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1、第四章第四章 红外辐射在大气中的传红外辐射在大气中的传输输信息科学与工程学院信息科学与工程学院 冯传胜冯传胜Email: 1景物光学系统探测器大气传输景物的红外辐射在大气中传输时，景物的红外辐射在大气中传输时，由于大气对红外辐射的吸收和散射而导致由于大气对红外辐射的吸收和散射而导致红外辐射的衰减。本章将讨论大气对红外红外辐射的衰减。本章将讨论大气对红外辐射的吸收与散射。辐射的吸收与散射。2本章目录本章目录4.1 大气组成大气组成4.2 大气对红外辐射的吸收衰减大气对红外辐射的吸收衰减4.3 大气对红外辐射的散射衰减大气对红外辐射的散射衰减34.1 大气组成大气组成4.1.1 一些基本关系式一些
2、基本关系式一、混合比与分子量一、混合比与分子量大气中各气体成分的含量，常用相对于干空气大气中各气体成分的含量，常用相对于干空气(不计水汽不计水汽)的混合比来表示。的混合比来表示。设干空气：设干空气：某气体成分某气体成分分子量：分子量： Mt分子量：分子量：Mi密度：密度：t密度：密度： i压强：压强：P分压强：分压强：pi绝对温度：绝对温度：T则有则有称为该气体的称为该气体的质量混合比质量混合比，简称，简称混合比混合比。4体积混合比体积混合比qi*：与干空气处于相同温度和压力与干空气处于相同温度和压力下的某种气体的体积下的某种气体的体积Vi与干空气体积与干空气体积V 之比。由之比。由于大气可看
3、成理想气体，所以有于大气可看成理想气体，所以有 干干空气的分子量与各气体成分的分子量之间的关空气的分子量与各气体成分的分子量之间的关系：系：下表为大气成分表。下表为大气成分表。56二、厘米二、厘米N.T.P. (或厘米或厘米S.T.P.)海平面上单位截面积垂直气柱内各成分的总含量海平面上单位截面积垂直气柱内各成分的总含量常表示为常表示为Wsi，单位是单位是克克厘米厘米-2，使用时常直，使用时常直接写成克。接写成克。Wsi的另的另一种表示形式是：表示成所谓一种表示形式是：表示成所谓“标准状标准状态态”下的厘米数，叫做下的厘米数，叫做厘米厘米N.T.P.或或厘米厘米S.T.P.，它是将含量为它是将
4、含量为Wsi的某气体成分化到标准状态的某气体成分化到标准状态(P0=1个个大气压，大气压，T0=273.15K)在单位截面上所占在单位截面上所占有的高度有的高度Wsi*。设标准状态下该气体成分的密度设标准状态下该气体成分的密度为为0i ，显然显然7因为大气在很高的精度下可以认为是静力平衡的，设因为大气在很高的精度下可以认为是静力平衡的，设g为重力加速度为重力加速度(取为取为980.665厘米厘米秒秒-2)，而地面上气压的，而地面上气压的标准值为标准值为Ps=P0，则干空气的总含量的标准值为：则干空气的总含量的标准值为： Wst=P0/g=(1013.25毫巴毫巴103)/980.665=1.0
5、33 103克克厘米厘米-2该值叫做该值叫做一个大气质量一个大气质量。利用该值可以方便地求出混合比随高度不变的气体成分利用该值可以方便地求出混合比随高度不变的气体成分的总含量标准，即的总含量标准，即 及及8三、温度三、温度大气温度的垂直分布，可大致由中纬度年平均值大气温度的垂直分布，可大致由中纬度年平均值表示，叫做表示，叫做“标准大气标准大气”。对流层对流层(10km以下以下)中，每增加一公里，温度下降中，每增加一公里，温度下降约约6.5度。度。由对流层顶到平流层，先是等温和逆温层由对流层顶到平流层，先是等温和逆温层(高度高度增加温度升高增加温度升高)，到臭氧层内，温度不断上长，到臭氧层内，温
