1,第四章 红外辐射在大气中的传输,2,红外辐射在大气中的传输问题一直受到人们的普遍重视。这是因为红外辐射自目标发出后，要在大气中传输相当长的距离，才能达到观测仪器，由此总要受到大气中各种因素的影响，给红外技术的应用造成限制性的困难。,3,景物,光学系统,探测器,大气传输,景物的红外辐射在大气中传输时，由于大气对红外辐射的吸收和散射而导致红外辐射的衰减。本章将讨论大气对红外辐射的吸收与散射。,4,红外辐射在大气中传输时，主要有以下几种因素使之衰减： （1）在0.20.32m的紫外光谱范围内， 光吸收与臭氧的分解作用有联系。 （2）在紫外和可见光谱区域中，由氮分子和氧分子所引起的瑞利（Rayleigh)散射是必须要考虑的。 （3）粒子散射或米（Mie)氏散射。 （4）大气中某些元素原子的共振吸收 。 （5）分子的带吸收是红外辐射衰减的重要原因。,5,1 大气的基本组成 包围着地球的大气层，每单位体积中大约有78%的氮气和21%的氧气，另外还有不到1%的氩（Ar）、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、一氧化二氮(N2O)、甲烷(CH4)、臭氧(O3)、水汽(H2O)等成分。除氮气、氧气外的其他气体统称为微量气体。 除了上述气体成分外，大气中还含有悬浮的尘埃、液滴、冰晶等固体或液体微粒，这些微粒通称为气溶胶。,6,2 大气的气象条件 所谓大气的气象条件，是指大气的各种特性，如大气的温度、强度、湿度、密度等，以及它们随时间、地点、高度的变化情况。 右图表示了海拔100km内大气温度随高度变化的情况。,7,本章目录,4.1 大气组成 4.2 大气对红外辐射的吸收衰减 4.3 大气对红外辐射的散射衰减 4.4 大气透射率的计算举例,8,4.1 大气组成,4.1.1 一些基本关系式 一、混合比与分子量 大气中各气体成分的含量，常用相对于干空气(不计水汽)的混合比来表示。 设干空气：某气体成分 分子量： Mt分子量：Mi 密度：t密度： i 压强：P分压强：pi 绝对温度：T 则有 称为该气体的质量混合比，简称混合比。,9,体积混合比qi*：与干空气处于相同温度和压力下的某种气体的体积Vi与干空气体积V 之比。由于大气可看成理想气体，所以有 干空气的分子量与各气体成分的分子量之间的关系： 下表为大气成分表。,10,11,二、厘米N.T.P. (或厘米S.T.P.) 海平面上单位截面积垂直气柱内各成分的总含量常表示为Wsi，单位是克厘米-2，使用时常直接写成克。 Wsi的另一种表示形式是：表示成所谓“标准状态”下的厘米数，叫做厘米N.T.P.或厘米S.T.P.，它是将含量为Wsi的某气体成分化到标准状态(P0=1个大气压，T0=273.15K)在单位截面上所占有的高度Wsi*。设标准状态下该气体成分的密度为0i ，显然,12,因为大气在很高的精度下可以认为是静力平衡的，设g为重力加速度(取为980.665厘米秒-2)，而地面上气压的标准值为Ps=P0，则干空气的总含量的标准值为： Wst=P0/g=(1013.25毫巴103)/980.665=1.033 103克厘米-2 该值叫做一个大气质量。 利用该值可以方便地求出混合比随高度不变的气体成分的总含量标准，即 及,13,三、温度 大气温度的垂直分布，可大致由中纬度年平均值表示，叫做“标准大气”。 对流层(10km以下)中，每增加一公里，温度下降约6.5度。 由对流层顶到平流层，先是等温和逆温层(高度增加温度升高)，到臭氧层内，温度不断上长，到50km达到极大值0C，再向上递减，至8090km，达到最低值(约-93C)，然后急增到230730C之间。在电离层以上，可认为是等温的。 四、压力和密度 压力和密度随高度的增加呈指数式下降，高度每增加16公里，压力和密度差不多下降到原来的10%。