遥感物理讲座 第七章 地球大气对电磁辐射传输效应影响
大气对遥感的影响
《大气对遥感的影响》参考译文假如地球表面没有大气，所有波段的电磁能就会与地表面相互作用，并传输关于该表面的实际信息。
尽管地球的大气是透明的，但适用于遥感的波段仅占电磁波谱中的一小部分。
衰减较少的光谱段称为大气窗口，即使是在大气窗口，大气的影响有也非常大。
气体、大的气溶胶引起大气的散射、吸收以及放射辐射能。
因此，大气不仅是一个衰减器，同时也是辐射能的来源。
所以，从地面传到高处遥感平台的信息会发生衰减和失真。
大气散射和漫射的辐射能给信号增加了背景噪音。
比如物体与其背景的表观对比度，或者物体的表面颜色会随着距离的变化而变化。
同理，在红外、微波范围测量，地球表面的表观温度随着高度而变化。
离开大气的漫辐射能同样也是地面光照度的来源之一。
在遥感发展的初期，由于对大气的影响几乎不了解，大气的这些复杂影响因子没有被完全考虑。
由此可以看出，大气是遥感中一个重要的、随处存在的棘手因子。
电磁波谱电磁波谱是连续不断的电磁辐射，它的范围从频率最高、波长最短的Γ射线延伸到频率最低、波长最长的无线电波以及可见光。
大致可将电磁波谱分为七个不同的区域：Γ射线、X 射线、紫外线、可见光、红外线、微波和无线电波。
遥感涉及到电磁波谱中许多部分的能量测量。
卫星传感器中主要利用的是可见光、反射或放射的红外线以及微波。
这些辐射的测量发生在所谓的光谱段。
光谱段定义为电磁波谱中相分离的间隔。
例如，从0.4微米到0.5微米范围即为一个波段。
波长最短部分包括X射线和眼睛所能感知的可见光波段，位于0.39到0.76微米之间。
在这波段内，波长和光的颜色有关：波长最短的是紫光，位于0.39.到0.455微米之间；波长最长的是红光，位于0.620到0.760微米之间。
利用可见波谱的这些终点可区分波长比紫光还短的紫外线以及比红光还长的红外线。
实际上，更长的波长不是红外线，而属于微波和无线电波（上百米）的范畴。
卫星传感器设计来测量特定波谱段的响应，以便能够区分主要的地面物体。
大气和环境对遥感的影响
1.
2. 3. 4. 5.
遥感原理
三、大气对太阳辐射的影响
• 太阳辐射的衰减过程：30%被云层反射回；17%被
大气吸收；22%被大气散射；31%到达地面。（图2-3）
• 大气的透射率公式：透射率与路程、大气的吸收、
散射有关。
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遥感原理
二、大气的结构
•
大气的垂直分层：对流层、 平流层、中气层、热层和 大气外层。 对流层 ：航空遥感活动 区。遥感侧重研究电磁波 在该层内的传输特性。 平流层：较为微弱。 中气层：温度随高度增加 而递减。 热层：增温层。电离层。 卫星的运行空间。 大气外层：1000公里以外 的星际空间。
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Scattering
Atmospheric scattering is the unpredictable diffusion of radiation by particles in the atmosphere. Three types of scattering can be distinguished, depending on the relationship between the diameter of the scattering particle (a) and the wavelength (a of the radiation (λ). (λ
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遥感原理
四、大气窗口
1、大气窗口：通过大气而较少被反射、吸收或 散射的投射率较高的电磁辐射波段。 • 大气窗口是选择遥感工作波段的重要依据。 • 常见的大气窗口：
大气和环境对遥感的影响
2. 米氏散射：当微粒的直径与辐射波长差不多 时的大气散射。
➢ 云、雾的粒子大小与红外线的波长接近， 所以云雾对对红外线的米氏散射不可忽视。
3. 无选择性散射：当微粒的直径比辐射波长大 得多时所发生的散射。符合无选择性散射条 件的波段中，任何波段的散射强度相同。
➢ 水滴、雾、尘埃、烟等气溶胶常常产生非 选择性散射。
Non-Selective scatter of EM radiation by a cloud
三种散射作用
1. 瑞利散射：当微粒的直径比辐射波长小得多时， 此时的散射称为瑞利散射。
➢ 散射率与波长的四次方成反比，因此，瑞利散 射的强度随着波长变短而迅速增大。紫外线是 红光散射的30倍，0.4微米的蓝光是4微米红外 线散射的1万倍。
四、大气窗口
1、大气窗口：通过大气而较少被反射、吸收或 散射的投射率较高的电磁辐射波段。
• 大气窗口是选择遥感工作波段的重要依据。 • 常见的大气窗口：
Atmospheric Windows
▪ Some sensors, especially those on meteorological satellites, seek to directly measure absorption phenomena such as those associated with CO2 and other gaseous molecules.
