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1、第五章 地面和大气中的辐射过程,5.3 地球大气与辐射的相互作用 重点： 吸收光谱、散射特征、布格定律 相关物理量,5.3.1 大气吸收的物理过程,吸收：投射到介质上面的辐射能中的一部分被转变为物质本身的内能或其它形式的能量 大气中有各种气体成分及气溶胶粒子 对辐射具有选择吸收的特性 是分子和原子结构及其所处运动状态决定的。,气体分子或原子内的电子能级跃迁、原子和分子的振动和转动等所发射和吸收的辐射谱是非连续性的，构成原子的线光谱和分子的带光谱。 单个分子，当它处于某一特定运动状态时，其分子内部总能量E由三部分组成 E =Ee+Ev+Er （5.3.1） Ee：绕原子核转动的外层电子的动能和静
2、电位能 Ev：原子在其平衡位置附近振动的能量 Er：分子绕其质量中心转动的能量,分子光谱,原子光谱,能级 基态：能量最低 激发态,原子光谱,跃迁,辐射频率f及波数与能量改变的关系是 f和为分子吸收或发射谱线的位置。这种谱线由有限个非常窄的吸收线或发射线组成，其间夹杂该分子不可能发射和吸收的光谱间隙。 吸收光谱与发射光谱是一致的,分子光谱,实际分子的转动跃迁常伴随着振动跃迁发生 在一个振动带内有许多转动谱线，而转动和振动能量的变化又常伴随着电子能级跃迁 使相应的谱带更呈现出复杂的带系结构。,分子光谱,N2和O2分子：对称的电荷分布没有振动或转动谱。其吸收和发射谱由电子轨道跃迁造成，位于紫外和可见
3、光辐射区。,分子光谱举例,分子光谱举例,H2O分子的原子呈三角形分布，是极性分子，有三种振动方式。这三种振动过程都引起电偶极距变化，产生吸收和发射，而转动和振动态的结合使得水汽的吸收谱十分复杂。其中第一、三种为伸缩振动，第二种是弯曲振动 O3分子的原子也呈三角形分布，有三种振动方式，其中9.6m的振动转动带比较重要。,分子光谱举例,分子光谱举例,CO2分子是以C原子为中心，O原子位于两侧的线型对称分子，也有三种振动方式，但没有转动带。 第一种方式是对称振动，因正、负电荷中心仍然重合，不产生电偶极距变化，故不吸收和发射辐射；第二种是弯曲振动，电偶极距发生了变化，因而产生极强的吸收和发射，波数为2
4、=667 cm1，波长2=15m；第三种是反对称振动，电偶极距也发生了变化，故也有强烈的吸收和发射，波数为3=2349 cm1，波长3=4.3m。,分子光谱举例,5.3.2 大气吸收光谱,谱线增宽,谱线增宽,1、自然增宽： 没有任何外界因素作用，谱线本身也必然具有一定的宽度，这是由于能级具有一定的宽度造成的（测不准原理）。 2、压力加宽(碰撞加宽) 在对流层和平流层大气中，由于分子、原子或离子处于不断的无规则运动中，频繁碰撞的结果导致发射辐射的位相发生无规则变化，而使谱线加宽。 压力加宽与T、P有关，由于大气压力的变化比温度的变化大得多，碰撞加宽的谱线宽度随压力的变化是主要的,谱线增宽,3、D
5、oppler增宽 由作热运动的分子发射辐射的Doppler频移引起。分子不停地向各个方向以不同速度作无规则运动，即使每个分子所发射的辐射频率相同，但因相对速度的原因使不同运动速度的分子的辐射之间有一定的频率差异，从而引起辐射谱线有一定程度的增宽。 与T有关，与P无关,谱线增宽,谱线增宽,在实际大气中，谱线的Doppler加宽和压力加宽同时存在 在大气低层（30km以下），谱线加宽主要由压力加宽效应决定；在大气高层（50km以上） ， Doppler加宽主要 在平流层上层和中间层相当厚的一层大气中，压力加宽与Dopplar加宽同等重要： Doppler-Lorentz混合线型，称为Voigt线型
