第5章 节 课件PART-2 第五章 节 电磁辐射 卫星海洋学 PPT.ppt

第五章 电磁辐射(Electromagnetic Radiation) §5.5 黑体辐射（Blackbody Radiation） §5.5.1 黑体（Blackbody） §5.5.2 普朗克定律和瑞利-金斯定律（Planck Law Rayleigh-Jeans Law） §5.5.3 亮温（Brightness Temperature） §5.6 菲涅耳公式（Fresnel Formula） §5.7 菲涅耳反射率ρ的公式（Equations of Fresnel Reflectance ρ） §5.8 相对电容率的公式（Equation of Relative Permittivity） §5.5.1 黑体（Blackbody） 发射率e等于1的理想辐射体称为黑体，黑体发射的辐亮度只与温度有关。 在可见光和近红外波段，地球和太阳表面的发射率接近1。所以，在可见光和近红外波段范围内，地球和太阳可以近似地看作黑体。然而，因为较高的精度要求，在可见光遥感的计算中不能将地球当作黑体； 在微波波段，因为地球的发射率明显小于1，更不能将地球当作黑体。 宇宙中的“黑洞”（black hole）不是黑体。黑洞的吸收率等于1，发射率等于0，不满足基尔霍夫定律的条件，它的质量和能量在不断地增加，并不保持平衡。 §5.5.2 普朗克定律和瑞利-金斯定律（Planck Law Rayleigh-Jeans Law） 基于量子理论，1900年普朗克提出了辐射定律。该定律定量地描述了黑体自发辐射的辐亮度（Spectral Radiance) L（λ） 式中λ是电磁波的波长。这里，在真空中的光速c=2.998×108 m﹒s-1，普朗克常数h = 6.626×10-34 J﹒s，玻尔兹曼常数kb =1.381×10-23J﹒K-1，黑体温度（blackbody temperature）T的单位采用开氏温标（Kelvin degree）。 另一表达形式： 在海洋遥感中，人们经常使用辐亮度L（ f ）的实用单位μw﹒m-2﹒Hz -1﹒sr-1，它表示单位面积内单位频率内单位立体角内辐射源自发辐射的功率。 斯忒藩-玻耳兹曼定律（Stefan-Boltzmann Law） 式中σ = 5.67*10-8 W﹒m-2﹒K-4是常数。 一般地，地表物体以地表温度T（大约300K）辐射。如果频率f低于600GHz，那么不等式hf/(kbT)1成立。可获得泰勒公式的一阶展开式 把 此式代入普朗克定律，可获得瑞利-金斯定律（Rayleigh-Jeans Law） 微波的频率低于300GHz，它满足瑞利-金斯定律的适用条件。因此，瑞利-金斯定律在微波遥感中有广泛的应用。物体（例如海面或大气）发射的辐亮度L（f）与该物体的温度呈现一个线性关系。这使我们在微波遥感计算中可以回避复杂的普朗克辐射定律，而采用简单的瑞利-金斯定律。 §5.5.3 亮温（Brightness Temperature） 如果已知海面发射的辐亮度（radiance），那么直接代入普朗克辐射定律经过计算可以获得一个黑体等效辐射温度（blackbody equivalent radiometric temperature）。这样获得的温度不是真实的海表面温度（SST），它被称为海表面亮温（brightness temperature）TB：1）大气校正以；2）考虑到海水的灰度，即海面发射率。 式中T（λ,θ,φ,TSST）代表海表面之上的传感器能够探测到的亮温，它是波长、海表面的热力学温度和立体角的函数；TSST是海表面一个薄层海水的温度，它代表海表面的物理温度或热力学温度。 在可见光和红外波段，海水接近于黑体，海水的发射率e（λ,θ,φ）是一个接近1的常数。所以，可见光和红外通道探测的辐亮度L（λ,θ,φ）接近于与海水具有相同温度的黑体自发辐射的辐亮度LBLACK（λ,θ,φ），这些通道探测的亮温接近于真实的海表面温度。然而，海水在微波波段的发射率e（λ,θ,φ）非常小，微波通道探测的亮温与真实的海表面温度相差极大。 §5.6 菲涅耳公式（Fresnel Formula） 依据入射、反射和折射三束电磁波的电场和磁场在分界面的连续性原理导出菲涅耳公式：水平极化和垂直极化； 菲涅耳公式能够圆满地解释许多光学现象，目前它的应用范围已经扩展到微波遥感领域。 菲涅耳反射系数（Fresnel reflection coefficient）R 菲涅耳透射系数（Fresnel