单色(monochromatic)与宽波段(broadband)
§2.1.2 立体角
§2.1.3 基本辐射量 - 1
§2.1.3 基本辐射量 - 2
复习：Flux & Intensity
符号 E f 辐射量 能量 通量 通量密度 辐照度 辐出度 辐亮度 强度 亮度 量纲 ML2T-2 ML2T-3 单位 焦[耳] (J) 焦[耳]•秒-1 瓦特 (J•s-1, W) 焦[耳]•秒-1•米-2 (W•m-2) 焦[耳]•秒-1•米-2•球面度-1 (W•m-2•sr-1)
有了上述四个规律，黑体辐射的规律就全 部确定了。对于非黑体，只要知道了它的
温度与吸收率，通过基尔霍夫定律，其辐
射光谱也就确定了。
§ 2.3 大气顶的太阳辐射
太阳从一个由星际物质组成的平薄而炽热的旋转圆盘的中 心压缩聚集而成。 太阳是一颗典型的二类（G2）恒星星体。 地球所接收的，并驱动地球大气和海洋运动的所有能量都 来自太阳。
物质的红外吸收谱相吻合。
• 晶格振动分频率较高的光学支和频率较低的声学支，前者参与的 散射是拉曼散射，后者参与的散射是布里渊散射。广义的拉曼散 射。按习惯频移波数在50—1,000/厘米间为拉曼散射，在0.1—2/厘 米间是布里渊散射。
这种技术可应用于大气水汽遥感！
散射现象分类-3
独立散射：当大气分子和微粒的间距分开的足够宽，以致每个
电磁波的极化
电磁波包含两种矢量（电矢量和磁矢量）的振动，引 起感光作用和生理作用的是其中的电矢量，故在讨论光的偏 振中也只考虑电矢量。
自然光 线性极化
圆极化 非极化
水平线偏振光
右旋圆偏振光
右旋椭圆偏振光
通常来说，大气中的自然光都是完全非极化的，但 是当光波遇到粒子或者地表、水面时，有可能被部 分或者完全极化。例如：平静的水面可以将反射的 光波水平线性极化。
单色光与宽波段辐射
• 单色光（monochromatic radiation），单一频率（或波长） 的光。不能产生色散。 • 宽波段辐射（复合光，broadband radiation），由很宽的一 个频率范围组成的混合光。
• 准单色光（quasi-monochromatic），严格的单色光是不存 在的，当光波的频谱宽度Δν与中心频率ν0之比远远小于1， 称之为准单色光，它很接近于单色光。
电磁波的波粒二象性
光电效应：金属中的自由电子在光的照射下，吸收光能而逸出金属表面。
电磁波的能量
• 我们研究大气辐射的中心问题是研究电磁能量的传输！
• 能量的表述有以下几种： 能量
• J
功率
• W （J s-1）
通量密度
• W m-2
强度/亮度
• W m-2 sr -1
辐照度 辐出度 辐射通量密度 辐亮度
太阳是一颗气体球，主要成分是氢（90%）和氦（10%），
再加上少量的较重元素。温度与密度都是由中心向表面递 减。 一般认为，太阳能源是由核心位置的四个氢原子稳定转换 为一个氦原子的聚变反应所产生的。
§ 2.3.1太阳结构
1. 核心 2. 辐射层 3. 对流层 4. 光球层 5. 色球层 6. 日冕 7. 太阳黑子 8. 米粒组织 9. 日珥
UV-B
UV-C
可见光
红外波段
近红外 热红外 远红外
主要源于太阳辐射，约占太阳辐射的50%，有很多大气吸收带。 绝大部分的大气辐射能量交换和大气吸收带都在这个频段。 能量交换不再那么重要，但可以用于卷云的遥感探测。
微波和无线电波
太阳辐射与地球辐射
4μm
电磁波的频率分解
任意两个单独电磁波的传输都是完全独立的，他们或许会 相交，甚至一起传输，但是一列波并不会影响到另一列波。
辐射通量密度是由一个发射面射出时，则此量称为辐出度 （emittance）；当按波长表达时，它称为单色辐出度。 （monochromatic emittance）。
• 辐亮度 (radiance)：在辐射传输方向上的单位立体角内，通 过垂直于该方向的单位面积、单位波长间隔的辐射功率。 亦称为辐射率。
§2.1.4 散射和吸收
• 散射 (scattering) 是指光通 过不均匀介质时一部分光偏 离原方向传播的现象。 • 散射是这样一种物理过程，
位于电磁波路径上的粒子通 过这种过程从入射波中连续 的提取能量，并将次能量向 各方向重新辐射出去。因此， 该粒子可以当作散射能量的 点源。
散射现象分类-1
黑体示意图
黑体辐射定律
• 黑体辐射定律对了解吸收和发射过程而言是基础知识。 • 支配黑体辐射的四个基本定律：
– 普朗克（Planck）定律
– 斯蒂芬-玻尔兹曼（Stefan-Boltamann）定律 – 维恩（Wien）位移定律 – 基尔霍夫（Kirchhoff）定律
§2.2.1普朗克定律
W•m-2•μm-1•sr-1
• 在统计力学中，系统的宏观性质是相应的微观量的统计平均值。当系 统处于热力学平衡时，系统内的每个分子仍在处于不停的运动中，系 统的微观状态也在不断地发生变化，只是分子微观运动的某些统计平 均值不随时间而改变。
• 基尔霍夫定律不成立的情况： 1. 非常高的大气层处，因为那里的分子碰撞非常少。
2.