6、函数。,谱线参数,基线或零线 谱线的宽度：半宽度极大值的1/2处之间的一半，它主要是压力和温度的函数 谱线形状 线强 形状因子,吸收系数,单个粒子的吸收截面sab 粒子所吸收的辐射通量相当于面积sab从入射辐射场中所截获的辐射通量。 体积吸收系数 单位体积中各粒子吸收截面之和（kab=Nsab） 质量吸收系数（p81） 单位质量的吸收物质（1cm2气柱中）吸收了原辐射能的份数 (5.3.19),加宽作用使得吸收带中谱线互相重叠，在每一波数处的吸收系数k 实际多使用一波数间隔内的平均值,吸收系数,分子吸收足够的辐射能分裂为原子；不稳定的原子结合成较稳定的分子释放多余的辐射能 光化反应所要求的辐射
7、波谱可以为连续谱，只要其中的波长短到使一个光子所提高的化学能足以造成分子的光解。其它能量转化为原子的动能，使气体的温度增高。 地球大气中，大多数光化反应需要有紫外辐射和可见光辐射。,光化反应,任何原子都能被波长非常短的辐射所电离。具有足够能量的光子把电子从绕原子核旋转的外层轨道上剥离开来，这种过程称为光致电离。 也象光化反应那样，光致电离要求辐射具有低于一定的临界能量波长的连续波。引起电离的辐射波长通常小于0.1 m。,光致电离,选择性吸收 太阳短波辐射：H2O、O2、O3 地气长波辐射：H2O、CO2、O3 气体吸收对大气辐射平衡的重要性取决于： 一是吸收线的强度 二是吸收气体的含量及其空间
8、分布。,5.3.2 大气吸收光谱,5.3.2 大气吸收光谱,H2O 吸收约20%的太阳能量 几乎覆盖长波辐射整个波段 6.3m振动带 大于12m转动带,5.3.2 大气吸收光谱,H2O H2O主要集中在大气下层，吸收作用主要在对流层，特别是对流层下层 液态水：吸收带与气态对应，波段向长波方向移动,5.3.2 大气吸收光谱,O2 主要在小于0.25m的紫外区： 舒曼龙格（Schumann-Runge）吸收带 赫兹堡（Herzberg）带 因小于0.25m的太阳辐射能量不到0.2%，而且O2在可见光波段的两吸收带较弱，所以对太阳辐射的削弱不大。,5.3.2 大气吸收光谱,5.3.2 大气吸收光谱,
9、O3 强吸收在的紫外区： 哈特来（Hhartley）带最强 哈金斯（Huggins）带较弱 可见光区：查普尤（Chappuis）带较弱 O3层吸收太阳辐射的2%平流层温度高的原因 红外区： 4.7m、9.6m 、14.1m较强吸收带,5.3.2 大气吸收光谱,5.3.2 大气吸收光谱,1932年：严济慈采用照相光度术，精确测定了臭氧在全部紫外区域（215-345纳米）的吸收系数，并发现了若干新光带 国际臭氧委员会把严济慈精确测定的吸收系数定为标准值，各国气象学家用以每日测定高空臭氧层厚度的变化，长达年之久,5.3.2 大气吸收光谱,CO2 大于2m的红外区： 较强中心： 2.7m、4.3m 、
10、15m 15m最重要,5.3.2 大气吸收光谱,5.3.2 大气吸收光谱,紫外波段 O2、O3把0.29m以下的紫外辐射几乎全部吸收 可见光波段只有非常少量的吸收 红外波段 主要是水汽的吸收，其次是CO2和CH4。 14m以外的辐射不能透过大气传向外空。,5.3.2 大气吸收光谱,大气透明窗或大气光谱窗 8 12m大气的吸收很弱 地表的温度约300K，与这个温度相对应的黑体辐射能量主要集中在10m这一范围，通过窗区，地面发出的长波辐射可顺利地被发送到宇宙空间。,5.3.2 大气吸收光谱,气体分子以及气溶胶粒子内含有多个分立的电子和质子，当电磁波照射到粒子上后，使正负电荷中心产生偏移，构成电偶极
11、子或多极子，并在电磁波激发下作受迫振动，向各方向发射次生电磁波。这种次生电磁波就是散射辐射。 特点：散射波长和原始波相同，并且与原始波有固定的位相关系。 散射和吸收不同：（1）它不产生分子内能状态的变化，应以电磁波理论和物质的电子理论来解释（Mie理论）；吸收是因能态发生变化而产生的，需要用量子理论来解释。（2）散射不是选择性的，它在电磁波谱的各个波长上都会发生，因而是全波段的。,5.3.3 大气对辐射的散射,1散射过程的分类,定义无量纲尺度参数 当50：几何光学：折射。如大雨滴对可见光的折射、反射。,1散射过程的分类,1散射过程的分类,Rrayleigh散射,1散射过程的分类,1散射过程的分
