AP04大气中的辐射.ppt

1、第五章 地面和大气中的辐射过程,5.3 地球大气与辐射的相互作用,重点： 吸收光谱 散射特征 布格定律 相关物理量,5.3.1 大气吸收的物理过程,吸收: 投射到介质上面的辐射能中的一部分被转变为物质本身的内能或其它形式的能量。介质：大气中有各种气体成分及气溶胶粒子大气成分对辐射具有选择吸收的特性，是由分子和原子结构及其所处运动状态决定的。,气体分子或原子内的电子能级跃迁、原子和分子的振动和转动等所发射和吸收的辐射谱是非连续性的，构成原子的线光谱和分子的带光谱。单个分子，当它处于某一特定运动状态时，其分子内部总能量E由三部分组成：Ee：外层电子的动能和静电位能；Ev：原子在其平衡位置附近振动的

2、能量；Er：分子绕其质量中心转动的能量。,分子光谱,An electron some distance from a nucleus has a particular value of potential energyBased on distance from 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

3、 also true. When an electron gives up energy 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 are the sum of two other frequencies

4、 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 Paschen,辐射频率f及波数与能量变化的关系是f和为分子吸收或发射谱线的位置。这种谱线由有限个非常窄的吸收线或发射线组成，其间夹杂该分子不可能发射和吸收的光谱间隙。吸收光谱与发射光谱是一致的。实际分子的转动跃迁常伴随着振动跃迁发生。振动带内存在转动谱线

5、，而转动和振动能量的变化又常伴随着电子能级跃迁。,表5.3 分子的能级跃迁与吸收线中心波数和波长,“15 um motion”,Some Energy States of Water Molecules,. of Carbon Dioxide Molecules,Vibration modes of carbon dioxide. Mode (a) is symmetric and results in no net displacement of the molecules center of charge, and is therefore not associated with the

6、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 thus responsible for making CO2 a greenhouse gas.,N2和O2分子：对称的电荷分布，没有振动或转动谱。其吸收和发射谱由电子轨道跃迁造成，位于紫外和可见光辐射区。H2O分子的原子呈三角形分布，是

7、极性分子，有三种振动方式。这三种振动过程都引起电偶极距变化，产生吸收和发射，而转动和振动态的结合使得水汽的吸收谱十分复杂。CO2分子为线型对称分子，也有三种振动方式，但没有转动带。,分子光谱举例,谱线增宽：自然增宽、压力增宽、多普勒增宽,自然增宽：没有任何外界因素作用，谱线本身也必然具有一定的宽度，这是由于能级具有一定的宽度造成的（测不准原理）。压力加宽(碰撞加宽)在对流层和平流层大气中，由于分子、原子或离子处于不断的无规则运动中，频繁碰撞的结果导致发射辐射的位相发生无规则变化，而使谱线加宽。压力加宽与T、P有关，由于大气压力的变化比温度的变化大得多，碰撞加宽的谱线宽度随压力的变化是主要的。,

8、多普勒增宽：由作热运动的分子发射辐射的Doppler频移引起。分子不停地向各个方向以不同速度作无规则运动，即使每个分子所发射的辐射频率相同，但因相对速度的原因使不同运动速度的分子的辐射之间有一定的频率差异，从而引起辐射谱线有一定程度的增宽。与T有关，与P无关。,实际大气，谱线的Doppler加宽和压力加宽同时存在。30km以下大气，谱线加宽主要由压力加宽效应决定；在大气高层（50km以上），Doppler加宽主要在平流层上层和中间层相当厚的一层大气中，压力加宽与Dopplar加宽同等重要，即Doppler-Lorentz混合线型， 称为Voigt线型函数。,吸收系数,单个粒子的吸收截面ab 粒

9、子所吸收的辐射通量相当于面积ab从入射辐射场中所截获的辐射通量。体积吸收系数：单位体积中各粒子吸收截面之和（ka=Nab）。质量吸收系数：单位体积中各粒子吸收截面之和；单位质量的吸收物质（1cm2气柱中）吸收了原辐射能的份数。加宽作用使得吸收带中谱线互相重叠，在每一波数处的吸收系数实际多使用一波数间隔内的平均值。,选择性吸收太阳短波辐射：H2O、O2、O3 地气长波辐射：H2O、CO2、O3气体吸收对大气辐射平衡的重要性取决于：吸收线的强度吸收气体的含量及其空间分布。,5.3.2 大气吸收光谱,H2O吸收约20%的太阳能量几乎覆盖长波辐射整个波段吸收作用主要在对流层，特别是对流层下层。液态水：