6、度不断上长，到到50km达到极大值达到极大值0C，再向上递减，至再向上递减，至8090km，达到最低值达到最低值(约约-93C)，然后急增到然后急增到230730C之间。在电离层以上，可认为是等温之间。在电离层以上，可认为是等温的。的。四、压力和密度四、压力和密度压力和密度随高度的增加呈指数式下载，高度每压力和密度随高度的增加呈指数式下载，高度每增加增加16公里，压力和密度差不多下降到原来的公里，压力和密度差不多下降到原来的10%。9102.1.2 红外吸收谱红外吸收谱组成大气的主要成分是组成大气的主要成分是N2、O2、Ar(氩氩),由于它们由于它们是对称分子，振动时不吸收是对称分子，振动时不
7、吸收15um以下的红外线。以下的红外线。引起强烈红外吸收的分子有，引起强烈红外吸收的分子有，H2O, CO2, O3, CH4, N2O, CO等。其中吸收最强的是等。其中吸收最强的是H2O(非干空气非干空气), CO2。H2O：强吸收带强吸收带2.7um, 6.3um；不太强的吸收带不太强的吸收带0.54, 0.72, 0.81, 0.85, 0.94, 1.1, 1.38, 1.87, 3.2umCO2：强吸收带强吸收带4.3um, 15um; 不太强的吸收带不太强的吸收带0.781.24, 1.4, 1.6, 2.0, 2.7, 4.8, 5.2, 9.4, 10.4umO3: 强吸收带
8、强吸收带9.6um；不太强；不太强吸收带吸收带2.7, 3.28, 3.57, 4.75, 5.75, 9.1, 14um。NO2：强吸收带强吸收带4.5um, 7.8um。CH4：强吸收带强吸收带3.2um,7.6um。CO：强吸收带强吸收带4.8um。三个大气窗口：三个大气窗口：22.6um, 35um, 814um。1112重要吸收气体的分布：重要吸收气体的分布：H2O：集中在集中在3、4公里以下的大气层中，海平面公里以下的大气层中，海平面上含量可达上含量可达3%。10公里以上基本不用考虑公里以上基本不用考虑H2O的吸收。的吸收。CO2：约占大气体积的约占大气体积的0.033%，在大气层
9、，在大气层50公里公里内基本均匀分布内基本均匀分布(靠近地面与人类活动有关靠近地面与人类活动有关)；6公里以上时，公里以上时，H2O含量很低，其吸收作用显著；含量很低，其吸收作用显著；10公里以上主要是公里以上主要是CO2的吸收。的吸收。O3：主要集中在主要集中在23公里的高度上，浓度约为公里的高度上，浓度约为0.001%。低空辐射或地面辐射基本不考虑其吸。低空辐射或地面辐射基本不考虑其吸收。收。132.1.3 可凝水可凝水为了计算一定的大气路径长度内水蒸气对红为了计算一定的大气路径长度内水蒸气对红外辐射的吸收率外辐射的吸收率(或透过率或透过率)，首先要计算出，首先要计算出该路径长度内水蒸气的
10、含量，而水蒸气的含该路径长度内水蒸气的含量，而水蒸气的含量是用可凝水来计量的。量是用可凝水来计量的。可凝水：可凝水：把单位长度某截面积的测量路径上的水蒸气压缩把单位长度某截面积的测量路径上的水蒸气压缩成相同截面积一定厚度的水层，这层水叫做成相同截面积一定厚度的水层，这层水叫做“可可凝水凝水”，单位是，单位是“毫米毫米公里公里-1-1”。绝对湿度绝对湿度HA :绝对湿度是单位体积空气中所含有的水蒸气的质绝对湿度是单位体积空气中所含有的水蒸气的质量，其单位为量，其单位为g/m3。所谓绝对湿度，是指水蒸气所谓绝对湿度，是指水蒸气的密度的密度。14饱和水蒸气量饱和水蒸气量s: 某一空气试样中，处于某一
