ap04大氣中的輻射

1、第五章 地面和大氣中的輻射過程,5.3 地球大氣與輻射的相互作用,重點(diǎn)： 吸收光譜 散射特征 布格定律 相關(guān)物理量,5.3.1 大氣吸收的物理過程,吸收: 投射到介質(zhì)上面的輻射能中的一部分被轉(zhuǎn)變?yōu)槲镔|(zhì)本身的內(nèi)能或其它形式的能量。介質(zhì)：大氣中有各種氣體成分及氣溶膠粒子大氣成分對輻射具有選擇吸收的特性，是由分子和原子結(jié)構(gòu)及其所處運(yùn)動(dòng)狀態(tài)決定的。,氣體分子或原子內(nèi)的電子能級躍遷、原子和分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)等所發(fā)射和吸收的輻射譜是非連續(xù)

2、性的，構(gòu)成原子的線光譜和分子的帶光譜。單個(gè)分子，當(dāng)它處于某一特定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，其分子內(nèi)部總能量E由三部分組成：Ee：外層電子的動(dòng)能和靜電位能；Ev：原子在其平衡位置附近振動(dòng)的能量；Er：分子繞其質(zhì)量中心轉(zhuǎn)動(dòng)的能量。,分子光譜,An electron some distance from a nucleus has a particular value of potential energyBased on distance fro

3、m the nucleus and the size of the electric fieldIf you give the electron more energy, it gain potential energy and will move farther away from the nucleus!!!The opposite is also true. When an electron gives up energy

4、to move closer, it will be emitted as a photon of light,The electron is not allowed a leisurely journey from one orbit to anotherIt “jumps” instantaneouslyAlso explains why some frequencies of light emitted by hydrogen

5、 are the sum of two other frequencies that are observed,-eV sign for DE indicates emission (+ eV for absorption)Visible lines in H atom spectrum are called the BALMER series (里德博等式 )Ultra Violet LymanInfrared Pasch

6、en,,,,,輻射頻率f及波數(shù)?與能量變化的關(guān)系是f和?為分子吸收或發(fā)射譜線的位置。這種譜線由有限個(gè)非常窄的吸收線或發(fā)射線組成，其間夾雜該分子不可能發(fā)射和吸收的光譜間隙。吸收光譜與發(fā)射光譜是一致的。實(shí)際分子的轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷常伴隨著振動(dòng)躍遷發(fā)生。振動(dòng)帶內(nèi)存在轉(zhuǎn)動(dòng)譜線，而轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)能量的變化又常伴隨著電子能級躍遷。,表5.3 分子的能級躍遷與吸收線中心波數(shù)和波長,“15 um motion”,Some Energy States of

7、 Water Molecules,... of Carbon Dioxide Molecules,Vibration modes of carbon dioxide. Mode (a) is symmetric and results in no net displacement of the molecule's "center of charge", and is therefore not associ

8、ated with the absorption of IR radiation. Modes (b) and (c) do displace the "center of charge", creating a "dipole moment", and therefore are modes that result from EM radiation absorption, and are th

9、us responsible for making CO2 a greenhouse gas.,N2和O2分子：對稱的電荷分布，沒有振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)譜。其吸收和發(fā)射譜由電子軌道躍遷造成，位于紫外和可見光輻射區(qū)。H2O分子的原子呈三角形分布，是極性分子，有三種振動(dòng)方式。這三種振動(dòng)過程都引起電偶極距變化，產(chǎn)生吸收和發(fā)射，而轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)態(tài)的結(jié)合使得水汽的吸收譜十分復(fù)雜。CO2分子為線型對稱分子，也有三種振動(dòng)方式，但沒有轉(zhuǎn)動(dòng)帶。,分子光譜—舉例,譜

10、線增寬：自然增寬、壓力增寬、多普勒增寬,自然增寬：沒有任何外界因素作用，譜線本身也必然具有一定的寬度，這是由于能級具有一定的寬度造成的（測不準(zhǔn)原理）。壓力加寬(碰撞加寬)在對流層和平流層大氣中，由于分子、原子或離子處于不斷的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)中，頻繁碰撞的結(jié)果導(dǎo)致發(fā)射輻射的位相發(fā)生無規(guī)則變化，而使譜線加寬。壓力加寬與T、P有關(guān)，由于大氣壓力的變化比溫度的變化大得多，碰撞加寬的譜線寬度隨壓力的變化是主要的。,多普勒增寬：由作熱運(yùn)動(dòng)的分子發(fā)