10、吸收带与气态对应，波段向长波方向移动。,5.3.2 大气吸收光谱（H2O）,大于12m转动带,6.3m振动带,O2主要在小于0.25m的紫外区：舒曼-龙格吸收带0.125-0.2m，赫兹堡带0.24-0.26m。因小于0.25m的太阳辐射能量不到0.2%，而且O2在可见光波段的两吸收带较弱，所以对太阳辐射的削弱不大。O3 强吸收带在紫外区：哈特来带最强0.220.30m；哈金斯带较弱0.32-0.36m；可见光区：查普斯带较弱。臭氧层吸收太阳辐射的2%平流层温度高的原因。红外区：4.7m、9.6m 、14.1m较强吸收带。,5.3.2 大气吸收光谱（ O2 和O3 ）,CO2吸收主要分布在大于

11、2m的红外区：较强中心为 2.7m、4.3m 和15m（最重要）。,5.3.2 大气吸收光谱（ CO2等）,紫外波段：O2、O3把0.29m以下的紫外辐射几乎全部吸收可见光波段：只有非常少量的吸收红外波段：主要是水汽的吸收，其次是CO2和CH4。 14m以外的辐射不能透过大气传向外空。,大气透明窗或大气光谱窗：812m大气的吸收很弱大气窗区对地气系统的辐射平衡有十分重要的意义：地表的温度约300K，与这个温度相对应的黑体辐射能量主要集中在10m这一范围，通过窗区，地面发出的长波辐射可顺利地被发送到宇宙空间。,5.3.2 大气吸收光谱（大气透明窗）,光化反应：分子吸收足够的辐射能分裂为原子；不稳

12、定的原子结合成较稳定的分子释放多余的辐射能光化反应所要求的辐射波谱可以为连续谱，只要其中的波长短到使一个光子所提高的化学能足以造成分子的光解。其它能量转化为原子的动能，使气体的温度增高。地球大气中，大多数光化反应需要有紫外辐射和可见光辐射。,光致电离：任何原子都能被波长非常短的辐射所电离。具有足够能量的光子把电子从绕原子核旋转的外层轨道上剥离开来，这种过程称为光致电离。也象光化反应那样，光致电离要求辐射具有低于一定的临界能量波长的连续波。引起电离的辐射波长通常小于0.1m。,气体分子以及气溶胶粒子内含有多个分立的电子和质子，当电磁波照射到粒子上后，使正负电荷中心产生偏移，构成电偶极子或多极子，

13、并在电磁波激发下作受迫振动，向各方向发射次生电磁波。这种次生电磁波就是散射辐射。特点：散射波长和原始波相同，并与原始波有固定的位相关系。散射和吸收不同：它不产生分子内能状态的变化，应以电磁波理论和物质的电子理论来解释（Mie理论）；吸收是因能态发生变化而产生的，需要用量子理论来解释。散射不是选择性的，它在电磁波谱的各个波长上都会发生，因而是全波段的。,5.3.3 大气对辐射的散射,Scattering - Example,Purely absorbing,With Scattering,Photon pathlength L,Photon pathlength = L,L,1. 散射过程的分类

14、,定义无量纲尺度参数当50：几何光学：折射。如大雨滴对可见光的折射、反射。,单个粒子的散射截面sc：表示当有辐照度为E的辐射射入时，将把Esc的能量散射到四面八方，而使入射波的能量减少Esc 。若单位体积中有N个相同的颗粒，则总散射掉的辐射能为 ENsc 。单位体积散射削弱系数ks：单位体积中所有粒子散射截面之和。,2散射削弱系数,对于不同大小的气溶胶散射粒子：大气对辐射的散射削弱作用的大小取决于两个因素，即单位体积中散射颗粒物的多少以及每个散射粒子的散射截面。散射截面、散射系数与尺度参数a和复折射（指数）率m有关。,2散射削弱系数,复折射指数 (m = n - ik) ，其中n代表散射，k代

