1、第五章第五章地面和大气中的辐射过程地面和大气中的辐射过程5.3 5.3 地球大气与辐射的相互作用地球大气与辐射的相互作用重点：重点：吸收光谱、散射特征、布格定律吸收光谱、散射特征、布格定律相关物理量相关物理量5.3.1 5.3.1 大气吸收的物理过程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大气中有各种气体成分及气溶胶粒子对辐射具有选择吸收的特性是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气体分子或原子内的电子能级跃迁电子能级跃迁、原子和分子、原子和分子的的振动和转动振动和转动等所发射和吸收的辐射谱等所发射和吸收的辐射谱是非连续
2、是非连续性的性的，构成，构成原子的线光谱原子的线光谱和和分子的带光谱分子的带光谱。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，其分子内部总能量子内部总能量E E由三部分组成由三部分组成E =Ee+Ev+Er（5.3.1） Ee：绕原子核转动的外层电子的动能和静电位能绕原子核转动的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能量原子在其平衡位置附近振动的能量Er：分子绕其质量中心转动的能量分子绕其质量中心转动的能量 分子光谱分子光谱原子光谱原子光谱能级基态：能量最低激发态原子光谱原子光谱跃迁辐射频率辐射频率f及波数及波数 与能量改变的关系是与能量改
3、变的关系是f和和 为分子吸收或发射谱线的位置。这种谱线由有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。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吸收光谱与发射光谱是一致的分子光谱分子光谱rverve/ )(fffhEEEfrverve/ )(hcEEE实际分子的转动跃迁常伴随着振动跃迁发生实际分子的转动跃迁常伴随着振动跃迁发生在一个振动带内有许多转动谱线，而转动和振动在一个振动带内有许多转动谱线，而转动和振动能量的变化又常伴随着电子能级跃迁能量的变化又常伴随着电子能级
4、跃迁使相应的谱带更呈现出复杂的带系结构。使相应的谱带更呈现出复杂的带系结构。分子光谱分子光谱表表5.3 分分子子的的能能级级跃跃迁迁与与吸吸收收线线中中心心波波数数和和波波长长 能能级级跃跃迁迁 电电子子跃跃迁迁 Ee 振振动动 Ev 转转动动 Er 能能量量差差(eV) 120 0.051 10 40.05 吸吸收收线线中中心心波波长长 0 0.0621.24 m 1.24 24.8 m 24.8 12.4cm 吸吸收收线线中中心心波波数数 0(cm 1) 1612908064.5 8064.5403.2 403.20.8064 N N2 2和和O O2 2分子：对称的电荷分布分子：对称的电
5、荷分布没有振动或转动谱。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。和可见光辐射区。分子光谱分子光谱举例举例分子光谱分子光谱举例举例H2O分子的原子呈三角形分布，是极性分子，有三分子的原子呈三角形分布，是极性分子，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。其中第一、三种为伸得水汽的吸收谱十分复杂。其中第一、三种为伸缩振动，第二种是弯曲振动缩振动，第二种是弯曲振动O3分子
6、的原子也呈三角形分布，有三种振动方式，分子的原子也呈三角形分布，有三种振动方式，其中其中9.6 m的振动的振动 转动带比较重要。转动带比较重要。分子光谱分子光谱举例举例分子光谱分子光谱举例举例CO2分子是以分子是以C原子为中心，原子为中心，O原子位于两侧的线型对称原子位于两侧的线型对称分子，也有三种振动方式，但没有转动带。分子，也有三种振动方式，但没有转动带。第一种方式是对称振动，因正、负电荷中心仍然重合，不第一种方式是对称振动，因正、负电荷中心仍然重合，不产生电偶极距变化，故不吸收和发射辐射；第二种是弯产生电偶极距变化，故不吸收和发射辐射；第二种是弯曲振动，电偶极距发生了变化，因而产生极强的
7、吸收和曲振动，电偶极距发生了变化，因而产生极强的吸收和发射，波数为发射，波数为 2=667 cm 1，波长，波长 2=15 m；第三种是反；第三种是反对称振动，电偶极距也发生了变化，故也有强烈的吸收对称振动，电偶极距也发生了变化，故也有强烈的吸收和发射，波数为和发射，波数为 3=2349 cm 1，波长，波长 3=4.3 m。 分子光谱分子光谱举例举例5.3.2 5.3.2 大气吸收光谱大气吸收光谱谱线增宽谱线增宽谱线增宽谱线增宽1 1、自然增宽：、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