▪ Note that the atmosphere is nearly opaque to EM radiation in the mid and far IR
▪ In the microwave region, by contrast, most of the EM radiation moves through unimpeded - so that radar at commonly used wavelengths will nearly all reach the Earth surface unimpeded - although specific wavelengths are scattered by raindrops.
4-大气辐射传输
该式即瑞利散射公式，说明散射辐射的强度与 入射辐射的强度成正比，与散射介质的体积成正 比，但与入射辐射波长的四次方成反比。所以短 波辐射的散射很强，长波辐射的散射较弱。 瑞利散射强度随波长的变化
瑞利散射公式表明，散射强度不是各向同性的，而与sin2θ成正比。如果入射的线 偏振波沿x方向传播，电场矢量E的振动方向是y轴，则极化偶极子的振动方向也是y 轴方向，偶极子辐射引起的电磁波传播方向如下图(a)所示，它向各方向散射的电磁 波也是线偏振的，偏振的方向也如该图(a)所示。散射光强与sin2θ成正比，在xy平面 内辐射强度的分布如下图(b)所示，由于图中φ＝（π/2）—θ，故光强分布正比于 cos2φ，如把xy平面内的强度分布绕y轴旋转一周，即可得到强度在三维空间的分布 图。
(2 )2 V I0 (n 1)2 I 0 (sin 2 1 sin 2 2 ) 4 2 2 R N1
自然光的散射强度分布见上图(b)。如以x 轴为轴把此图旋转—周，即可得到自然光散 射强度的三维分布。
（a）自然光入射时θ1、θ2与φ的几何关系； （b）与自然光入射时瑞利散射强度的角分布
大气效应对于遥感地球表面的辐射信息，却是一种不利因素。它不仅使传向 太空的地表辐射信息遭到衰减，而且由大气效应产生的天空光也一并进入遥感 器，造成对地表辐射信息的干扰。 电磁辐射在传播过程中，由于介质的不均匀性而产生散射现象。介质中微粒 密度的局部涨落尺度与电磁辐射波长相比较，如果小于1／l0波长，产生的散射 称为瑞利散射，如大气分子的散射。 大气介质的另一种不均匀性是含有较大的微粒，它们的折射率与周围其它物 质的折射率不同，如乳状液、气溶胶等，产生的散射称为米氏散射。散射造成 的电磁辐射随传播距离的增加而不断衰减，可见光谱段辐射与大气作用时，主 要由于散射而导致衰减——消光，因而常用消光系数的大小表示可见光散射的 强弱。
课件：大气对电磁辐射传输的影响
8mm-1m 100%
完全不受大气的影响，是全天候的遥感波段
未来职业岗位的应用
大气对电磁辐射传播的影响会导致遥感影像 的模糊、失真，进行大气校正。 了解大气窗口的知识有助于我们理解遥感卫 星影像的波段选择。
课程小结
布置任务
谢谢观看
减较程高度的各波不段相被同称。为大气窗口。 2.4-5μm
3.4-4,2μm：90% 电磁波信息包括地面目标的反射光谱和发射光 4.6-5μm：50-60% 谱，可以用来探测海面温度等。
8-14μm
60%-70%
受到水汽、二氧化碳、臭氧三种气体的共同影