12、类,一个粒子的散射截面ss，表示当有辐照度为E的辐射射入时，将把Ess的能量散射到四面八方，而使入射波的能量减少Ess。若单位体积中有 N 个相同的颗粒，则总散射掉的辐射能为 ENss。 单位体积中各个粒子散射截面之和称为单位体积的散射削弱系数ks,2散射削弱系数,对于不同大小的气溶胶散射粒子： 大气对辐射的散射削弱作用的大小取决于两个因素，即单位体积中散射颗粒物的多少以及每个散射粒子的散射截面 散射截面、散射系数与粒子尺度参数a和复折射（指数）率m有关,2散射削弱系数,2散射削弱系数,复折射指数(m = n - ik) of a particle is defined by its chem
13、ical composition; n is responsible for scattering. k is responsible for absorption. If k is equal to 0 at a given wavelength thus a particle does not absorb radiation at this wavelength,Some refractive indices of atmospheric aerosol substances at l = 0.5 mm.,NOTE: hematite (赤铁矿) is a mineral that is
14、 a main light absorbing components of mineral dust.,2散射削弱系数,2散射削弱系数,Imaginary part of the refractive indexes of some aerosol materials Note: Main absorbing species in the SW are black carbon (Soot) and Hematite (dust), but in the LW various species have high imaginary parts of the refractive index.
15、But overall absorption (I.e., absorption coefficients) is also controlled by particle size,2散射削弱系数,（1）瑞利散射,（1）瑞利散射,散射削弱系数与波长的4次方成反比，波长越短，分子散射削弱越强。 例题 计算蓝光与红光的散射削弱系数之比。,Lord Rayleigh (John William Strutt 1842-1919) 英国物理学家 1871：Rayleigh Scattering 光学 声学 电学 热力学 1904 Nobel Prize,（1）瑞利散射,（2）米散射 (大颗粒散射),假
16、设：粒子是球体；介质均匀 球状粒子的散射特性取决于粒子的相对尺度数a和粒子介质复折射指数m 。 米散射理论是球状粒子散射的通用理论 散射效率因子：粒子的散射截面与粒子几何截面之比,（2）米散射 (大颗粒散射),（2）米散射 (大颗粒散射),假论一般大气条件下粒子是独立散射的，则单位体积中粒子的总散射截面就是各粒子散射截面之和，即得到散射系数,Gustav Mie (1868-1957) 德国物理学家 1908：Mie theory,（2）米散射 (大颗粒散射),5.3.4辐射能在介质中的传输,布格-朗伯（Beer-Bouguer-Lanbert）定律 衰减系数 削弱系数 消光系数,1. Beer-Bouguer-Lanbert law,Pierre Bouguer 1698-1758 versatile French scientist best remembered as one of the founders of photometry, t