8、宽度，这是由于能级具有一定的宽度造成的（测不准原理）。准原理）。2 2、压力加宽、压力加宽( (碰撞加宽碰撞加宽) )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。辐射的位相发生无规则变化，而使谱线加宽。压力加宽与压力加宽与T T、P P有关，由于大气压力的变化比温度的有关，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变化大得多，碰撞加宽的谱线宽度随压力的变化是主要的主要的谱线增宽谱线增宽3、Do
9、ppler增宽增宽由作热运动的分子发射辐射的由作热运动的分子发射辐射的DopplerDoppler频移引起。频移引起。分子不停地向各个方向以不同速度作无规则运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。有一定程度的增宽。与与T T有关，与有关，与P P无关无关谱线增宽谱线增宽谱线增宽谱线增宽在实际大气中，谱线的在实际大气中，谱线的Doppler
10、Doppler加宽和压力加宽加宽和压力加宽同时存在同时存在在大气低层（在大气低层（30km30km以下），谱线加宽主要由压以下），谱线加宽主要由压力加宽效应决定；在大气高层（力加宽效应决定；在大气高层（50km50km以上）以上） ， DopplerDoppler加宽主要加宽主要在平流层上层和中间层相当厚的一层大气中，在平流层上层和中间层相当厚的一层大气中，压力加宽与压力加宽与DopplarDopplar加宽同等重要：加宽同等重要：Doppler-LorentzDoppler-Lorentz混合线型，称为混合线型，称为VoigtVoigt线型函线型函数。数。谱线参数谱线参数基线或零线谱线的宽度
11、：半宽度极大值的1/2处之间的一半，它主要是压力和温度的函数谱线形状线强形状因子0()kSfSk d0()f吸收系数吸收系数单个粒子的吸收截面单个粒子的吸收截面s sab 粒子所吸收的辐射通量相当于面积粒子所吸收的辐射通量相当于面积s sab从入射辐从入射辐射场中所截获的辐射通量。射场中所截获的辐射通量。体积吸收系数体积吸收系数单位体积中各粒子吸收截面之和（单位体积中各粒子吸收截面之和（kab=Ns sab）质量吸收系数（质量吸收系数（p81p81）单位质量的吸收物质（单位质量的吸收物质（1cm1cm2 2气柱中）吸收了原气柱中）吸收了原辐射能的份数辐射能的份数(5.3.19)(5.3.19)
12、kMNNkab0ababab加宽作用使得吸收带中谱线互相重叠，在每一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波数处的吸收系数k 实际多使用一波数间隔内的平均值实际多使用一波数间隔内的平均值吸收系数吸收系数iikk,分子分子吸收吸收足够的辐射能分裂为原子；不稳定的足够的辐射能分裂为原子；不稳定的原子结合成较稳定的分子原子结合成较稳定的分子释放释放多余的辐射能多余的辐射能光化反应所要求的辐射波谱可以为光化反应所要求的辐射波谱可以为连续谱连续谱，只，只要其中的要其中的波长短波长短到使一个光子所提高的化学能到使一个光子所提高的化学能足以足以造成分子的光解造成分子的光解。其它能量。其它能
13、量转化为原子的转化为原子的动能动能，使气体的温度增高。，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。和可见光辐射。光化反应光化反应0.2424 m2OO+Oh f 任何原子都能被波长非常短的辐射所电离。具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，这种过程称为层轨道上剥离开来，这种过程称为光致电离光致电离。也象光化反应那样，光致电离要求辐射具有低也象光化反应那样，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。引起电离的于一定的临
14、界能量波长的连续波。引起电离的辐射波长通常小于辐射波长通常小于0.1 m。光致电离光致电离选择性吸收选择性吸收太阳短波辐射：太阳短波辐射：H H2 2O O、O O2 2、O O3 3地气长波辐射：地气长波辐射：H H2 2O O、COCO2 2、O O3 3气体吸收对大气辐射平衡的重要性取决于：气体吸收对大气辐射平衡的重要性取决于：一是吸收线的强度一是吸收线的强度二是吸收气体的含量及其空间分布。二是吸收气体的含量及其空间分布。5.3.2 5.3.2 大气吸收光谱大气吸收光谱5.3.2 5.3.2 大气吸收光谱大气吸收光谱H H2 2O O吸收约吸收约20%20%的太阳能量的太阳能量几乎覆盖长