响，电磁波信息属于地面目标的发射光谱，即
热辐射光谱，常用来探测地表温度
收后重新向各个方向散发，并 一部分热量辐射回太空
加热地表和低层大气。
知识点
温 室 效 应 示 意 图
知识点
温
温室效应
室
效
应 ห้องสมุดไป่ตู้ 意
大气中
C02含量过高
吸 收
地球反射电磁波能量 地球辐射电磁波能量
图
知识点
红外波段 可见光红波段
温 室 效 应 示 意 图
水汽
知识点
散射作用
可见光区
太阳光
大气中的粒子 散射光
课程导入
臭 氧 层 吸 收 紫 外 线 示 意 图
臭氧层
吸收99%的紫外线
大气
散射、反射电磁波
第四讲 大气对电磁辐射传输的影响
知识点
350km
90km 50km
14km
18km
知识点
知识点
知识点
知识点
温
室
效
应 示
辐射回太空的大部分热量被 阳光穿过大气层使地表升温
大气污染对大气辐射传输特性的影响
大气污染对大气辐射传输特性的影响大气污染是当前全球面临的重要环境问题之一。
它不仅对人类健康产生直接的危害，还对大气辐射传输特性产生了深远的影响。
大气辐射传输是指太阳辐射经过大气层传输到地表的过程，它对地球的气候和生态系统有着重要的调节作用。
而大气污染改变了大气中的气溶胶浓度和气态污染物含量，进而影响了大气辐射传输的特性。
首先，大气污染导致气溶胶浓度升高，使得大气辐射传输中的散射和吸收过程发生改变。
气溶胶是悬浮在大气中的微小颗粒，通过散射作用影响着太阳辐射的传输。
污染物的排放增加导致气溶胶浓度的增加，使得大气中的散射现象更加明显。
散射作用会将太阳辐射在大气中随机分布，使得地表下垫面收到的辐射量减少。
此外，气溶胶的吸收作用也会导致太阳辐射的吸收增加，使得大气中的能量分布发生改变。
其次，污染物的气态成分也会对大气辐射传输特性产生影响。
二氧化硫、氮氧化物等气态污染物的排放会导致大气中的光学特性发生变化。
这些物质对太阳辐射的吸收和散射性质不同于气溶胶，但同样会改变辐射传输的特性。
其中，二氧化硫是一种强大的光学吸收剂，其存在会削弱太阳辐射的穿透和传输能力。
而氮氧化物则具有较强的吸收和散射作用，对辐射的传输产生了复杂的影响。
此外，大气污染还会影响大气中的云层特性。
云对大气辐射传输起着重要的作用，它们既能散射太阳辐射，又能吸收和反射地球辐射。
然而，污染物的存在改变了云中气溶胶和凝结核的特性，进而影响了云的形成、发展和光学特性。
气溶胶和凝结核的增加可导致云的增长和增密，进而增加了云对辐射的反射和吸收。
这种反馈过程使得大气辐射传输过程变得更加复杂和不可预测。
综上所述，大气污染对大气辐射传输特性产生了显著的影响。
气溶胶浓度的增加、气态污染物的存在以及云的变化都使得大气辐射传输过程变得更加复杂。
这些变化对地球的气候和生态系统产生了深远的影响。
因此，减少大气污染、改善大气环境质量对于保护大气辐射传输的正常特性以及人类的健康和生存环境都具有重要意义。
电磁辐射效应在遥感中的应用研究
电磁辐射效应在遥感中的应用研究近年来，随着科技的发展和应用领域的扩大，电磁辐射效应在遥感技术中的应用日益广泛。
遥感作为一种能够远距离获取地球表面信息的技术手段，正逐渐成为地理信息系统、环境监测等领域中不可或缺的工具。
而电磁辐射效应作为遥感技术的核心原理之一，则在遥感数据获取、图像处理以及信息解译等方面起到了重要的作用。
