1、授課人：授課人： 葛覲銘葛覲銘20152015春季春季第二章第二章 大氣輻射基礎知識大氣輻射基礎知識 2.1 電磁輻射電磁輻射的的性質性質 2.1.1 電磁波電磁波 2.1.2 立體角立體角 2.1.3 基本輻射量基本輻射量 2.1.4 散射和吸收的概念散射和吸收的概念 2.2 黑體輻射定律黑體輻射定律 2.2.1普朗克定律普朗克定律 2.2.2斯蒂芬斯蒂芬-玻爾茲曼定律玻爾茲曼定律 2.2.3維恩位移律維恩位移律 2.2.4基爾霍夫定律基爾霍夫定律 2.3 大氣頂的太陽輻射大氣頂的太陽輻射 2.3.1太陽結構太陽結構 2.3.2地球繞日軌道與日分布地球繞日軌道與日分布 2.3.3太陽光譜與太

2、陽常數的測定太陽光譜與太陽常數的測定 2.1 電磁電磁輻射的輻射的性質性質電場電場磁場磁場變化水波：動能水波：動能 勢能勢能電磁波：運動的電場電磁波：運動的電場 磁場磁場橫波2.1.1 電磁波電磁波電磁波的性質電磁波的性質電磁波頻譜電磁波頻譜射線X射線紫外線可見光紅外線微波電視信號及無線電波大多數情況，電磁波段的劃分是人為的，彼此之間并沒有顯著的物理差異！大多數情況，電磁波段的劃分是人為的，彼此之間并沒有顯著的物理差異！射線和射線和X射線射線紫外線（紫外線（UV）UV-A占所有太陽紫外輻射的99%，大氣對其透明，對生物體無害UV-B99%的UV-B會被平流層O3吸收，對組織和細胞DNA有害UV

3、-C幾乎所有的UV-C會被中層大氣和平流層上層大氣吸收，會把氧氣離解成為氧原子?？梢姽饪梢姽饧t外波段紅外波段近紅外主要源于太陽輻射，約占太陽輻射的50%，有很多大氣吸收帶。熱紅外絕大部分的大氣輻射能量交換和大氣吸收帶都在這個頻段。遠紅外能量交換不再那么重要，但可以用于卷云的遙感探測。微波和無線電波微波和無線電波太陽輻射與地球輻射太陽輻射與地球輻射4m電磁波的頻率分解電磁波的頻率分解任意兩個單獨電磁波的傳輸都是完全獨立的，他們或許會相交，甚至一起傳輸，但是一列波并不會影響到另一列波。這個原則被很好的應用到以正弦函數為基函數的傅立葉分解。因此，我們不僅僅可以把任意電磁波看作成有一系列不同角頻率的正

4、弦函數組成的混合波，我們甚至可以追蹤每種頻率分量的傳播。這一點對大氣輻射傳輸意義重大：在計算、模擬電磁波和云、水汽、氧氣、二氧化碳等相互作用的時候，我們一次僅考慮一個單一頻率（波段），然后再把所有相關頻率的結果求和。單色光與寬波段輻射單色光與寬波段輻射 單色光單色光（monochromatic radiation），單一頻率（或波長）的光。不能產生色散。 寬波段輻射寬波段輻射（復合光，broadband radiation），由很寬的一個頻率范圍組成的混合光。 準單色光準單色光（quasi-monochromatic），嚴格的單色光是不存在的，當光波的頻譜寬度與中心頻率0之比遠遠小于1，稱之為

5、準單色光，它很接近于單色光。電磁波的極化電磁波的極化電磁波包含兩種矢量（電矢量和磁矢量）的振動，引起感光作用和生理作用的是其中的電矢量，故在討論光的偏振中也只考慮電矢量。非極化自然光線性極化圓極化水平線偏振光水平線偏振光右旋圓偏振光右旋圓偏振光右旋橢圓偏振光右旋橢圓偏振光通常來說，大氣中的自然光都是完全非極化的，但是當光波遇到粒子或者地表、水面時，有可能被部分或者完全極化。例如：平靜的水面可以將反射的光波水平線性極化。電磁波的波粒二象性電磁波的波粒二象性光電效應：光電效應：金屬中的自由電子在光的照射下，吸收光能而逸出金屬表面。電磁波的能量電磁波的能量 我們研究大氣輻射的中心問題是研究電磁能量的