15、波辐射整个波段几乎覆盖长波辐射整个波段6.3 m振动带振动带大于大于12 m转动带转动带5.3.2 5.3.2 大气吸收光谱大气吸收光谱H H2 2O OH H2 2O O主要集中在大气下层，吸收作用主要在对流主要集中在大气下层，吸收作用主要在对流层，特别是对流层下层层，特别是对流层下层液态水：吸收带与气态对应，波段向长波方向移动液态水：吸收带与气态对应，波段向长波方向移动5.3.2 5.3.2 大气吸收光谱大气吸收光谱O2主要在小于主要在小于0.25 m的紫外区：的紫外区：舒曼舒曼龙格（龙格（SchumannSchumann- -RungeRunge）吸收带）吸收带赫兹堡（赫兹堡（Herzb
16、ergHerzberg）带）带因小于因小于0.25 m的太阳辐射能量不到的太阳辐射能量不到0.2%0.2%，而且，而且O2在可见光波段的两吸收带较弱，所以对太阳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。辐射的削弱不大。5.3.2 5.3.2 大气吸收光谱大气吸收光谱5.3.2 5.3.2 大气吸收光谱大气吸收光谱O3强吸收在的紫外区：强吸收在的紫外区：哈特来（哈特来（HhartleyHhartley）带）带最强最强哈金斯（哈金斯（HugginsHuggins）带）带较弱较弱可见光区：查普尤（可见光区：查普尤（ChappuisChappuis）带）带较弱较弱O3层吸收太阳辐射的2%平
17、流层温度高的原因红外区：4.7 m、9.6 m 、14.1 m较强吸收带较强吸收带5.3.2 5.3.2 大气吸收光谱大气吸收光谱5.3.2 5.3.2 大气吸收光谱大气吸收光谱19321932年：严济慈采用照相光年：严济慈采用照相光度术，精确测定了臭氧在全度术，精确测定了臭氧在全部紫外区域（部紫外区域（215-345215-345纳米）纳米）的吸收系数，并发现了若干的吸收系数，并发现了若干新光带新光带国际臭氧委员会把严济慈精国际臭氧委员会把严济慈精确测定的吸收系数定为标准确测定的吸收系数定为标准值，各国气象学家用以每日值，各国气象学家用以每日测定高空臭氧层厚度的变化，测定高空臭氧层厚度的变化
18、，长达年之久长达年之久5.3.2 5.3.2 大气吸收光谱大气吸收光谱CO2大于大于2 m的红外区：的红外区：较强中心：较强中心： 2 2.7m、4.3m 、15m15m最重要5.3.2 5.3.2 大气吸收光谱大气吸收光谱5.3.2 5.3.2 大气吸收光谱大气吸收光谱紫外波段紫外波段O2、O3把把0.290.29 m以下的紫外辐射几乎全部吸收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可见光波段只有非常少量的吸收红外波段红外波段主要是水汽的吸收，其次是主要是水汽的吸收，其次是CO2和和CH4。 1414 m以外的辐射不能透过大气传向外空。以外的辐射不能透过大气传向外空。5.3.2
19、 5.3.2 大气吸收光谱大气吸收光谱大气透明窗或大气光谱窗大气透明窗或大气光谱窗8 8 12 12 m大气的吸收很弱大气的吸收很弱地表的温度约地表的温度约300K300K，与这个温度相对应的黑体，与这个温度相对应的黑体辐射能量主要集中在辐射能量主要集中在1010 m这一范围，通过窗这一范围，通过窗区，地面发出的长波辐射可顺利地被发送到宇区，地面发出的长波辐射可顺利地被发送到宇宙空间宙空间。5.3.2 5.3.2 大气吸收光谱大气吸收光谱气体分子以及气溶胶粒子内含有多个分立的电子和质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，使正负电荷中心产子，当电磁波照射到粒子
20、上后，使正负电荷中心产生偏移，构成电偶极子或多极子，并在电磁波激发生偏移，构成电偶极子或多极子，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。生电磁波就是散射辐射。特点特点：散射波长和原始波相同，并且与原始波有固定：散射波长和原始波相同，并且与原始波有固定的位相关系。的位相关系。散射和吸收不同散射和吸收不同：（：（1 1）它不产生分子内能状态的变化，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（应以电磁波理论和物质的电子理论来解释（MieMie理理论）；吸收是因能态发生变化而产生的，需要用量论）；