在遥感数据获取过程中，电磁辐射效应被广泛应用于不同波段的数据采集。
近红外波段和热红外波段的遥感数据获取，大量利用了物体对电磁波的吸收、反射和散射效应。
通过测量不同波段下目标物体对电磁辐射的反应，科学家可以获取到有关目标物体的信息，如温度、湿度等。
这样的信息对于农业、气候研究等领域具有重要意义，可以有效帮助人们实施精准的农作物种植和天气预测。
此外，电磁辐射效应在遥感图像处理中也发挥着重要作用。
遥感图像处理是指将采集到的遥感数据进行数字化处理，以便更好地解读和分析。
而图像处理的过程中，电磁辐射效应常常可以通过遥感图像中的像元值进行表征。
例如，多光谱遥感图像可以通过计算像元值的组合、比例或者指数来获取地表物质的含量、类型等信息。
这种基于电磁辐射效应的图像处理方法，不仅可以提高遥感图像质量，而且可以有效提取有用信息，为地质勘探、环境保护等方面提供可靠的决策依据。
另外，电磁辐射效应对于遥感数据的信息解译也有着重要的意义。
信息解译是指根据遥感图像中的特征，对地表目标进行识别和分析的过程。
而电磁辐射效应提供了遥感数据中的波谱特征，可以帮助解译人员更准确地识别和分析图像中的地表目标。
例如，通过电磁辐射效应的研究，可以获得植被类目标在不同波段下的特征光谱曲线，从而帮助解译人员对不同植被类型进行识别和分类。
这种基于电磁辐射效应的信息解译方法，不仅可以提高解译精度，而且可以缩短解译时间，提高工作效率。
然而，正如任何一种技术手段一样，电磁辐射效应在遥感中的应用也存在一定的局限性。
首先，地球表面上的大气层对电磁辐射有一定的吸收和散射作用，会影响到遥感数据的准确性和精度。
大气科学研究大气层中的电磁辐射
大气科学研究大气层中的电磁辐射大气科学是一门研究地球大气层的物理、化学和动力学过程的学科。
在大气科学中，电磁辐射是一个重要的研究领域。
大气层中的电磁辐射对气候变化、能量平衡以及生物系统等有着重要影响。
本文将从电磁辐射的基本原理、大气层中的电磁辐射过程以及电磁辐射与气候变化之间的关系等方面进行探讨。
一、电磁辐射的基本原理电磁辐射是一种物质传递能量的方式，它是指电场和磁场以电磁波的形式传播的过程。
电磁波具有电场和磁场的振荡，通过空间传播。
电磁辐射的基本特征包括波长、频率、振幅和相位等。
二、大气层中的电磁辐射过程大气层中的电磁辐射包括来自太阳的辐射和来自地球的辐射。
太阳辐射是地球上所有生物活动能量的来源，太阳的辐射能量主要是通过可见光的形式到达地球。
地球辐射是地球表面吸收太阳辐射后再次释放出来的能量，主要以红外辐射的形式传播。
在大气层中，电磁辐射会发生一系列的相互作用，包括散射、吸收和发射等过程。
散射是指光线在大气中与分子或粒子碰撞后改变传播方向的现象。
吸收是指大气中分子或粒子吸收电磁辐射能量的过程。
发射是指大气中分子或粒子向外释放能量的过程。
三、电磁辐射与气候变化电磁辐射对气候变化有着直接和间接的影响。
直接影响主要是通过电磁辐射能量的变化导致的。
例如，太阳辐射的变化可以引起地球的能量平衡发生改变，从而对气候产生影响。
间接影响主要是通过电磁辐射对大气层物理和化学过程的影响而导致的。
例如，电磁辐射与大气中的气体发生相互作用，会引起大气中的温度变化，进而对气候产生影响。
随着全球气候变化的加剧，对大气层中电磁辐射的研究变得越来越重要。