6、傳輸！ 能量的表述有以下幾種：輻照度輻出度輻射通量密度輻亮度能量 J功率 W （J s-1）通量密度 W m-2強度/亮度 W m-2 sr -1單色單色(monochromatic)與寬波段與寬波段(broadband)2.1.2 立體角立體角2.1.3 基本輻射量基本輻射量 - 12.1.3 基本輻射量基本輻射量 - 2符號符號輻射量輻射量量綱量綱單位單位E能量ML2T-2焦耳 (J)f通量ML2T-3焦耳秒-1瓦特 (Js-1, W)F通量密度輻照度輻出度MT-3焦耳秒-1米-2 (Wm-2)I輻亮度強度亮度MT-3焦耳秒-1米-2球面度-1 (Wm-2sr-1) 復習：復習：Flux

7、& Intensity 輻射通量（radiation flux）：指單位時間通過某一平面的輻射能（各種波長的電磁波傳輸的能量），也稱為輻射功率。由某一發射面發出的總通量通常稱為發光度（luminosity）。 輻射通量密度（radiation flux intensity）：單位面積的輻射通量稱為輻射通量密度，也稱為輻照度（irradiance）。當輻射通量密度是由一個發射面射出時，則此量稱為輻出度（emittance）；當按波長表達時，它稱為單色輻出度。（monochromatic emittance）。 輻亮度 (radiance)：在輻射傳輸方向上的單位立體角內，通過垂直于該方向

8、的單位面積、單位波長間隔的輻射功率。亦稱為輻射率。2.1.4 散射和吸收散射和吸收 散射散射 (scattering) 是指光通過不均勻介質時一部分光偏離原方向傳播的現象。 散射是這樣一種物理過程，位于電磁波路徑上的粒子通過這種過程從入射波中連續的提取能量，并將次能量向各方向重新輻射出去。因此，該粒子可以當作散射能量的點源點源。散射現象分類散射現象分類-1-1散射現象分類散射現象分類-2-2散射光波矢量和波長同時變化：散射光波矢量和波長同時變化：瑞利散射瑞利散射斯托克斯過程斯托克斯過程抗斯托克斯過程抗斯托克斯過程布里淵散射布里淵散射拉曼散射拉曼散射1928年拉曼在液體和氣體中觀察到散射光頻率發

9、生改變的現象，成為拉曼散射拉曼散射。拉曼散射遵守如下規律：散射光中在原始入射譜線（頻率為0）兩側對稱地伴有頻率為0i(i=1,2,3,)的一組譜線，長波一側的譜線稱紅伴線或斯托克斯線斯托克斯線，短波一側的譜線稱紫伴線或反斯反斯托克斯線托克斯線，統稱拉曼譜線拉曼譜線；頻率差i與入射光頻率0無關，僅由散射物質的性質決定。每種物質都有自己特有的拉曼譜線，常與物質的紅外吸收譜相吻合。晶格振動分頻率較高的光學支和頻率較低的聲學支，前者參與的散射是拉曼散射拉曼散射，后者參與的散射是布里淵散射布里淵散射。廣義的拉曼散射。按習慣頻移波數在501,000/厘米間為拉曼散射，在0.12/厘米間是布里淵散射。這種技

10、術可應用于大氣水汽遙感！這種技術可應用于大氣水汽遙感！散射現象分類散射現象分類-3-3 獨立散射獨立散射：當大氣分子和微粒的間距分開的足夠寬，以致每個粒子散射光的情況嚴格等同于其他粒子不存在使得情況時的散射，稱之為獨立散射。 單散射單散射：移除了入射光，在P點的粒子通過向各個方向的只散射了一次的單散射，也即僅對原始的入射光進行散射。 二次散射二次散射：一部分單散射的光到達在Q點的粒子上，在此再次發生向各個方向的散射成為二次散射。 多次散射多次散射：多于一次的散射都稱為多次散射。多次散射對輻射能在大氣中的傳輸是一個重要過程，尤其是在涉及到云和氣溶膠時。消消 光光u 光吸收光吸收(absorpti

