标准状态下
整层瑞利散 R,(0) 0.00824 或
射系数:
R,(0) 0.00884.05
对于可见光中的绿色光=0.52m,则 δR,(0)=0.112。所以对于绿光，整层大 气的垂直透射率为 F e0.1120.894
F,0
这表明可见光的透明度是很大的.
如果地面气压为P,则其垂直光学厚度
δR,为
8 34N 3 (n21)2
• 对空气而言，在标准状态下， N正 正0比比=2，，.68所有3以1N019正/cm比3,于而N且，知而道N（又n与-1密)与度N成成
N0 0
00为时标的0准削为状弱常态系数下数。的和空气0，密有度。空气密0度, 为0 ，
• 当 则在表单示位单面位积容的积光的柱散中射，削经弱过系dl后数，时平，行 辐射（太阳直接辐射）散射削弱为
很多气体的吸收谱线已经编成程序 -----LOWTRAN
大气吸收光谱
大气中含量最多的是N2和O2，由于是对称的电 荷分布，没有振动或转动谱，它们的吸收谱由 电子跃迁造成，因而位于紫外和可见光区。 吸收太阳短波辐射的主要气体：氧气、臭氧。
吸收太阳红外辐射的主要气体：水。（P77 表）。 大气对太阳辐射的吸收有明显的选择性。吸收 带都位于太阳辐射光谱两端能量较小区域。
散射辐射(次生电磁波)波长与原始波相同, 与原始波有固定位相关系.
•非均匀介质中，次生电磁波波位相不规则。 传播方向会改变,使原传输方向的辐射能衰 减,发生散射. •散射质点大小对波长是有选择性的。 •引进尺度α=2r/, r为散射质点半径.
• Rayleigh 散射（1871年）,α<0.1 (r<<), 无方向 性
散射截面 s
• 单个散射质点向整个空间的总散射辐 射通量与入射辐射通量密度之比。
F,ssFr2d020Fr2sinddF,0132845a2F,0s
s 132845a2F F,,0 s
F,s单位是W,F,0单位是W/m2,因此s 具有面积的量纲,称为散射截面.
• 散射截面表示一个粒子的散射能力,其值 代表入射辐射的能量由于一次散射在入 射方向上移去的量，被移去的能量以散 射元为中心向四面八方散射。
对于水滴(云雾雨滴), Q(α)近似曲线形式如 图5.10,P80
• 当α增大时,Q值趋近于常数2,不再与波长 的4次方成反比.α越大，近乎与波长无 关．
a. 当θ=0° 和θ=180° 时，F值最大。即前向和后
向散射辐射最强，且二者数值相等。
b. 当θ=90° 和θ=270° 时，F值最小。即垂直于入
射辐射方向的平面内的散射最弱，只有前、后 向散射的一半。
c. 散射辐射通量密度与波长的四次方成反比，因 此由于分子散射导致的短波辐射衰减特别强。
天空是蓝色的？ 日出日落时的太阳是红色的？
R,
P P0
R,(0)
有可能计算整层大气任何角度的光学 厚度值，从而计算任何角度入射的 太阳直接辐射。
大气中瑞利散射总是存在的。 大气分子对可见光、地球辐射的散射都 属于瑞利散射，但对后者的散射太小了， 可以忽略不记——波长增加10倍，散射 缩小104倍。
太阳光经过Rayleigh 散射后，衰减10% 左右。
•大气中各种成分的吸收能力,理论上可 用吸收系数k来定量确定.
•但在红外波段,水汽及CO2等重要吸收物 质的k随波长变化极大,吸收带是由许多 谱线叠加而成.
•往往在一个小测量波段内，就有许多条 谱线，很难测准单一波长的吸收系数.
•实际应用中,做一些合理假定,得出各种 光谱对应的吸收率公式.
a,太阳和地球的黑体辐射,b 整层大气的吸收谱,c,11km以上 大气吸收谱,d,整层大气中不同气体成分的吸收谱
辐F 射通F 量,密0(2 度F)4a r2 2(1c2o2s)
a=(3/4N)*(n2-1)/(n2+2),
F ,0 入射辐射通量密度 F 某方向散射辐射通量密度 n 空气分子折射率,约等于１.0003 r 观测地距分子的距离
N为单位体积中分子数,为入射辐射与散射 辐射之间的夹角,称为散射角
FF,0(2)4a r2 2(1c2o2s)
• 产生原因：
• 自然增宽
测不准原理
• 压力增宽
碰撞增宽
• 多普勒增宽
辐射源和观测接收
装置之间有相对运动。
谱线线型函数
线型函数是描述一条谱线的吸收系数随波 数（或波长、频率）变化的函数。
• 自然增宽型 • 压力增宽——Lorenz 型 • Doppler 型 • 混合型——Voigot 型
自然增宽型和Lorenz 型
• Mie 散射 (1908年),0.1<α<50, 前向散射 • α>50(r>>)属于几何光学范围
1) Rayleigh 散射
尺度数
2r
• 辐射波长
• 球形粒子半径 r
α<0.1(r<<) 大气分子 对可见光的散射
104102m
101 m
尘埃质点(0.1m)对地球辐射(10m)
按照Maxwell电磁理论在距离为r处的散射
k dl
0
δ称为光学厚度.定义:沿辐射传输 路径,单位截面上所有吸收和散射物
质产生的总削弱,是量纲一的量.