了解大气层中电磁辐射的变化和影响因素对应对气候变化、预测天气、保护环境等都具有重要意义。
同时，我们也需要进一步研究和理解电磁辐射与大气层中的物质相互作用机制，以便更好地预测和应对气候变化。
总之，大气科学研究中的电磁辐射是一个重要的课题，它对我们认识大气层的物理过程、探索气候变化的机制等具有重要价值。
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➢ 该式即瑞利散射公式，说明散射辐射的强度与入射 辐射的强度成正比，与散射介质的体积成正比，但与入 射辐射波长的四次方成反比。所以短波辐射的散射很强 ，长波辐射的散射较弱。
图 瑞利散射强度随波长的变化
➢ 瑞利散射公式表明，散射强度不是各向同性的，而与sin2θ成正比。如果入射的线偏振波沿x 方向传播，电场矢量E的振动方向是y轴，则极化偶极子的振动方向也是y轴方向，偶极子辐射 引起的电磁波传播方向如下图(a)所示，它向各方向散射的电磁波也是线偏振的，偏振的方向 也如该图(a)所示。散射光强与sin2θ成正比，在xy平面内辐射强度的分布如下图(b)所示，由于 图中φ＝（π/2）—θ，故光强分布正比于cos2φ，如把xy平面内的强度分布绕y轴旋转一周，即 可得到强度在三维空间的分布图。
由理想气体方程式：P＝nkT。 k为波耳兹曼常数，T为绝 对温度。 (dP/P)=-(mg/kT) dh，P=Poe -∫ho(mg/kT) dh 。
Po是高度为h＝0处的压强，P是高度为h处的压强。 如果m、T均不随h改变。P＝Poe-h/H 其中：H= kT/mg。 n=noe-h/H
➢ 大气压力或单位体积内的分子数随高度h作指数衰减。H称 为大气层的标高，是压力变化e倍所对应的高度。
➢ 地球大气由气体及固态、液态悬浮微粒等组成。大气气体组分包括不变成分和可变成分两种。
➢ 大气的不变成分的气体：从地球表面直至80km的高度，气体的相对含量基本保持不变，如氮、 氧、氩的含量最高，三者之和，占大气总体积的99．96％。
➢大气中可变成分的气体：主要是水蒸气(H2O)和臭氧(O3)，它们的含量随温度及高度而变化。 水蒸气含量随高度的增加而迅速成少。在海平面上，大气中水蒸气含量可高达2％，在距海平面
《遥感物理》课程讲座-7 ----电磁辐射大气传输效应
内容
引言 大气成分 大气结构 瑞利散射 米氏散射 大气吸收 大气热辐射与大气折射 大气光学厚度 大气对太阳辐射的影响
一、引 言
➢ 电磁辐射与地球大气相互作用中，所产生的吸收、反射、散射与发射效应，与大气物质的成分 及形态有关。在大气遥感中气象卫星的主要探测目标，就是大气物质散射、反射和发射的电磁辐 射信息。
13km以上的高度，水蒸气的含量很少，可以忽略不计。臭氧则与水蒸气相反，在近地面处，大
气中臭氧的含量极少，它随着高度的增加而增大，并在22km的高度上有一最大值，随后逐渐减
少。
表 大气的不变成分
➢ 大气中悬浮的大量固态和液态的微粒，包 括灰尘、烟尘、盐晶、冰晶和水滴等，直径 为0.01-30μm，统称为气溶胶。气溶胶中颗 粒直径小于0.5μm的微粒，又形成霾。
➢ 平流层的范围是从对流层顶至50km。在平流层几乎看不到有天气现象。平流层的下部有一 个明显的等温层，等温层约延伸到24km处。从等温层向上温度缓慢的增加， 因为有臭氧吸收紫 外线的缘故。在50km处达到平流层顶，这里的温度稍低于海平面的温度。由于臭氧的分布不均 匀，而且随季节变化，所以平流层内的温度 在空-间上都有很大变化，并存在季节性强风环流。