11、温度时，单位体积内某一空气试样中，处于某一温度时，单位体积内所能容纳最大可能的水蒸气质量，其单位是所能容纳最大可能的水蒸气质量，其单位是g/m3。饱和空气中的水蒸气量，即饱和水蒸气密度，只饱和空气中的水蒸气量，即饱和水蒸气密度，只与温度有关。与温度有关。相对湿度相对湿度HR:相对湿度是空气试样中水蒸气的含量和同温度下相对湿度是空气试样中水蒸气的含量和同温度下该空气试样达到饱和水蒸气含量的比值。该空气试样达到饱和水蒸气含量的比值。可凝水可凝水W的单位是的单位是(毫米毫米公里公里-1-1)，绝对湿绝对湿度度HA的单位是的单位是(g/m3)，则两者在数值上相等，则两者在数值上相等，即即 15表：饱和
12、空气中的水蒸气质量表：饱和空气中的水蒸气质量s(g/m3)16例：例：设某大气试样在设某大气试样在25C时的相对湿度为时的相对湿度为60%，测量，测量路径长度为路径长度为2km，求该路径内的总可凝水量？求该路径内的总可凝水量？解：解：查表得，查表得，25C时饱和空气中的水蒸气质量为时饱和空气中的水蒸气质量为22.8g/m3则则绝对湿度绝对湿度HA=60%*22.8=13.68g/m3。得每公里可凝水量为得每公里可凝水量为13.68mm/km。得得2km路径内的可凝水量为路径内的可凝水量为13.68*2=27.36毫米毫米。174.2 大气对红外辐射的吸收衰减大气对红外辐射的吸收衰减4.2.1
13、途径吸收的一般方程途径吸收的一般方程一束波长为一束波长为的红外光透过厚度为的红外光透过厚度为L的大气时的大气时会产生衰减，其透过率可表示为会产生衰减，其透过率可表示为其中其中(,x)为衰减系数，衰减是由于大气中为衰减系数，衰减是由于大气中气体分子的吸收作用及气体分子、悬浮粒子气体分子的吸收作用及气体分子、悬浮粒子的散射作用引起的，所以的散射作用引起的，所以其中其中(,x)为单位路径长度的为单位路径长度的吸收系数吸收系数， (,x)为为单位路径长度的单位路径长度的散射系数散射系数。18实验证明：实验证明： (,x)与吸收气体浓度与吸收气体浓度(x)成正成正比比:其中其中(,x)为每克吸收气体分子
14、的吸收系数，叫为每克吸收气体分子的吸收系数，叫做吸收截面做吸收截面(单位为单位为厘米厘米2克克-1)。将波长换成波数表示，如果只考虑吸收，则将波长换成波数表示，如果只考虑吸收，则波数为波数为的红外线通过长度为的红外线通过长度为L的途径后的透的途径后的透过率为：过率为：在波数间隔在波数间隔内的平均透过率为：内的平均透过率为：19而而相应的平均吸收率为：相应的平均吸收率为：可见要计算吸收系数，需要知道可见要计算吸收系数，需要知道(,x)的形的形式。式。对于单谱线吸收，常用的模型有对于单谱线吸收，常用的模型有洛伦兹模型洛伦兹模型、多多普勒模型普勒模型和和混合型混合型(洛伦兹洛伦兹-多普勒模型多普勒模
15、型)；知道了单吸收线的形状后，可采用知道了单吸收线的形状后，可采用逐线积分法逐线积分法计计算多条谱线的吸收；算多条谱线的吸收；为了计算的方便，也可以采用波带模型计算：常为了计算的方便，也可以采用波带模型计算：常用的波带模型有：用的波带模型有：埃萨瑟模型埃萨瑟模型、随机模型随机模型、随机随机埃萨瑟模型埃萨瑟模型和和准随机模型准随机模型。204.2.2 利用大气透过率表计算大气的吸收利用大气透过率表计算大气的吸收表格法表格法计算大气的吸收，利用红外和大气工计算大气的吸收，利用红外和大气工作者编制的大气透过率表格可以方便地计算作者编制的大气透过率表格可以方便地计算大气吸收。根据人们的实验数据，采用适