21、吸收是因能态发生变化而产生的，需要用量子理论来解释。（子理论来解释。（2 2）散射不是选择性的，它在电磁）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。波谱的各个波长上都会发生，因而是全波段的。5.3.3 5.3.3 大气对辐射的散射大气对辐射的散射1 1散射过程的分类散射过程的分类定义无量纲尺度参数当1时：Rayleigh散射，也称分子散射。如空气分子对短波辐射的散射。当0.1 50：几何光学：折射。如大雨滴对可见光的折射、反射。2 r1 1散射过程的分类散射过程的分类1 1散射过程的分类散射过程的分类RrayleighRrayleigh散射散射1 1散射过程的分类散射
22、过程的分类1 1散射过程的分类散射过程的分类一个粒子的散射截面一个粒子的散射截面ss，表示当有辐照度为，表示当有辐照度为E E的的辐射射入时，将把辐射射入时，将把E Ess的能量散射到四面八方，的能量散射到四面八方，而使入射波的能量减少而使入射波的能量减少E Ess。若单位体积中有。若单位体积中有 N N 个相同的颗粒，则总散射掉的辐射能为个相同的颗粒，则总散射掉的辐射能为 ENENss。单位体积中各个粒子散射截面之和称为单位体单位体积中各个粒子散射截面之和称为单位体积的散射削弱系数积的散射削弱系数k ks s 2 2散射削弱系数散射削弱系数Niik1s,ss对于不同大小的气溶胶散射粒子：对于
23、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因素，即单位体积中散射颗粒物的多少多少以及每以及每个散射粒子的个散射粒子的散射截面散射截面散射截面、散射系数与粒子尺度参数散射截面、散射系数与粒子尺度参数a a和复折射和复折射（指数）率（指数）率m m有关有关2 2散射削弱系数散射削弱系数 ss0, ,cckrm n r drs2 2散射削弱系数散射削弱系数复折射指数(m = n - ik) of a particle is defined by its chemical composition; n is
24、responsible for scattering. k is responsible for absorption. If k is equal to 0 at a given wavelength thus a particle does not absorb radiation at this wavelengthSome refractive indices of atmospheric aerosol substances at = 0.5 m. SubstancenkWater1.3330Hematite2.61.0Elemental carbon1.960.66Organic
25、carbon1.550NaCl(s)1.5440H2SO4(aq)1.530NH4HSO4(s)1.530(NH4)2SO4(s)1.520SiO21.550NOTE: hematite (赤铁矿赤铁矿) is a mineral that is a main light absorbing components of mineral dust.2 2散射削弱系数散射削弱系数2 2散射削弱系数散射削弱系数Imaginary part of the refractive indexes of some aerosol materialsNote: Main absorbing species i
26、n the SW are black carbon (Soot) and Hematite (dust), but in the LW various species have high imaginary parts of the refractive index. But overall absorption (I.e., absorption coefficients) is also controlled by particle size2 2散射削弱系数散射削弱系数（1 1）瑞利散射）瑞利散射4423sc,13)1(32CNmk460sc,100563. 1k00sc,sc,kk（1