三、大气结构
ห้องสมุดไป่ตู้
➢ 地球大气圈的界限是从流星和北极光的最高发光点推算而得 的，距地球表面800km的高空，尚存在少许空气，因而通常将 大气厚度取为l000km。
➢ 大气的压力是空气柱的重量造成的。设在大气层中高度相差 dh的上、下两面的压差为dP，则dP应等于夹在层中的空气重量： dP＝—ρgdh＝一nmgdh。ρ为空气密度，g为重力加速度，n为 单位体积内空气的分子数,m为空气分子的平均质量。
四、瑞利散射
➢ 电磁辐射在传播过程中，由于介质的不均匀性而产生散射现象。介质中微粒密度的局部涨落尺度 与电磁辐射波长相比较，如果小于1／l0波长，产生的散射称为瑞利散射，如大气分子的散射。
➢ 在瑞利散射中由于质点的尺寸小于波长的l／10，质点的运动可以用感生偶极子模型来描述。 由 于分子的线度远小于波长，所以可把分子的强迫运动看成一偶极子辐射。
➢ 大气效应对于遥感地球表面的辐射信息，却是一种不利因素。它不仅使传向太空的地表辐射信 息遭到衰减，而且由大气效应产生的天空光也一并进入遥感器，造成对地表辐射信息的干扰。
➢ 电磁辐射在传播过程中，由于介质的不均匀性而产生散射现象。介质中微粒密度的局部涨落尺 度与电磁辐射波长相比较，如果小于1／l0波长，产生的散射称为瑞利散射，如大气分子的散射。
➢ 大气介质的另一种不均匀性是含有较大的微粒，它们的折射率与周围其它物质的折射率不同， 如乳状掖、气溶胶等，产生的散射称为米氏散射。散射造成的电磁辐射随传播距离的增加而不断 衰减，可见光谱段辐射与大气作用时，主要由于散射而导致衰减——消光，因而常用消光系数的 大小表示可见光散射的强弱。
二、大气成分
➢中气层下方的平流层由于臭氧的集中，而温度比中气层高。中 气层内的温度随高度而递减，平均每上升l km，温度下降3K，大 约在80km高度处，温度降至最低点，约l78K，这也是整个大气 圈的最低温度。
➢ 增温层在中气层的上方，90km以上高度的温度非常高，这是 由于O2和N2的分解及离化导致升温，最高温度可达1500K。增温 层是大气的最外层，它没有确切的层顶界线。
如：温度T＝273K，大气的标高H＝7．99km。
➢ 大气质量的99％集中在离地面30km高度之内，其中一半在 离地面5.5km以下，四分之一集中在5.5一l l km高度之间。
图 大气的垂直分布结构
➢ 大气在垂直地表方向分布， 按热学性质分为对流层、平流层、中气层和增温层(也称热层)。 ➢ 大气的底层是对流层，它向上伸展的高度与纬度有关，在两极上空仅为7—8km，而在赤道 上空却有16—19km。 在对流层内平均每升高 l km温度下降6．5K。对流层的上限称为对流层顶， 它的高度视纬度、季节而改变，甚至同一地点，每天的高度都不一样。
➢ 从海平面至等温层顶部24km高度之间的大气，又统称低层大 气。低层大气中，除了O3、H2O之外，其他各种气体分子所占的 比例几乎保持不变，它们的分布符合n=noe-h/H 的关系。大气中的 水汽主要分布在5km以下，在12km以上几乎不存在水汽。此外， 气溶胶也主要分布在5km以下的大气中 。
图 大气气溶胶的分布