11、射輻射的Doppler頻移引起。分子不停地向各個(gè)方向以不同速度作無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，即使每個(gè)分子所發(fā)射的輻射頻率相同，但因相對速度的原因使不同運(yùn)動(dòng)速度的分子的輻射之間有一定的頻率差異，從而引起輻射譜線有一定程度的增寬。與T有關(guān)，與P無關(guān)。,實(shí)際大氣，譜線的Doppler加寬和壓力加寬同時(shí)存在。30km以下大氣，譜線加寬主要由壓力加寬效應(yīng)決定；在大氣高層（50km以上），Doppler加寬主要在平流層上層和中間層相當(dāng)厚的一層大氣中，壓力加寬與D

12、opplar加寬同等重要，即Doppler-Lorentz混合線型， 稱為Voigt線型函數(shù)。,吸收系數(shù),單個(gè)粒子的吸收截面σab 粒子所吸收的輻射通量相當(dāng)于面積σab從入射輻射場中所截獲的輻射通量。體積吸收系數(shù)：單位體積中各粒子吸收截面之和（ka=Nσab）。質(zhì)量吸收系數(shù)：單位體積中各粒子吸收截面之和；單位質(zhì)量的吸收物質(zhì)（1cm2氣柱中）吸收了原輻射能的份數(shù)。加寬作用使得吸收帶中譜線互相重疊，在每一波數(shù)處的吸收系數(shù)

13、實(shí)際多使用一波數(shù)間隔內(nèi)的平均值。,選擇性吸收太陽短波輻射：H2O、O2、O3 地氣長波輻射：H2O、CO2、O3氣體吸收對大氣輻射平衡的重要性取決于：吸收線的強(qiáng)度吸收氣體的含量及其空間分布。,5.3.2 大氣吸收光譜,H2O吸收約20%的太陽能量幾乎覆蓋長波輻射整個(gè)波段吸收作用主要在對流層，特別是對流層下層。液態(tài)水：吸收帶與氣態(tài)對應(yīng)，波段向長波方向移動(dòng)。,5.3.2 大氣吸收光譜（H2O）,,,大于12?m轉(zhuǎn)動(dòng)

14、帶,6.3?m振動(dòng)帶,O2主要在小于0.25?m的紫外區(qū)：舒曼-龍格吸收帶0.125-0.2μm，赫茲堡帶0.24-0.26μm。因小于0.25?m的太陽輻射能量不到0.2%，而且O2在可見光波段的兩吸收帶較弱，所以對太陽輻射的削弱不大。O3 強(qiáng)吸收帶在紫外區(qū)：哈特來帶最強(qiáng)0.220.30μm；哈金斯帶較弱0.32-0.36μm；可見光區(qū)：查普斯帶較弱。臭氧層吸收太陽輻射的2%－平流層溫度高的原因。紅外區(qū)：4.7?m、

15、9.6?m 、14.1?m較強(qiáng)吸收帶。,5.3.2 大氣吸收光譜（ O2 和O3 ）,CO2吸收主要分布在大于2?m的紅外區(qū)：較強(qiáng)中心為 2.7?m、4.3?m 和15?m（最重要）。,5.3.2 大氣吸收光譜（ CO2等）,紫外波段：O2、O3把0.29?m以下的紫外輻射幾乎全部吸收可見光波段：只有非常少量的吸收紅外波段：主要是水汽的吸收，其次是CO2和CH4。 14?m以外的輻射不能透過大氣傳向外空。,大氣透明窗或大氣光譜窗：

16、8~12?m大氣的吸收很弱大氣窗區(qū)對地氣系統(tǒng)的輻射平衡有十分重要的意義：地表的溫度約300K，與這個(gè)溫度相對應(yīng)的黑體輻射能量主要集中在10?m這一范圍，通過窗區(qū)，地面發(fā)出的長波輻射可順利地被發(fā)送到宇宙空間。,5.3.2 大氣吸收光譜（大氣透明窗）,,光化反應(yīng)：分子吸收足夠的輻射能分裂為原子；不穩(wěn)定的原子結(jié)合成較穩(wěn)定的分子釋放多余的輻射能光化反應(yīng)所要求的輻射波譜可以為連續(xù)譜，只要其中的波長短到使一個(gè)光子所提高的化學(xué)能足以造成分子的光

