组分的红外吸收带图6-8 红外吸收光谱共三十九页6.5.6 表格法计算大气的吸收 表格法计算大气的吸收是一种利用红外和大气工作者编制的大气透过率表格可以方便(fngbin)地计算大气吸收。根据人们的实验数据，采用适当的近似，已经整理出各种形式的大气透射率数据表 共三十九页任意波长上的透射率的知识从表中查到的水蒸气和二氧化碳透射率的乘积，即在高度为h的水平路程x所具有的透射率等于(dngy)长度为x0的等效海平面上水平路程的透射率，用数字表

8、达式可以表示为共三十九页6.6 大气(dq)的散射衰减 散射：辐射在大气中遇到气体分子密度的起伏及微小微粒，使辐射改变方向(fngxing)，从而使传播方向(fngxing)的辐射能减弱。散射比分子吸收弱共三十九页瑞利散射(snsh)和米氏散射(snsh)共三十九页1 气象(qxing)视程与视距方程式目标与背景的对比度随着距离的增加而减少(jinsho)到2%时的距离，称为气象视程，简称为视程或视距。 对比度C，即 式中Lt为目标亮度；Lb为背景亮度共三十九页人眼对两个目标亮度的差异(chy)的区别能力是有限的，这种限制的临界点称为亮度对比度阈。亮度对比度阈通常以CV表示，对于正常的人眼来说

9、，其标准值为0.02。 对于同一目标来说，当它距观察点的距离为x时，那么观察者所看到的目标与背景的对比度为式中Ltx为观察者所看到的目标亮度；Lbx为背景亮度共三十九页当x=V处的亮度对比度CV与x=0处的对比度亮度C0的比值恰好等于2%时，这时的距离V称为(chn wi)气象视距，即 LtLb,Lb0=LbV 上式可变为 共三十九页在实际观察中，如果(rgu)我们把一个很亮的目标从x=0处移到距观测点x=V处时，对于波长为0的亮度降到原亮度的2%，此时V就是气象视程。如果满足上述的假设，那么以x=0到x=V之间的大气，在波长0处，对大气透射率的影响只是由散射造成的，其透射率为(6-183)

10、共三十九页由上面两式可得到 所以(suy)可以得到在波长0处，散射系数和气象视程的关系为 上式即为视程方程式，V是长度单位，与S(0)相适应即可。(6-185) 共三十九页2 测量(cling)0处视程的原理 在已知的x距离上，在波长0处，测得大气的透射率为S(0，x），则有 共三十九页如果已知距离(jl)x在0V之间，由于在整个视程内的S都是一样的，因此，可以将此式中的S(0)代入视程方程中，得到视程与已知距离处的透射率之间的关系为 由此式可知，只要测得已知距离x及透射率S(0，x），就可以求得视距。 共三十九页计算(j sun)气象视程 例5-1 在距离x=5.5km，波长(bchng)0

11、.55m处测得的透射比S(0，x）为30%，求气象视程V。 解 : 将x，S(0，x）代入式（6-188） 得 即在0.55m处的气象视距为17.9km。共三十九页3 利用0处的视程求任意波长(bchng)处的光谱散射系数S()一般可以将散射系数表示为 式中的A，A1，q都是待定的常数。 上式中，第二项表示瑞利散射。在红外光谱区内(q ni)，瑞利散射并不重要，因此，只需考虑式中的第一项，即 共三十九页对上式取对数，有 式中q是经验常数。当大气能见度特别好（例如气象视程V大于80km）时，q=1.6；中等视见度，q=1.3（这是常见的数值）。如果大气中的霾很浓厚，以致(yzh)能见度很差（例如

12、，气象视程小于6km），可取共三十九页上式同样应能满足波长(bchng)0处的散射系数。可利用式（6-190）和式（6-185）得到 共三十九页将式（6-193）代入式（6-190），就可以得到任意波长处的散射系数S()与气象视距及波长的关系式 把此式带入由纯散射衰减导致(dozh)的透射率公式，有 共三十九页描述 5000-200大气(dq)透射仪传感器测量大气(dq)消光系数，消光系数是散射系数和吸收系数的总和。 共三十九页6.7 大气透射率的计算(j sun)举例 1 大气透射率的计算步骤 在实际大气中，尤其是在地表(dbio)附近几千米的大气中，吸收和散射是同时存在的。由此，我们可以得

13、到大气的光谱透射率为式中a()，b()分别是与吸收和散射有关的透射率。共三十九页然而，大气中并非只有一种吸收组分。假设大气中由m种吸收组分，即 式中ai()是与第i种组成(z chn)的吸收有关的透射率。将式（6-197）代入（6-196），得到大气的透射率共三十九页计算(j sun)大气透射率的步骤归结如下：（1）按实际的需要(xyo)规定气象条件、距离和光谱范 围。 （2）按式（5-23），也就是由气象视程的方法计算出在给定条件下的S(). （3）按给定条件，依次计算出各个吸收组分的ai()。其办法有： 查表（大气透射率表） 带模型计算。 （4）利用所求得的S()和ai()，根据式（6-1

14、98）可以算出大气的透射率。共三十九页大气(dq)透射率计算举例气象条件：海平面水平路程长1.8km，气象视程V=13.8km（在0.61m处 ）。求：只考虑散射，计算(j sun)在3.54.0m光谱带的平均大气透射率。共三十九页计算大气透射率气象条件：海平面水平路程5km，气象视程在V=27km（在 ） 处，水蒸气含量相当于5mm可降水量，考虑二氧化碳(r yng hu tn)和水蒸气的影响，计算 附近光谱带的平均大气透射率。（e取2.72） 共三十九页 6.9大气红外辐射传输(chun sh)计算软件介绍 随着近代物理和计算机技术的发展，大气辐射传输计算方法，由20世纪60年代的全参数化或简化的谱带模式发展为目前的高分辨光谱透过率计算，由单纯只考虑吸收的大气模式发展散射和吸收并存的大气模式，且大气状态(zhungti)也从只涉及水平均匀大气发展到水平非均匀大气。同时已发布例如LOWTRAN、MODTRAN、FASCOD、MOSART、EOSAEL和SENTRAN等多种在目标探测和遥感中得到广泛应用的实用软件。 共三十九页内容摘要第6章 红外辐射在大气中的传输。包围着地球的大气层，每单位体积中大约有78%的氮气和21%的氧气，另外还有不到1%的氩（Ar