11、on)：當光通過材料時，光與材料中的原子（離子）、電子相互作用時即可發生光的吸收。u 消光消光(extinction)：散射和吸收兩種作用從介質中傳播的光束內移除能量，光束被衰減，稱之為消光。截面的概念截面的概念 消光截面消光截面(cross section)：與粒子的幾何面積類似，是一個假象區域（量綱L2），用來表示粒子從初始光束中所移除的能量大小。即單個粒子的消光能力。 消光界面的大小，取決于光的波長、粒子的介電常數，形狀和大小等。 消光截面消光截面=散射截面散射截面+吸收截面吸收截面IIs 質量消光截面質量消光截面(mass extinction cross section)：當截面相對

12、單位質量而言時，它的單位是每單位質量的面積(cm2g-1)。 質量消光截面質量消光截面=質量散射截面質量散射截面+質量吸收截面質量吸收截面消光系數消光系數吸收率、反射率和透射率吸收率、反射率和透射率 當熱輻射投射到物體表面上時，一般會發生三種現象，即吸收、反射和透射。：透射率：反射率：吸收率;R;11ARAQQQQQQQQQQrr 大多數的固體和液體： 不含顆粒的氣體： 黑體： 鏡體或白體： 透明體：鏡反射與漫反射鏡反射與漫反射課后作業課后作業吸收吸收(absorption)透過透過(transmission)反射反射(reflection)發射發射(emission) 2.2 黑體輻射定律黑

13、體輻射定律黑體的定義黑體的定義 黑體：是指能吸收投入到其面上的所有熱輻射能的物體，是一種科學假想的物體，現實生活中是不存在的。但卻可以人工制造出近似的人工黑體。黑體示意圖黑體輻射定律黑體輻射定律 黑體輻射定律對了解吸收和發射過程而言是基礎知識。 支配黑體輻射的四個基本定律： 普朗克（Planck）定律 斯蒂芬-玻爾茲曼（Stefan-Boltamann）定律 維恩（Wien）位移定律 基爾霍夫（Kirchhoff）定律2.2.1普朗克定律普朗克定律Wm-2m-1sr-1頻率域頻率域波長域波長域2.2.2斯蒂芬斯蒂芬-玻爾茲曼定律玻爾茲曼定律 將物體視為絕對黑體而計算出的溫度成為有效溫度，有效溫

14、度低于實際溫度。 斯蒂芬玻耳茲曼定律是分析寬帶紅外輻射傳輸的基礎。2.2.3維恩位移律維恩位移律瑞利瑞利-金斯近似金斯近似(Rayleigh-Jeans Approximation)發射率發射率1.1. 單色發射率單色發射率 ：主要在遙感應用方面（主要關心輻亮度）2.2. 寬波段發射率寬波段發射率 ：主要在能量傳輸計算方面（主要關心輻照度、通量）灰灰 體體2.2.4基爾霍夫定律基爾霍夫定律介質可以吸收特定波長的輻射，同時也能發射同樣波長的輻射，發射速率是溫度和波長的函數。這是熱力平衡條件下介質的基本性質。我們考慮一個具有黑色器壁的完全絕熱的封閉體。假定該系統達到熱力學平衡態，具有均一的溫度和各

15、向同性輻射。因為器壁是黑色的，所以它吸收了系統向他發射的輻射；又因為這時達到熱力學平衡態，所以器壁也要發射出與它吸收的輻射相等量的輻射。由于黑體吸收盡可能多的輻射，所以它必須發射同樣多的輻射。如果它發射的較多，則不可能達到平衡，這將違背熱力學第二定律。在統計力學中，系統的宏觀性質是相應的微觀量的統計平均值。當系統處于熱力學平衡熱力學平衡時，系統內的每個分子仍在處于不停的運動中，系統的微觀狀態也在不斷地發生變化，只是分子微觀運動的某些統計平均值不隨時間而改變?；鶢柣舴蚨刹怀闪⒌那闆r：基爾霍夫定律不成立的情況：1.非常高的大氣層處，因為那里的分子碰撞非常少。2.激光、熒光、氣體放電管、LED等，

16、分子的平均電子能量被人為的抬升到一個能級，比分子熱動力運動的溫度高很多。因此，這些系統的發射率比黑體的發射率高很多，因此不遵從普朗克定律或者基爾霍夫定律。3.大氣中的非局地熱力平衡輻射現象有：閃電放電、極光。亮亮 溫溫)I (BT1BThe vertical weighting function describes the relative contribution that microwave radiation emitted by a layer in the atmosphere makes to the total intensity measured above the atmos