能在大气中的传输是一个重要过程，尤其是在涉及到云和气溶
胶时。
消 光
光吸收(absorption)：当光通过材料时，光与材料中的原子 （离子）、电子相互作用时即可发生光的吸收。
消光(extinction)：散射和吸收两种作用从介质中传播的光 束内移除能量，光束被衰减，称之为消光。
截面的概念
散射现象分类-2
散射光波矢量和波长同时变化：
瑞利散射 斯托克斯过程
抗斯托克斯过程
布里渊散射
拉曼散射
• 1928年拉曼在液体和气体中观察到散射光频率发生改变的现象，
成为拉曼散射。
• 拉曼散射遵守如下规律：散射光中在原始入射谱线（频率为ω0） 两侧对称地伴有频率为ω0±ωi(i=1,2,3,…)的一组谱线，长波一侧 的谱线称红伴线或斯托克斯线，短波一侧的谱线称紫伴线或反斯 托克斯线，统称拉曼谱线；频率差ωi与入射光频率ω0无关，仅由 散射物质的性质决定。每种物质都有自己特有的拉曼谱线，常与
2. 宽波段发射率 ε：主要在能量传输计算方面（主要关心 辐照度、通量）
灰 体
§2.2.4基尔霍夫定律
介质可以吸收特定波长的辐射，同时也能发射同样波长的辐射， 发射速率是温度和波长的函数。这是热力平衡条件下介质的基
本性质。
我们考虑一个具有黑色器壁的完全绝热的封闭体。假定该系统 达到热力学平衡态，具有均一的温度和各向同性辐射。因为器 壁是黑色的，所以它吸收了系统向他发射的辐射；又因为这时 达到热力学平衡态，所以器壁也要发射出与它吸收的辐射相等 量的辐射。由于黑体吸收尽可能多的辐射，所以它必须发射同 样多的辐射。如果它发射的较多，则不可能达到平衡，这将违 背热力学第二定律。
这个原则被很好的应用到以正弦函数为基函数的傅立叶分 解。因此，我们不仅仅可以把任意电磁波看作成有一系列不同角 频率的正弦函数组成的混合波，我们甚至可以追踪每种频率分量 的传播。 这一点对大气辐射传输意义重大：在计算、模拟电磁波和 云、水汽、氧气、二氧化碳等相互作用的时候，我们一次仅考虑 一个单一频率（波段），然后再把所有相关频率的结果求和。
兰州大学大气科学学院专业必修课-《大气辐射与遥感》
第二章
大气辐射基础知识
授课人： 葛觐铭 2015·春季
第二章 大气辐射基础知识
§ 2.1 电磁辐射的性质
§ 2.1.1 电磁波
§ 2.1.2 立体角
§ 2.1.3 基本辐射量 § 2.1.4 散射和吸收的概念
§ 2.2 黑体辐射定律
§ 2.2.1普朗克定律
• 大多数的固体黑体：
• 镜体或白体：
• 透明体：
镜反射与漫反射
课后作业
发射(emission)
吸收(absorption)
透过(transmission)
反射(reflection)
§ 2.2 黑体辐射定律
黑体的定义
• 黑体：是指能吸收 投入到其面上的所 有热辐射能的物体， 是一种科学假想的 物体，现实生活中 是不存在的。但却 可以人工制造出近 似的人工黑体。
横波
电磁波：运动的电场 <==> 磁场
电磁波的性质
电磁波频谱
γ射线
X射线
紫外线
红外线
微波
电视信号及无线电波
可见光
大多数情况，电磁波段的划分是人为的，彼此之间并没有显著的物理差异！
γ射线和X射线
紫外线（UV）
UV-A
占所有太阳紫外辐射的99%，大气对其透 明，对生物体无害 99%的UV-B会被平流层O3吸收，对组织和 细胞DNA有害 几乎所有的UV-C会被中层大气和平流层上 层大气吸收，会把氧气离解成为氧原子。
• 消光截面(cross section)：与粒子的几何面积类似，是一个 假象区域（量纲L2），用来表示粒子从初始光束中所移除 的能量大小。即单个粒子的消光能力。 I Iσs • 消光界面的大小，取决于光的波长、粒子的介电常数，形 状和大小等。 • 消光截面=散射截面+吸收截面
• 质量消光截面(mass extinction cross section)：当截 面相对单位质量而言时，它的单位是每单位质量
F
MT-3
I
MT-3
• 辐射通量（radiation flux）：指单位时间通过某一平面的辐 射能（各种波长的电磁波传输的能量），也称为辐射功率。 由某一发射面发出的总通量通常称为发光度（luminosity）。 • 辐射通量密度（radiation flux intensity）：单位面积的辐射 通量称为辐射通量密度，也称为辐照度（irradiance）。当