南京大学国际地球系统科学研究所 遥感物理讲座-7电磁辐射大气效应.pptVIP

《遥感物理》课程讲座-7----电磁辐射大气效应 田 庆 久 南京大学国际地球系统科学研究所 2005年3月30日 * * --- 南京大学硕士研究生课程--- 内 容 引 言 大气成分 大气结构 瑞利散射 米氏散射 大气吸收 大气热辐射与大气折射 大气光学厚度 大气对太阳辐射的影响 电磁辐射与地球大气相互作用中，所产生的吸收、反射、散射与发射效应，与大气物质的成分及形态有关。在大气遥感中气象卫星的主要探测目标，就是大气物质散射、反射和发射的电磁辐射信息。 大气效应对于遥感地球表面的辐射信息，却是一种不利因素。它不仅使传向太空的地表辐射信息遭到衰减，而且由大气效应产生的天空光也一并进入遥感器，造成对地表辐射信息的干扰。 电磁辐射在传播过程中，由于介质的不均匀性而产生散射现象。介质中微粒密度的局部涨落尺度与电磁辐射波长相比较，如果小于1／l0波长，产生的散射称为瑞利散射，如大气分子的散射。 大气介质的另一种不均匀性是含有较大的微粒，它们的折射率与周围其他物质的折射率不同，如乳状掖、气溶胶等，产生的散射称为米氏散射。散射造成的电磁辐射随传播距离的增加而不断衰减，可见光段辐射与大气作用时，主要由于散射而导致衰减——消光，因而常用消光系数的大小表示可见光散射的强弱。 一、引 言 二、大气成分 表 大气的不变成分 地球大气由气体及固态、液态悬浮微粒等组成。大气气体组分包括不变成分和可变成分两种。 大气的不变成分的气体：从地球表面直至80km的高度，气体的相对含量基本保持不变，称为。如氮、氧、氩的含量最高，三者之和，占大气总体积的99．96％。 大气中可变成分的气体：主要是水蒸气(H2O)和臭氧(O3)，它们的含量随温度及高度而变化。水蒸气含量随高度的增加而迅速成少。在海平面上，大气中水蒸气含量可高达2％，在距海平面 13km以上的高度，水蒸气的含量很少，可以忽略不计。臭氧则与水蒸气相反，在近地面处，大气中臭氧的含量极少，它随着高度的增加而增大，井在22km的高度上有一最大值，随后逐渐减少。 大气中悬浮的大量固态和液态的微粒，包括灰尘、烟尘、盐晶、冰晶和水滴等，直径为0.01-30μm，统称为气溶胶。气溶胶中颗粒直径小于0.5μm的微粒，又形成霾。 三、大气结构 地球大气圈的界限是从流星和北极光的最高发光点推算而得的，距地球友面800km的高空，尚存在少许空气，因而通常将大气厚度取为l000km。 大气的压力是空气柱的重量造成的。设在大气层中高度相差dh的上、下两面的压差为dP，则dP应等于夹在层中的空气重量： dP＝-ρgdh＝-nmgdh。ρ为空气密度，g为重力加速度，n为单位体积内空气的分子数,m为空气分子的平均质量。 由理想气体方程式：P＝nkT。 k为波耳兹曼常数，T为绝对温度。 (dP/P)=-(mg/kT) dh，P=Poe -∫ho(mg/kT) dh 。 Po是高度为h＝0处的压强，P是高度为h处的压强。 如果m、T均不随h改变。P＝Poe-h/H 其中：H= kT/mg。 n=noe-h/H 大气压力或单位体积内的分子数随高度h作指数衰减。H称为大气层的标高，是压力变化e倍所对应的高度。 如：温度T＝273K，大气的标高H＝7．99km。 大气质量的99％集中在离地面30km高度之内，其中一半在离地面5.5km以下，四分之一集中在5.5一l l km高度之间。 图 大气的垂直分布结构 大气在垂直地表方向分布， 按热学性质分为对流层、平流层、中气层和增温层(也称热层)。 大气的底层是对流层，它向上伸展的高度与纬度有关，在两极上空仅为7—8km，而在赤道上空却有16—19km。 在对流层内平均每升高 l km温度下降6．5K。对流层的上限称为对流层顶，它的高度视纬度、季节而改变，甚至同一地点，每天的高度都不一样。 平流层的范围是从对流层顶至50km。在平流层几乎看不到有天气现象。平流层的下部有一个明显的等温层，等温层约延伸到24km处。从等温层向上温度缓慢的增加， 因为有臭氧吸收紫外线的缘故。在50km处达到平流层顶，这里的温度稍低于海平面的温度。由于臭氧的分布不均匀，而且随季节变化，所以平流层内的温度 在空-间上都有很大变化，并存在季节性强风环流。 图 大气气溶胶的分布 中气层下方的平流层由于臭氧的集中，而温度比中气层高。中气层内的温度随高度而递减，平均每上升l km，温度下降3K，大约在80km高度处，温度降至最低点，约l78K，这也是整个大气圈的最低温度。 增温层