17、phere by the satellite.有了上述四個規律，黑體輻射的規律就全部確定了。對于非黑體，只要知道了它的溫度與吸收率，通過基爾霍夫定律，其輻射光譜也就確定了。 2.3 大氣頂的太陽輻射大氣頂的太陽輻射 太陽從一個由星際物質組成的平薄而熾熱的旋轉圓盤的中心壓縮聚集而成。 太陽是一顆典型的二類（G2）恒星星體。 地球所接收的，并驅動地球大氣和海洋運動的所有能量都來自太陽。 太陽是一顆氣體球，主要成分是氫（90%）和氦（10%），再加上少量的較重元素。溫度與密度都是由中心向表面遞減。 一般認為，太陽能源是由核心位置的四個氫原子穩定轉換為一個氦原子的聚變反應所產生的。 2.3.1太陽結構

18、太陽結構1. 核心2. 輻射層3. 對流層4. 光球層5. 色球層6. 日冕7. 太陽黑子8. 米粒組織9. 日珥內部結構大氣結構在對流層之下，一般認為能量在太陽內部是通過電磁輻射傳輸，即光子流輸送；然而在太陽表面附近，因較重元素吸收而造成的對輻射能的重大阻擋，使得能量一部分由對流輸送，一部分由電磁輻射輸送。在太陽表面以上，能量再次以電磁輻射的方式進行。太太陽陽大大氣氣的的溫溫度度結結構構和和吸吸收收譜譜線線形形成成區區光球層光球層 厚度約500km較薄的一層，稱為太陽表面太陽表面。 溫度由低層的8000K變化到高層的4000K，平均溫度和有效溫度均為5800K左右。 到達地球的大多數電磁能量

19、來自該層。 均勻分布在日面上的、直徑約1500km的相對光亮的米粒組織米粒組織。 由光球層發射的輻射基本上是連續連續的。色球層色球層 太陽大氣，特點是具有稀薄而透明的太陽氣體。 色球層厚度約2000km，溫度由4000K增加到40006000K。 溫度極小值4000K的較冷氣體在太陽所含各種原子的特征波長處，吸收光球層發射的連續輻射，產生了太陽吸收光譜（即色球層的發射光譜）。 日全食觀測到發射譜線大部分來自氫、氦和鈣，食既和生光時刻，有一光亮的線發射光譜稱為閃光譜。其中最強的吸收線為636.5nm，使日食期間色球層變得可見，具淡紅色外觀。日日 冕冕 太陽大氣，特點是具有稀薄而透明的太陽氣體。

20、日冕由日盤邊緣向外延生數百萬米，溫度顯著升高達105106K左右。通常認為日冕沒有外邊界。 日食期間可看到它像一個微泛白色的暈圈。 太陽風：由日冕流出的一股氣體流，不斷進入太陽系中。 源自色球層的氫和氦的強發射譜線雖高度增加而逐漸消失，被日冕特有的白色連續光譜所代替。日冕光譜包含許多弱發射線，其中最強的是電離鐵的綠線。太陽黑子太陽黑子(Sunspot)光球層即太陽表面上較暗的區域，溫度比周圍低10002000K，發出的輻射能比周圍小，看起來比周圍黑，稱為黑子。平均大小為10,000km，變化范圍為日面上肉眼可見直到在日面上占據150,000km以上。黑子通常成對出現，或以復雜的黑子群出現，跟隨

21、著一個先導黑子之后，完全限制在太陽赤道和南北緯40度之間。太陽黑子極大、太陽黑子極小、太陽黑子周期。黑子與太陽內部存在的極強磁場有關，成對的黑子具有相反的磁極性。月平均太陽黑子數變化月平均太陽黑子數變化兩次黑子極大之間的平均時間長度約為11年，即所謂的11年周期！具有相同極性的太陽黑子周期叫做22年周期！太陽耀斑太陽耀斑(solar flare) 太陽色球有時會出現一塊突然增大增亮的斑塊，為高能爆發現象。 當一顆太陽黑子接近日面邊緣時，可以看到它被叫做光斑的增強發射輻射的網狀物所包圍，光斑在黑子出現之前出現，在黑子消失之后消失。 光斑具有的磁場比太陽黑子小，但它能在日盤上伸展相當大的面積，且維