15、表吸收。If k is equal 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强度和波长的4次方成反比，这也是天空为什么是蓝色的原因。散射光强度和粒子体积的平方成正比。当入射光为自然光时，前后向散射呈对称分布。散射光有很高的偏振度。,散射削弱系数与波长的4次方成反比，波长越短，分子散射削弱越强。例题 计算蓝光与红光的散射削弱系数之比。,可见蓝光的散射比红光要强9倍以上，这就是晴天天空呈蓝色的原因。而太阳的直接辐射光在通过

16、地球大气时，由于分子散射对蓝光的削弱要远大于对红光的削弱，从而使人们看到的日盘的颜色要向红色偏移。特别是当太阳处于地平附近时，太阳辐射所经过的大气路径远大于正午时刻，所以其颜色是红色的而不是金黄色的。,Lord Rayleigh 1842-1919(John William Strutt)英国物理学家1871：Rayleigh Scattering光学 声学 电学 热力学1904 Nobel Prize,（2）米散射（大粒子散射）,假设：粒子是球体；介质均匀。球状粒子的散射特性取决于粒子的相对尺度数a和粒子介质复折射指数m 。米散射理论是球状粒子散射的通用理论。散射效率因子：粒子的散射截面与粒

17、子几何截面之比。,假论一般大气条件下粒子是独立散射的，则单位体积中粒子的总散射截面就是各粒子散射截面之和，即得到散射系数,米散射的主要特点随着粒子尺度数a的增大，前向散射光在总散射光中的比值迅速增大，这就是所谓米效应。前向散射光基本上不改变入射光的偏振状态，当入射光是自然光时，前向散射光也是非偏振的。散射光偏振度最大的方向出现在散射角为85 120之间。在吸收不强时，散射效率Qsc随x的增大呈振动状态变化，最后趋向于2，即散射截面是几何截面的二倍。但当吸收增强时，Qsc曲线上的振动消失了。散射截面随波长而变。当a很小时，和瑞利散射一样，与波长四次方成反比；当a增大时，逐渐变为和n (0n 4)

18、；最后当a相当大时，和波长无明显关系。,Gustav Mie (1868-1957) 德国物理学家1908：Mie theory,Nitrogen Dioxide Haze,Nitrogen Dioxide Plume,5.3.4 辐射能在介质中的传输,布格-朗伯-比尔（Bouguer-Lambert-Beer）定律,上述的指数削弱规律可适用于任何原因引起的辐射衰减。对于由散射和吸收引起的衰减，可写为,式中kex,= ksc,+ kab,，称为衰减系数。布格朗伯定律是下面研究太阳直接辐射削弱的基础，非常重要。,物质对光吸收的定量关系很早就受到了科学家的注意并进行了研究。皮埃尔布格（Pierre

19、 Bouguer）和约翰海因里希朗伯（Johann Heinrich Lambert）分别在1729年和1760年阐明了物质对光的吸收程度和吸收介质厚度之间的关系；1852年奥古斯特比尔（August Bier）又提出光的吸收程度和吸光物质浓度也具有类似关系，两者结合起来就得到有关光吸收的基本定律布格朗伯比尔定律，简称比尔朗伯定律。,Pierre Bouguer,Johann Heinrich Lambert,August Bier,2. 辐射传输的有关物理量,光学厚度：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。,对于某一波长，光学厚度为,整层大气光学厚度,则布格-朗伯可写为,光学质量：辐射束沿传输路径在单位截面上所通过的吸收或散射气体的质量，称为光学质量（optical mass），常以u表示。 日光垂直入射时，利用均质大气的概念，可将海平面以上整层大气的光学质量写为,2. 辐射传输的有关物理量,(3)单色透射率和单色吸收率辐射通过一段大气路径后，辐射通量密度之比常将整层大气在垂直方向的透过率称为透明系数,2. 辐射传输的有关物理量,透射率函数光谱间隔内的平均透过率,习题,P120 习题8 习题9,