k称为质量吸收系数 cm2/g，意义 是单位质量的吸收物质（一平方厘 米气柱中）吸收原辐射能的份数。
光学质量optical mass
• 辐射束沿传输路径在单位截面气柱内所吸收 或散射的气体质量u
• dF = - Fdl, • 经整层大气柱的散射后到达地面的太阳
直接辐射为
dl F F,0e 0
太阳自天顶垂直入射时，整层大气柱的瑞 利散射光学厚度为
其中
R,
0
d lk0, 0 d lk0,0 pd gP k0,P g
k0,
0, 0
,dpgdl
K0,也是常数，在标准状态时， P=P0=1013.25 hPa, 将有关数值代入有
仅有电子能级跃迁，光谱波段：X射线、紫外、可见光 仅有振动能级跃迁，光谱波段：近红外 仅有转动能级跃迁，光谱波段：红外、微波 电子能级跃迁、分子的转动、振动跃迁常伴随发生，一个振动带 内有多条谱线，使谱带非常复杂。
大气吸收率计算方法
ν-20 ν-10ν ν10 ν20
•谱线汇编资料（NASA）
逐线计算
• 实验表明：薄层吸收的辐射能 dF 与入射
辐射的能量F、薄层的厚度dl、以及吸收
物质的密度成正比 dFkFdl
dF F
kdl
自0-L积分，得
L
F,l F,0exp[ kd]l 这是削弱规律的积分形式
令
0
L
k dl 则
0
光学厚度optical depth(thicL kness)
Fλ,l Fλ,0eλ
2) Mie 散射
对有很多分子组成的颗粒,在外电场的 激发下,每个分子都形成一个偶极子,向 外发射着子波,又因为粒子的尺度可与波 长相比拟,入射波的位相在粒子中是不均 匀的,造成了各子波在空间和时间上的位 相差.当子波叠加形成散射波时,由于位 相差造成子波的干涉.这种干涉取决于入 射光的波长,粒子的大小,折射率和散射 角.当粒子增大时,干涉作用也增大,使散 射过程变得极为复杂.
谱线位置
• 爱因斯坦公式： E hf
E E e E v E r
• 吸收线中心波长： hc E
• 从理论上可以由能级间的能量差计算出 来，但主要通过实验测，用光栅光谱仪
谱线宽度
k
K吸收系数，ν波数
0
ν
电子轨道、原子振动、分子转动的每一种可
能的组合，都对应于某一特定能级。
一定的能级跃迁、吸收或发出一定频率的辐 射，对应于一条光谱线。
1908年G.Mie给出了均匀球状粒子散射问题 的精确解,其散射有方向性
尺度参数:
2r
• 粒子尺度与入射波长相近时 0.1<α<50
• 大气分子对可见光、红外辐射 ╳
•某些气溶胶粒子对可见光、某些红外
辐射
√
若入射辐射为自然光,则在距离米散射质点 为r处的散射辐射能量密度为
FF,042 2r2[S1()2 2S2()2] 这里F,0为入射辐射通量密度,S1()和 S2()为两个复函数,是粒子折射率n,尺度 数X和参数=nX的函数.
紫外波段的主要吸收气体是：氧气、臭氧。
平流层臭氧能吸收掉30%太阳紫外辐射，全 部太阳辐射能的2%。氧气和臭氧几乎能吸收 掉0.3µm以下的全部太阳紫外辐射,地面基本 观测不到该波段辐射.
大气窗区:8-12μm的地球辐射.
大气窗:大气吸收较弱的波段。
• 整层大气约吸收掉 20% 的太阳短波辐射。
指数削弱规律(Beer 定律、布格-朗白定律）
Y L ln2 D
X vv0 ln2
D
t m v 2 kT
分子的能级跃迁与吸收线中心波长和波数EeEv NhomakorabeaEr
能量差/eV
1-20
0.05-1
10-4-0.05
吸收线中心波长
0 0.062-1.24μm 1.24-24.8 μm 24.8 μm -12.4cm
吸收线中心波数0 / cm1 161290-8086.5 8064.5-403.2 403.2-0.8064
k(v)S
L (vv0)2L2
L 是定值
S 可由谱线汇编资料查到
Doppler 型
k(v)k(v0)expln2vDv02
Dvc0
2m kTln23.5 81 07v0
T M
k(v0)
S
c v0
m
2kT
Voigot 型
Y et2
k(v)k(v0)