海洋科学课件-电磁辐射.pptVIP

图： 太阳和地球自发辐射的辐照度随波长的分布 根据黑体表面自发辐射的辐亮度与辐照度之间的关系式E（λ）= π L（λ）和普朗克定律，可计算太阳和地球自发辐射的辐照度E（λ）。 普朗克辐射定律确定了分布曲线，维恩位移定律指出了对应自发辐射最大值的波长位置。 使用可见光和近红外波段的传感器检测的是反射或散射的太阳光；使用热红外波段的传感器测量的是地球局部地域的自发辐射。我们可以使用热红外波段而不是可见光波段的辐射计来遥感海表面温度。从图中显示地球自发辐射的能量主要分布在“热红外”波段。这暗示对“热红外”波段的电磁波能量的检测数据能够推算出地球表面究竟有多热。 §4.5.3 亮温（Brightness Temperature） 如果已知海面发射的辐亮度，那么利用普朗克辐射定律或者瑞利-金斯定律可以计算海表面温度（SST）。 这样获得的温度不是海水的真实温度，它被称为海表面的亮温。欲获得海表面的真实温度，除了从卫星遥感获得的辐亮度要经过大气校正以外，还要在计算中考虑到海水的灰度，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，它可能是波长、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，当然它与常规水桶采水法在一定深度取水测得的海表面温度略有差别。 根据瑞利-金斯定律，在微波波段范围，海面辐亮度L和海面亮温T有线性关系；与海面具有相同温度的黑体辐亮度LBLACK和海面真实温度TSST也有线性关系。 菲涅耳反射系数（Fresnel reflection coefficient）R 菲涅耳透射系数（Fresnel transmission coefficient）T 式中Eoi是入射电磁波的电场振幅，Eor是反射电磁波的电场振幅，Eot是透射电磁波的电场振幅，位相差的信息已被包含在振幅表达式内。因为Eoi 和 Eor 之间可能存在位相差，故菲涅耳反射系数R和透射系数T在一般情况下是复数；电场振幅包含了位相差，故也是复数。 根据电场的大小和方向在分界面连续性原理：反射波的电场强度与入射波的电场强度之矢量和等于透射波的电场强度，可获得关系式R+1=T。 在水平极化状态下菲涅耳公式的表达式是 式中脚标“H” 表示水平极化；θi 是入射角，θt 是透射角；μ1和μ2分别是介质1和介质2的相对磁导率（relative permeability）。遥感探测的目标大多属于弱磁性物质，对于弱磁性物质，μ1≈μ2≈1；n1 和n2 分别是介质1和介质2的复折射率 (complex index of refraction)。 在垂直极化状态下菲涅耳公式的新表达式是 式中脚标“V” 表示垂直极化。复折射率n = n’- in” , 式中n’ 代表电磁波的折射率（refraction），n” 代表电磁波的衰减（attenuation）。复折射率的虚部n” 是解麦克斯韦尔方程的结果，由相对电容率（relative permittivity）εr 的虚部衍生而来。 电磁波穿越两个介质的分界面时服从斯奈尔折射定律（Snell Refraction Law） 式中n’ 代表电磁波的折射率（refraction index），脚标1和2分别代表介质1和介质2。复折射率（complex index of refraction）的实部代表电磁波在传播路径上两介质界面的折射率。 将此式和μ1≈μ2≈1 代入菲涅耳公式，分别得： 讨论：是否忽略复折射率的虚部 上页式中黑体的n代表复折射率，非黑体的n’ 代表复折射率的实部。可见光在空气、玻璃、纯水和海水等介质内传播时的衰减较小。对于可见光，在推导菲涅耳公式时，可以忽略在上述介质中的衰减并因此忽略复折射率的虚部。然而，微波在纯水和海水等介质内传播时衰减很大，不能忽略微波在这些介质中传播中的衰减，故不能忽略复折射率的虚部。如果不能忽略复折射率的虚部，在斯奈尔折射公式和菲涅耳公式中就不能使用n代替n′。菲涅耳反射率公式在历史上针对可见光导出，简单地将菲涅耳反射率公式扩展到微波波段并不完全正确。根据电磁波的电场和磁场在海-气界面的连续性原理，考虑了电磁波在介质内传播时的衰减，即没有忽略复折射率的虚部，我们获得了上述菲涅耳公式（Fresnel formulas）（徐青和刘玉光2003；Xu和Liu 2004）。 电磁辐射(Electromagnetic Radiation) §4.1 电磁波的波段 §4.2 麦克斯韦方程组和它们的解 §4.3 辐射术语 §4.4 基尔霍夫定律 §4.5 黑体辐射