22、持時間較長。 也出現在高緯區，但通常出現在大而復雜的黑子群附近觀測到。日珥日珥 太陽的瞬態變化特征之一。由光球層噴發產生，能夠伸展到色球層，并在太陽邊緣被觀測到。 高30,000km，長200,000km，溫度5000K。 由于溫度比光球層低，顯現為在亮背景上的細暗線。 日冕層的擾動與太陽黑子周期以及太陽黑子數的變化密切相關。日冕噴發伴隨有來自太陽的遠紫外線和X射線的大增。（1 1）太陽大氣結構：）太陽大氣結構： （2 2）太陽活動類型：）太陽活動類型：光球光球 色球色球 日冕日冕黑子黑子耀斑耀斑太陽活動太陽活動日珥日珥上述變化都與磁場活動有關。磁場變化由太陽的對流活動、自轉運動以及總磁場之間

23、的相互作用而產生。太陽黑子包含著最強的磁場。太陽活動對地球的影響1. 對地球氣候的影響太陽黑子的 11 年周期與夏季西太平洋副熱帶高壓的南北位置存在著較好的對應關系；太陽黑子 11 年周期與中國夏季氣溫呈明顯的雙振動現象，即在太陽黑子的峰、谷值年附近，夏季我國大范圍氣溫偏低；而在峰、谷年之間的年份，我國夏季大范圍氣溫偏高2. 對電離層的影響（無線電短波通訊衰減或中斷無線電短波通訊衰減或中斷）3. 對地球磁場的影響（磁暴、極光磁暴、極光）對降水的影響太陽活動與地球上自然災害的關系太陽活動與地球上自然災害的關系太陽正?；顒釉炀秃途S持地球良好的生態環境，異常活動則對地球的環境產生重要影響，甚至形成災

24、害太陽活動劇烈 黑子、耀斑、質子、電子事件、太陽風、日冕活動等 影響地球的物理狀態與變化規律，影響海洋和大氣的環流過程，太陽活動通過電磁作用影響固體地球（包括自轉變化）日地關系研究在最近數十年間一直受到天文、地球科學及其他學科學者的重視我國早在公元187年就有了太陽活動與洪澇關系的記錄太陽在11年周期尺度上的輻射和微粒變化可影響地球的溫度，甚至影響氣候。世界范圍內的大的火山、地震活動與太陽活動有著十分重要的聯系溫度變化與太陽周期長度的變化有很好的相關性在極大值年或前后一年，渤海出現嚴重的冰情中國1800多年的大地震頻譜分析表明，11年周期的幅度最大，22年次之中國6級以上地震頻次在太陽活動下降

25、段有一明顯的高峰多種解釋機制，如峰年易震機制，日本高山威雄的太陽氣壓地震說，前蘇聯森廷斯基的太陽地球自轉地震說，美國辛普森的太陽地電流地震說等 2.3.2地球繞日軌道與日射分布地球繞日軌道與日射分布日地幾何關系示意圖日地幾何關系示意圖近日點近日點冬至點冬至點春分點春分點半短軸半短軸半長軸半長軸夏至點夏至點秋分點秋分點遠日點遠日點黃道面法向黃道面法向地軸地軸：太陽赤緯 ：地軸傾角 ：近日點相對于春分點的經度：某一給定時間地球的實際偏離角 ：地球的實際經度偏心率地球軌道的偏心率（eccentricity）定義為兩焦點之間的距離與橢圓長軸(a)之比，即l地球繞日軌道形狀l月球或其他星球的引力拖拽l從近乎于圓形到輕微的延伸再恢復l經歷上述一個周期需要的時間約100,000年.黃赤交角l地軸傾角l測量到的地球赤道平面與軌道平面的夾角，現在為23.5o.l黃赤交角并不是一個常數，有一個非常微小的變化周期： 41,000 年.歲 差l近日點相對于春分點的經度l公轉中，春分點時地球在橢圓軌道上所處的位置，將會影響地球上各個季節的起至時間，也會使地球在近、遠日點出現的時間發生變化，其中地球出現在近日點的時間變化稱為春分點的歲差春分點的歲差。它控制著地球軌道偏心率和黃赤交角的變化。l因為每年約25min的近日點前移，而具有約2.1萬年的周期地球軌道參數變化與氣候變遷 天文氣候理論的形成與發展183