(ap04)大气中的辐射.ppt

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 energy Based on distance from the nucleus and the size of the electric field If you give the electron more energy, it gain potential energy and will move farther away from the nucleus!!! The opposite is 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 another It “jumps” instantaneously Also explains why some frequencies of light emitted by hydrogen are the sum of two other frequencies 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 Lyman Infrared Paschen,,,,,Emission spectrum of H,Light Bulb,Hydrogen Lamp,Quantized, not continuous,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，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,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。

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σab 粒子所吸收的辐射通量相当于面积σab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=Nσab ） 质量吸收系数（p81） 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(5.3.19),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k实际多使用一波数间隔内的平均值,吸收系数,分子吸收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化反应,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0.1m光致电离,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： 一是吸收线的强度 二是吸收气体的含量及其空间分布5.3.2 大气吸收光谱,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 6.3m振动带 大于12m转动带,5.3.2 大气吸收光谱,,,H2O H2O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 液态水：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,O2 主要在小于0.25m的紫外区： 舒曼-龙格（Schumann-Runge）吸收带 赫兹堡（Herzberg）带 因小于0.25m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。

5.3.2 大气吸收光谱,5.3.2 大气吸收光谱,O3 强吸收在的紫外区： 哈特来（Hartley）带—最强 哈金斯（Huggins）带—较弱 可见光区：查普尤（Chappuis）带—较弱 O3层吸收太阳辐射的2%—平流层温度高的原因 红外区： 4.7m、9.6m 、14.1m较强吸收带,5.3.2 大气吸收光谱,5.3.2 大气吸收光谱,CO2 大于2m的红外区： 较强中心： 2.7m、4.3m 、15m 15m最重要,5.3.2 大气吸收光谱,,,,紫外波段 O2、O3把0.29m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 14m以外的辐射不能透过大气传向外空5.3.2 大气吸收光谱,大气透明窗或大气光谱窗 8 — 12m大气的吸收很弱 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10m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,,整层大气的吸收光谱,11km高度以上大气的吸收光谱,整层大气中不同气体成份的吸收光谱,太阳和地球的黑体辐射,,,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，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，并且与原始波有固定的位相关系 散射和吸收不同：（1）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2）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,Lambert- Beer Law does not apply here!!! Need to calculate true pathlength of light,Photon pathlength >> L,Photon pathlength = L,,,L,1. 散射过程的分类,定义无量纲尺度参数当α50：几何光学：折射如大雨滴对可见光的折射、反射1．散射过程的分类,,,,一个粒子的散射截面σsc，表示当有辐照度为E的辐射射入时，将把Eσsc的能量散射到四面八方，而使入射波的能量减少Eσsc 若单位体积中有N个相同的颗粒，则总散射掉的辐射能为 ENσsc 。

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ks,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、散射系数与粒子尺度参数a和复折射（指数）率m有关,2．散射削弱系数,2．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 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 wavelength.,Some refractive indices of atmospheric aerosol substances at l = 0.5 mm.,NOTE: hematite (赤铁矿) is a mineral that is a main light absorbing components of mineral dust.,2．散射削弱系数,2．散射削弱系数,Imaginary part of the refractive indexes of some aerosol materials Note: Main absorbing species in 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 size.,2．散射削弱系数,（1）瑞利散射,（1）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Lord Rayleigh (John William Strutt 1842-1919) 英国物理学家 1871：Rayleigh Scattering 光学 声学 电学 热力学 1904 Nobel Prize,。