16、当大气吸收。根据人们的实验数据，采用适当的近似，已经整理出各种形式的大气透射率的近似，已经整理出各种形式的大气透射率数据表。数据表。低空选择性吸收的主要大气成分是低空选择性吸收的主要大气成分是H2O和和CO2，则任意波长片透过率的值为表中查到则任意波长片透过率的值为表中查到的的H2O和和CO2透过率的乘积，即透过率的乘积，即21注意：表中的值只表示海平面水平路径上的注意：表中的值只表示海平面水平路径上的透过率，不代表一定高度上的透过率。透过率，不代表一定高度上的透过率。要计算一定高度水平路径上的透过率，需要要计算一定高度水平路径上的透过率，需要进行修正进行修正(高度修正高度修正)：在高度为在高
17、度为h的水平路程的水平路程x所具有的透射率等于长度所具有的透射率等于长度为为x0的等效海平面上水平路程的透射率，用数字的等效海平面上水平路程的透射率，用数字表达式可以表示为表达式可以表示为其中其中 k=0.5(对对H2O)或或1.5(对对CO2)；P0是海平面上的大是海平面上的大气压强气压强，P是是h高度上的大气压强。高度上的大气压强。从文献资料上可以查到从文献资料上可以查到(P/P0)k的值。的值。注意：注意：除了查表法计算大气的透过率外，也可除了查表法计算大气的透过率外，也可以使用经验公式对其进行计算。以使用经验公式对其进行计算。222324附：附：查表法计算过程查表法计算过程1.根据气温
18、、相对湿度求出绝对湿度根据气温、相对湿度求出绝对湿度HA(g.m-3);2.根据绝对湿度根据绝对湿度HA(g.m-3),得到每公里的可凝水量得到每公里的可凝水量 w（mm.km-1）, 可凝可凝水量表示单位水平路程长度内的水蒸汽压缩成相同截面水层的厚度，水量表示单位水平路程长度内的水蒸汽压缩成相同截面水层的厚度，HA和和w数值上是相等的。数值上是相等的。3.高度修正。对高空水平路程，由于大气压强低，吸收带变窄，同样路程高度修正。对高空水平路程，由于大气压强低，吸收带变窄，同样路程透过率增加，须引入高度修正因子，等效折算到海平面路程。设高度为透过率增加，须引入高度修正因子，等效折算到海平面路程。
19、设高度为h 上的水平路程为上的水平路程为x0,大气压强为大气压强为p,海平面的大气压强为海平面的大气压强为p0, 则等效路程则等效路程x0为：为：对水蒸汽对水蒸汽 对二氧化碳对二氧化碳把倾斜路程等分为若干段，分段折算等效路程。把倾斜路程等分为若干段，分段折算等效路程。4.水蒸汽光谱透过率水蒸汽光谱透过率H2O可将等效路程乘以每公里的可凝水量可将等效路程乘以每公里的可凝水量 w，根据总根据总可凝水量查表得到。可凝水量查表得到。5.二氧化碳光谱透过率二氧化碳光谱透过率CO2直接由等效路程查表得到。直接由等效路程查表得到。6.光谱大气透过率为：光谱大气透过率为：7.计算计算12光谱通带的波段透过率。
20、光谱通带的波段透过率。254.3 大气对红外辐射的散射衰减大气对红外辐射的散射衰减4.3.1 一般方程一般方程实验证明：散射系数与散射粒子的浓度成正实验证明：散射系数与散射粒子的浓度成正比：比：式中式中表示单位路径长度的散射系数；表示单位路径长度的散射系数； 是单位体积内的散射粒子数；是单位体积内的散射粒子数； S是每个粒子的散射系数，叫做散射截面是每个粒子的散射系数，叫做散射截面(厘米厘米2粒子粒子-1)。26设散射粒子为球形，半径为设散射粒子为球形，半径为b。引入一个无引入一个无量纲的量量纲的量e，叫做散射截面比，它表示一个叫做散射截面比，它表示一个粒子散射本领的大小：粒子散射本领的大小：
21、则则设一粒子群有设一粒子群有m种不同粒子，则散射系数为种不同粒子，则散射系数为274.3.2 散射截面比与波长及粒子的关系散射截面比与波长及粒子的关系散射截面比与散射截面比与(b/)的关系如图所示。从的关系如图所示。从图中可以看出：图中可以看出：当当b 时，时， e趋近于趋近于常数常数2，与波长，与波长无关。无关。284.3.3 瑞利散射瑞利散射当当b 时，产生的散射叫时，产生的散射叫无选择性散射无选择性散射。这时散射截面比这时散射截面比e=2，与，与波长无关。波长无关。不少雾和云的粒子及不少排出气体中的粒子，不少雾和云的粒子及不少排出气体中的粒子，其尺寸远大于可见光波长，所以对可见光来其尺寸