17、解。其它能量轉(zhuǎn)化為原子的動(dòng)能，使氣體的溫度增高。地球大氣中，大多數(shù)光化反應(yīng)需要有紫外輻射和可見光輻射。,光致電離：任何原子都能被波長非常短的輻射所電離。具有足夠能量的光子把電子從繞原子核旋轉(zhuǎn)的外層軌道上剝離開來，這種過程稱為光致電離。也象光化反應(yīng)那樣，光致電離要求輻射具有低于一定的臨界能量波長的連續(xù)波。引起電離的輻射波長通常小于0.1?m。,氣體分子以及氣溶膠粒子內(nèi)含有多個(gè)分立的電子和質(zhì)子，當(dāng)電磁波照射到粒子上后，使正負(fù)電荷中心產(chǎn)生

18、偏移，構(gòu)成電偶極子或多極子，并在電磁波激發(fā)下作受迫振動(dòng)，向各方向發(fā)射次生電磁波。這種次生電磁波就是散射輻射。特點(diǎn)：散射波長和原始波相同，并與原始波有固定的位相關(guān)系。散射和吸收不同：它不產(chǎn)生分子內(nèi)能狀態(tài)的變化，應(yīng)以電磁波理論和物質(zhì)的電子理論來解釋（Mie理論）；吸收是因能態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生的，需要用量子理論來解釋。散射不是選擇性的，它在電磁波譜的各個(gè)波長上都會(huì)發(fā)生，因而是全波段的。,5.3.3 大氣對輻射的散射,Scattering

19、 - Example,Purely absorbing,With Scattering,Photon pathlength >> L,Photon pathlength = L,,,L,1. 散射過程的分類,定義無量綱尺度參數(shù)當(dāng)α50：幾何光學(xué)：折射。如大雨滴對可見光的折射、反射。,單個(gè)粒子的散射截面σsc：表示當(dāng)有輻照度為E的輻射射入時(shí)，將把Eσsc的能量散射到四面八方，而使入射波的能量減少Eσsc 。若單位體積中有

20、N個(gè)相同的顆粒，則總散射掉的輻射能為 ENσsc 。單位體積散射削弱系數(shù)ks：單位體積中所有粒子散射截面之和。,2．散射削弱系數(shù),對于不同大小的氣溶膠散射粒子：大氣對輻射的散射削弱作用的大小取決于兩個(gè)因素，即單位體積中散射顆粒物的多少以及每個(gè)散射粒子的散射截面。散射截面、散射系數(shù)與尺度參數(shù)a和復(fù)折射（指數(shù)）率m有關(guān)。,2．散射削弱系數(shù),復(fù)折射指數(shù) (m = n - ik) ，其中n代表散射，k代表吸收。If k is equ

21、al to 0 at a given wavelength thus a particle does not absorb radiation at this wavelength.,（1）瑞利散射,瑞利散射的基本特征散射光強(qiáng)度和波長的4次方成反比，這也是天空為什么是藍(lán)色的原因。散射光強(qiáng)度和粒子體積的平方成正比。當(dāng)入射光為自然光時(shí)，前后向散射呈對稱分布。散射光有很高的偏振度。,散射削弱系數(shù)與波長的4次方成反比，波長越短，分子散射

22、削弱越強(qiáng)。[例題] 計(jì)算藍(lán)光與紅光的散射削弱系數(shù)之比。,可見藍(lán)光的散射比紅光要強(qiáng)9倍以上，這就是晴天天空呈藍(lán)色的原因。而太陽的直接輻射光在通過地球大氣時(shí)，由于分子散射對藍(lán)光的削弱要遠(yuǎn)大于對紅光的削弱，從而使人們看到的日盤的顏色要向紅色偏移。特別是當(dāng)太陽處于地平附近時(shí)，太陽輻射所經(jīng)過的大氣路徑遠(yuǎn)大于正午時(shí)刻，所以其顏色是紅色的而不是金黃色的。,Lord Rayleigh 1842-1919(John William Strutt)英