27、 1）瑞利散射）瑞利散射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。4,4,0.704.920.47sc bluesc redkkLord Rayleigh (John William Strutt 1842-Lord Rayleigh (John William Strutt 1842-1919)1919)英国物理学家英国物理学家18711871：Rayleigh ScatteringRayleigh Scattering光学光学声学声学电学电学热力学热力学1904 Nobel Prize1904 Nobel Prize（1 1）瑞利
28、散射）瑞利散射（2 2）米散射）米散射 ( (大颗粒散射大颗粒散射) )假设：粒子是球体；介质均匀假设：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球状粒子的散射特性取决于粒子的相对尺度数数a a和和粒子介质粒子介质复折射指数复折射指数m m 。米散射理论是球状粒子散射的通用理论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子几何散射效率因子：粒子的散射截面与粒子几何截面之比截面之比2scsc rQ（2 2）米散射）米散射 ( (大颗粒散射大颗粒散射) )（2 2）米散射）米散射 ( (大颗粒散射大颗粒散射) )假论一般大气条件下粒子是独立散射的，则假论一般大
29、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，即得到散射系数射截面之和，即得到散射系数scsc02sc0( , )( )d( , )( )dkrn n rrr Qrn n rrsbCkscGustav Mie (1868-1957)Gustav Mie (1868-1957)德国物理学家德国物理学家19081908：Mie theoryMie theory（2 2）米散射）米散射 ( (大颗粒散射大颗粒散射) )5.3.45.3.4辐射能在介质中的传输辐射能在介质中的传输1.1.布格布格- -朗伯（朗伯（Beer-Bougu
30、er-LanbertBeer-Bouguer-Lanbert）定律）定律衰减系数衰减系数削弱系数削弱系数消光系数消光系数a ,ddbEEkl1a .0d,0ebkllEEa ,ddbEEkl1a .0d,0ebkllEE1. Beer-Bouguer-Lanbert law1. Beer-Bouguer-Lanbert lawPierre BouguerPierre Bouguer1698-17581698-1758versatile French versatile French scientist best scientist best remembered as one remember
31、ed as one of the founders of of the founders of photometry, the photometry, the measurement of measurement of light intensities. light intensities. 1. Beer-Bouguer-Lanbert law1. Beer-Bouguer-Lanbert lawAugust BeerAugust Beer(1825-1863) (1825-1863) German German mathematician, mathematician, chemist,
32、 chemist, physicistphysicist2. 2. 辐射传输的有关物理量辐射传输的有关物理量(1)(1)光学厚度光学厚度,00ddllexexklkl00ddllexexklkl2. 2. 辐射传输的有关物理量辐射传输的有关物理量(1)(1)光学厚度光学厚度,0elEE ,000ddexexkzzkzz2. 2. 辐射传输的有关物理量辐射传输的有关物理量(2)(2)光学质量光学质量辐射传输路径上气体的质量辐射传输路径上气体的质量llu0d00duzHuklEE,0e0 ,2. 2. 辐射传输的有关物理量辐射传输的有关物理量(2)(2)光学质量光学质量标准状态下厚度标准状态下厚度0dlsul2. 2. 辐射传输的有关物理量辐射传输的有关物理量(3)(3)单色透射率和单色吸收率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常将整层大气在垂直方向的透过率称为透明系数透明系数0,0eekulEE0,11ekuA 0,0,0,1e1(1)kuAkuku 2. 2. 辐射传输的有关物理量辐射传输的有关物理量透射率函数透射率函数光谱间隔内的平均透过率光谱间隔内的平均透过率2121,0lE dEd0,111,kul deded 习题习题P120习题8习题9