22、远大于可见光波长，所以对可见光来说是无选择性散射，但对红外线来说云和雾说是无选择性散射，但对红外线来说云和雾不能认为是无选择性散射。不能认为是无选择性散射。雾呈雾呈“白白”色色抽烟时从烟头上升起的抽烟时从烟头上升起的“烟烟”呈呈“灰蓝色灰蓝色”，而，而从口中吐出的烟呈从口中吐出的烟呈“白色白色”。314.3.6 大气散射的经验公式大气散射的经验公式散射系数可以写成：散射系数可以写成：其中其中Q和和q是常数，由散射粒子的尺寸和分布情是常数，由散射粒子的尺寸和分布情况决定。况决定。b 时，时，q=0，即无选择性散射；当即无选择性散射；当b与与相当时，取相当时，取40之之间的值，即间的值，即Mie散
23、射，对于大气一般取散射，对于大气一般取1.3。一般。一般可取可取:其中其中V是气象视距。是气象视距。气象视距气象视距V：通常定义为人眼对着地平线天空刚好能分辨出大通常定义为人眼对着地平线天空刚好能分辨出大的黑色目标的黑色目标(不发光、无反射不发光、无反射)的平均距离。即可的平均距离。即可见光区指定波长见光区指定波长(通常取通常取0.55um)处处目标与背景目标与背景对比度降低到它在零距离值的对比度降低到它在零距离值的2%的距离。的距离。32Q值的确定：值的确定：根据气象视距的概念根据气象视距的概念(波长波长0.55um，透过率是透过率是0.02)，即：，即：则则 =0.55um时得时得代入前面
24、散射系数的表达式得代入前面散射系数的表达式得所以透射率为：所以透射率为：33红外波段大气的三个窗口：红外波段大气的三个窗口：1-2.5um, 3-5um, 8-13um大气的吸收作用主要由大气中三原子分子的吸收所决定的。水蒸汽(H2O )、二氧化碳( CO2)及臭氧(O3 )都对红外线起选择吸收的作用，选择性吸收是影响大气透过的主要因素。 34附：附：大气红外辐射传输计算软件介绍大气红外辐射传输计算软件介绍 随着近代物理和计算机技术的发展，大气辐射随着近代物理和计算机技术的发展，大气辐射传输计算方法，由传输计算方法，由2020世纪世纪6060年代的全参数化或年代的全参数化或简化的谱带模式发展为
25、目前的高分辨光谱透过简化的谱带模式发展为目前的高分辨光谱透过率计算，由单纯只考虑吸收的大气模式发展散率计算，由单纯只考虑吸收的大气模式发展散射和吸收并存的大气模式，且大气状态也从只射和吸收并存的大气模式，且大气状态也从只涉及水平均匀大气发展到水平非均匀大气。同涉及水平均匀大气发展到水平非均匀大气。同时已发布例如时已发布例如LOWTRANLOWTRAN、MODTRANMODTRAN、FASCODFASCOD、MOSARTMOSART、EOSAELEOSAEL和和SENTRANSENTRAN等多种在目标探测等多种在目标探测和遥感中得到广泛应用的实用软件。和遥感中得到广泛应用的实用软件。35作业作业1、解释名词：、解释名词：标准大气、一个大气质量、厘米标准大气、一个大气质量、厘米N.T.P.、可可凝水、绝对湿度、相对湿度、饱和水蒸气量、凝水、绝对湿度、相对湿度、饱和水蒸气量、瑞利散射、瑞利散射、Mie散射、无选择性散射、气象散射、无选择性散射、气象视距。视距。2、产生红外辐射吸收的主要的大气成分、产生红外辐射吸收的主要的大气成分、吸收峰位置及其在大气中的分布。吸收峰位置及其在大气中的分布。36