23、國物理學(xué)家1871：Rayleigh Scattering光學(xué) 聲學(xué) 電學(xué) 熱力學(xué)1904 Nobel Prize,（2）米散射（大粒子散射）,假設(shè)：粒子是球體；介質(zhì)均勻。球狀粒子的散射特性取決于粒子的相對尺度數(shù)a和粒子介質(zhì)復(fù)折射指數(shù)m 。米散射理論是球狀粒子散射的通用理論。散射效率因子：粒子的散射截面與粒子幾何截面之比。,假論一般大氣條件下粒子是獨(dú)立散射的，則單位體積中粒子的總散射截面就是各粒子散射截面之和，即得到散射系

24、數(shù),米散射的主要特點(diǎn)隨著粒子尺度數(shù)a的增大，前向散射光在總散射光中的比值迅速增大，這就是所謂米效應(yīng)。前向散射光基本上不改變?nèi)肷涔獾钠駹顟B(tài)，當(dāng)入射光是自然光時(shí)，前向散射光也是非偏振的。散射光偏振度最大的方向出現(xiàn)在散射角為85~ 120?之間。在吸收不強(qiáng)時(shí)，散射效率Qsc隨x的增大呈振動(dòng)狀態(tài)變化，最后趨向于2，即散射截面是幾何截面的二倍。但當(dāng)吸收增強(qiáng)時(shí)，Qsc曲線上的振動(dòng)消失了。散射截面隨波長而變。當(dāng)a很小時(shí)，和瑞利散射一樣，與波

25、長四次方成反比；當(dāng)a增大時(shí)，逐漸變?yōu)楹??n (0<n< 4)；最后當(dāng)a相當(dāng)大時(shí)，和波長無明顯關(guān)系。,Gustav Mie (1868-1957) 德國物理學(xué)家1908：Mie theory,Nitrogen Dioxide Haze,Nitrogen Dioxide Plume,5.3.4 輻射能在介質(zhì)中的傳輸,布格-朗伯-比爾（Bouguer-Lambert-Beer）定律,上述的指數(shù)削弱規(guī)律可適用于任何原因引起

26、的輻射衰減。對于由散射和吸收引起的衰減，可寫為,,式中kex,?= ksc,?+ kab,?，稱為衰減系數(shù)。布格?朗伯定律是下面研究太陽直接輻射削弱的基礎(chǔ)，非常重要。,物質(zhì)對光吸收的定量關(guān)系很早就受到了科學(xué)家的注意并進(jìn)行了研究。皮埃爾·布格（Pierre Bouguer）和約翰·海因里希·朗伯（Johann Heinrich Lambert）分別在1729年和1760年闡明了物質(zhì)對光的吸收程度和吸收介質(zhì)厚度

27、之間的關(guān)系；1852年奧古斯特·比爾（August Bier）又提出光的吸收程度和吸光物質(zhì)濃度也具有類似關(guān)系，兩者結(jié)合起來就得到有關(guān)光吸收的基本定律－布格·朗伯·比爾定律，簡稱比爾－朗伯定律。,Pierre Bouguer,Johann Heinrich Lambert,August Bier,2. 輻射傳輸?shù)挠嘘P(guān)物理量,光學(xué)厚度：沿輻射傳輸路徑，單位截面上所有吸收和散射物質(zhì)產(chǎn)生的總削弱。,對于某一波長，光

28、學(xué)厚度為,整層大氣光學(xué)厚度,則布格-朗伯可寫為,光學(xué)質(zhì)量：輻射束沿傳輸路徑在單位截面上所通過的吸收或散射氣體的質(zhì)量，稱為光學(xué)質(zhì)量（optical mass），常以u表示。 日光垂直入射時(shí)，利用均質(zhì)大氣的概念，可將海平面以上整層大氣的光學(xué)質(zhì)量寫為,2. 輻射傳輸?shù)挠嘘P(guān)物理量,(3)單色透射率和單色吸收率輻射通過一段大氣路徑后，輻射通量密度之比常將整層大氣在垂直方向的透過率稱為透明系數(shù),2. 輻射傳輸?shù)挠嘘P(guān)物理量,透射率函數(shù)