,14,15,2.1.2 红外吸收谱 组成大气的主要成分是N2、O2、Ar(氩),由于它们是对称分子，振动时不吸收15um以下的红外线。 引起强烈红外吸收的分子有，H2O, CO2, O3, CH4, N2O, CO等。其中吸收最强的是H2O(非干空气), CO2。 H2O：强吸收带2.7um, 6.3um；不太强的吸收带0.54, 0.72, 0.81, 0.85, 0.94, 1.1, 1.38, 1.87, 3.2um CO2：强吸收带4.3um, 15um; 不太强的吸收带0.781.24, 1.4, 1.6, 2.0, 2.7, 4.8, 5.2, 9.4, 10.4um O3: 强吸收带9.6um；不太强吸收带2.7, 3.28, 3.57, 4.75, 5.75, 9.1, 14um。 NO2：强吸收带4.5um, 7.8um。 CH4：强吸收带3.2um,7.6um。 CO：强吸收带4.8um。 三个大气窗口：22.6um, 35um, 814um。,16,17,重要吸收气体的分布： H2O：集中在3、4公里以下的大气层中，海平面上含量可达3%。10公里以上基本不用考虑H2O的吸收。 CO2：约占大气体积的0.033%，在大气层50公里内基本均匀分布(靠近地面与人类活动有关)；6公里以上时，H2O含量很低，其吸收作用显著；10公里以上主要是CO2的吸收。 O3：主要集中在23公里的高度上，浓度约为0.001%。低空辐射或地面辐射基本不考虑其吸收。,18,1 水蒸气 水蒸气在大气中，尤其在低层大气中的含量较高，是对红外辐射传输影响较大的一种大气成分。虽然人眼看不见，但它的分子对红外辐射有强烈的选择吸收作用。 (1)水蒸气含量描述 (2)水蒸气的分布 水蒸气压强:水蒸气压强是大气中水蒸气的分压强，用符号pw表示，其单位是Pa。 绝对湿度:绝对湿度是单位体积空气中所含有的水蒸气的质量，通常用符号w表示，其单位为g/m3。所谓绝对湿度，是指水蒸气的密度。,19,3)饱和水蒸气压: 在由气体转变为液体过程中的水蒸气，称为饱和水蒸气。在饱和空气中，水蒸气在某一温度下开始发生液化时的压强，称为再该温度下的饱和水蒸气压，用ps表示，它就是饱和状态下水蒸气的分压强，只是温度的函数。 4)饱和水蒸气量: 某一空气试样中，处于某一温度时，单位体积内所能容纳最大可能的水蒸气质量，用s表示，其单位是g/m3。饱和空气中的水蒸气量，即饱和水蒸气密度，只与温度有关。,20,5)相对湿度:相对湿度是空气试样中水蒸气的含量和同温度下该空气试样达到饱和时水蒸气含量的比值，用百分数RH表示 （5-1） 6）露点温度:露点温度是给定空气试样变成饱和状态时的温度。,21,2.1.3 可凝水 为了计算一定的大气路径长度内水蒸气对红外辐射的吸收率(或透过率)，首先要计算出该路径长度内水蒸气的含量，而水蒸气的含量是用可凝水来计量的。 可凝水： 把单位长度某截面积的测量路径上的水蒸气压缩成相同截面积一定厚度的水层，这层水叫做“可凝水”，单位是“毫米公里-1”。 绝对湿度HA : 绝对湿度是单位体积空气中所含有的水蒸气的质量，其单位为g/m3。所谓绝对湿度，是指水蒸气的密度。,22,饱和水蒸气量s: 某一空气试样中，处于某一温度时，单位体积内所能容纳最大可能的水蒸气质量，其单位是g/m3。饱和空气中的水蒸气量，即饱和水蒸气密度，只与温度有关。 相对湿度HR: 相对湿度是空气试样中水蒸气的含量和同温度下该空气试样达到饱和水蒸气含量的比值。 可凝水W的单位是(毫米公里-1)，绝对湿度HA的单位是(g/m3)，则两者在数值上相等，即,23,表：饱和空气中的水蒸气质量s(g/m3),24,例： 设某大气试样在25C时的相对湿度为60%，测量路径长度为2km，求该路径内的总可凝水量？ 解： 查表得，25C时饱和空气中的水蒸气质量为22.8g/m3 则绝对湿度HA=60%*22.8=13.68g/m3。 