大气辐射与遥感-第二章选编.ppt

第二章 大气辐射基础知识;第二章 大气辐射基础知识 ;§ 2.1 电磁辐射的性质;电场;水波：动能 == 势能;电磁波的性质;电磁波频谱;γ射线和X射线;紫外线（UV）;可见光;红外波段;微波和无线电波;太阳辐射与地球辐射;电磁波的频率分解; 任意两个单独电磁波的传输都是完全独立的，他们或许会相交，甚至一起传输，但是一列波并不会影响到另一列波。 这个原则被很好的应用到以正弦函数为基函数的傅立叶分解。因此，我们不仅仅可以把任意电磁波看作成有一系列不同角频率的正弦函数组成的混合波，我们甚至可以追踪每种频率分量的传播。 这一点对大气辐射传输意义重大：在计算、模拟电磁波和云、水汽、氧气、二氧化碳等相互作用的时候，我们一次仅考虑一个单一频率（波段），然后再把所有相关频率的结果求和。;单色光与宽波段辐射;电磁波的极化;水平线偏振光;电磁波的波粒二象性;电磁波的能量;单色(monochromatic)与宽波段(broadband);§2.1.2 立体角;§2.1.3 基本辐射量 - 1;§2.1.3 基本辐射量 - 2;符号;辐射通量（radiation flux）：指单位时间通过某一平面的辐射能（各种波长的电磁波传输的能量），也称为辐射功率。由某一发射面发出的总通量通常称为发光度（luminosity）。 辐射通量密度（radiation flux intensity）：单位面积的辐射通量称为辐射通量密度，也称为辐照度（irradiance）。当辐射通量密度是由一个发射面射出时，则此量称为辐出度（emittance）；当按波长表达时，它称为单色辐出度。（monochromatic emittance）。 辐亮度 (radiance)：在辐射传输方向上的单位立体角内，通过垂直于该方向的单位面积、单位波长间隔的辐射功率。亦称为辐射率。;§2.1.4 散射和吸收;散射现象分类-1;散射现象分类-2;1928年拉曼在液体和气体中观察到散射光频率发生改变的现象，成为拉曼散射。 拉曼散射遵守如下规律：散射光中在原始入射谱线（频率为ω0）两侧对称地伴有频率为ω0±ωi(i=1,2,3,…)的一组谱线，长波一侧的谱线称红伴线或斯托克斯线，短波一侧的谱线称紫伴线或反斯托克斯线，统称拉曼谱线；频率差ωi与入射光频率ω0无关，仅由散射物质的性质决定。每种物质都有自己特有的拉曼谱线，常与物质的红外吸收谱相吻合。 晶格振动分频率较高的光学支和频率较低的声学支，前者参与的散射是拉曼散射，后者参与的散射是布里渊散射。广义的拉曼散射。按习惯频移波数在50—1,000/厘米间为拉曼散射，在0.1—2/厘米间是布里渊散射。;散射现象分类-3;独立散射：当大气分子和微粒的间距分开的足够宽，以致每个粒子散射光的情况严格等同于其他粒子不存在使得情况时的散射，称之为独立散射。 单散射：移除了入射光，在P点的粒子通过向各个方向的只散射了一次的单散射，也即仅对原始的入射光进行散射。 二次散射：一部分单散射的光到达在Q点的粒子上，在此再次发生向各个方向的散射成为二次散射。 多次散射：多于一次的散射都称为多次散射。多次散射对辐射能在大气中的传输是一个重要过程，尤其是在涉及到云和气溶胶时。;消 光;截面的概念;质量消光截面(mass extinction cross section)：当截面相对单位质量而言时，它的单位是每单位质量的面积(cm2?g-1)。 质量消光截面=质量散射截面+质量吸收截面;消光系数;吸收率、反射率和透射率;大多数的固体和液体： 不含颗粒的气体： 黑体： 镜体或白体： 透明体：;课后作业;;§ 2.2 黑体辐射定律;黑体的定义;黑体辐射定律;§2.2.1普朗克定律;W?m-2?μm-1?sr-1;频率域;§2.2.2斯蒂芬-玻尔兹曼定律;将物体视为绝对黑体而计算出的温度成为有效温度，有效温度低于实际温度。 斯蒂芬玻耳兹曼定律是分析宽带红外辐射传输的基础。;§2.2.3维恩位移律;瑞利-金斯近似(Rayleigh-Jeans Approximation);发射率;单色发射率 ελ ：主要在遥感应用方面（主要关心辐亮度） 宽波段发射率 ε：主要在能量传输计算方面（主要关心辐照度、通量） ;灰 体;§2.2.4基尔霍夫定律;在统计力学中，系统的宏观性质是相应的微观量的统计平均值。当系统处于热力学平衡时，系统内的每个分子仍在处于不停的运动中，系统的微观状态也在不断地发生变化，只是分子微观运动的某些统计平均值不随时间而改变。 基尔霍夫定律不成立的情况： 非常高的大气层处，因为那里的分子碰撞非常少。 激光、荧光、气体放电管、LED等，分子的平均电子能量被人为的抬升到一个能级，比分子热动力运动的温度高很多。因此，这些系统的发射率比黑体的发射率高很多，因此不遵从普朗克定律或