得每公里可凝水量为13.68mm/km。 得2km路径内的可凝水量为13.68*2=27.36毫米。,25,2 二氧化碳 随着高度的增加，二氧化碳对红外辐射的吸收虽然减少，但不如水蒸气吸收减少得那么显著。因此，在低空水蒸气的吸收对红外辐射的衰减起主要作用；而在高空，水蒸气的吸收退居次要地位，二氧化碳的吸收变得更重要了。 3 臭氧 臭氧在大气中的形成和分解过程，决定了臭氧的浓度分布以及臭氧层的温度。,26,4 大气中的主要散射粒子 在辐射传输研究中常用的气溶胶尺度谱模式有以下两种： （1）Diermendjian谱模式，其公式为 （5-2） 其中N为单位体积中的粒子数，r为粒子半径，a,b,是依来源而定的常数。,27,（2）Junge谱模式，其公式为 （5-3） 式中c、是谱参数，c一般取24，与总浓度有关 （3）对数正态谱模式 （5-4） 式中、R是谱参数。,28,介质中的辐射场强度与介质的透过率密切相关。因此，研究因大气的吸收和散射对辐射产生的衰减是非常重要的。本节将研究大气吸收产生的衰减 为了确定给定大气路程上分子吸收所决定的大气透射率，可以有如下几种方法： （1）根据光谱线参数的详细知识，一条谱线接一条谱线地做理论计算； （2）根据带模型，利用有效的实验测量或实际谱线资料为依据，进行理论计算； （3）在所要了解的大气路程上直接测量； （4）在实验室内模拟大气条件下的测量。,4.2 大气对红外辐射的吸收衰减,29,1 大气的选择吸收 由于大气对红外辐射的吸收，可以用各种不同强度的重叠光谱线组成的离散带来表征，重叠的程度取决于谱线的半宽度，而这些谱线在整个吸收带内的分布取决于吸收分子，因而才出现不同吸收带。 大气的红外吸收的特点是具有一些离散的吸收带，而每一吸收带都是由大量的，而且有不同程度重叠的各种强度光谱线组成的。这些谱线重叠的程度与半宽度有直接的关系，并且还与谱线的间隔有关系，当然与谱线的实际线型也是有关的。谱线的半宽度是与气压、温度等气象条件有关的。至于谱线的位置以及谱线的强度分布则与吸收分子的种类有关。,30,4.2.1 途径吸收的一般方程 一束波长为的红外光透过厚度为L的大气时会产生衰减，其透过率可表示为 其中(,x)为衰减系数，衰减是由于大气中气体分子的吸收作用及气体分子、悬浮粒子的散射作用引起的，所以 其中(,x)为单位路径长度的吸收系数， (,x)为单位路径长度的散射系数。,31,实验证明： (,x)与吸收气体浓度(x)成正比: 其中(,x)为每克吸收气体分子的吸收系数，叫做吸收截面(单位为厘米2克-1)。 将波长换成波数表示，如果只考虑吸收，则波数为的红外线通过长度为L的途径后的透过率为： 在波数间隔内的平均透过率为：,32,而相应的平均吸收率为： 可见要计算吸收系数，需要知道(,x)的形式。 对于单谱线吸收，常用的模型有洛伦兹模型、多普勒模型和混合型(洛伦兹-多普勒模型)； 知道了单吸收线的形状后，可采用逐线积分法计算多条谱线的吸收； 为了计算的方便，也可以采用波带模型计算：常用的波带模型有：埃萨瑟模型、随机模型、随机埃萨瑟模型和准随机模型。,33,4.2.2 利用大气透过率表计算大气的吸收 表格法计算大气的吸收，利用红外和大气工作者编制的大气透过率表格可以方便地计算大气吸收。根据人们的实验数据，采用适当的近似，已经整理出各种形式的大气透射率数据表。 低空选择性吸收的主要大气成分是H2O和CO2，则任意波长片透过率的值为表中查到的H2O和CO2透过率的乘积，即,34,注意：表中的值只表示海平面水平路径上的透过率，不代表一定高度上的透过率。 要计算一定高度水平路径上的透过率，需要进行修正(高度修正)： 在高度为h的水平路程x所具有的透射率等于长度为x0的等效海平面上水平路程的透射率，用数字表达式可以表示为 其中 k=0.5(对H2O)或1.5(对CO2)；P0是海平面上