大气分子的吸收
大气光学参数对光传输的影响研究
大气光学参数对光传输的影响研究在光学通信、遥感、天文观测等领域中，大气光学参数对光传输起着重要的影响。
大气光学参数主要包括气象参数、光学参数和大气浓度参数等，它们会改变光的传播路径，进而影响光的传输过程。
首先，我们来看气象参数对光传输的影响。
气象参数包括大气温度、湿度、压强等因素。
其中，温度的变化会导致大气密度的变化，从而改变光的折射率。
随着温度的升高，大气密度减小，光的折射率也随之减小，使得光传播速度增加。
相反，温度降低会导致光传播速度减小。
这种由温度引起的折射率变化现象称为温度梯度。
湿度与光传输也有关联。
湿度越高，大气中水蒸气含量越高，会导致光的散射和吸收增强，光的传输距离减小。
此外，湿度的变化还会导致大气的折射率变化，从而引起光的偏折。
大气压强变化对光传输的影响相对较小，主要表现为大气的折射率变化。
由于大气压强与海拔高度成反比关系，光在通过高海拔地区时，由于气压较低，光的折射率也会相应降低。
其次，大气光学参数中的光学参数对光传输也有重要影响。
光学参数包括大气散射、吸收、透过率等，并且这些参数会随着光波长的不同而变化。
大气散射是指大气中颗粒对光的偏离原来传播方向的现象。
它分为弹性散射和非弹性散射。
弹性散射是指颗粒对光的能量进行重新分配，但光的频率和能量仍保持不变；非弹性散射是指颗粒吸收光的能量，再以不同的频率重新发射出去。
大气中的气溶胶和水蒸气是主要的散射因素，它们在大气中的分布情况和浓度变化会对光的传输产生影响。
大气吸收是指大气中分子和物质对光能量的吸收，主要包括气体吸收和大气杂质吸收两种。
气体吸收主要是由大气中的氛围分子（如氮气、氧气等）引起的。
它们对不同波长的光吸收的程度也不同，例如在红外波段，水蒸气会吸收相对较多的能量。
大气杂质吸收包括大气中存在的粉尘、烟雾、雾霾等因素引起的吸收现象。
这些杂质的存在会降低光的透过率，影响光的传输距离和传输质量。
最后，大气浓度参数对光传输也有一定影响。
大气分子的吸收散射作用
大气分子的吸收散射作用大气分子的吸收作用大气各种气体分子对电磁辐射具有吸收性质。
太阳辐射经过大气层时会被气体分子吸收一部分能量。
大气分子通过改变分子的旋转、振动或者电磁状态完成对辐射的吸收（Vermote et al ，2006）。
旋转状态的改变主要发生在微波或者远红外等低能量区域；振动状态的改变主要发生在较高能量的近红外区域，而电磁状态的改变主要发生在紫外线和可见光部分等高能量区域。
大气分子吸收主要源于氧气，臭氧、水汽、二氧化碳，甲烷和二氧化碳这六种气体的吸收作用。
其中前四种气体在大气中分布稳定，而且与大气充分混合，可以看成是常数。
后两者在大气中变化较大，与时间和地点紧密相关。
气体吸收对波长具有较明显的选择性。
氮气吸收主要发生在紫外光以外，波长小于0.2um 的电磁波几乎被氮气吸收；臭氧吸收主要发生在小于0.3um 的波长范围内，波长小于0.3um 的太阳短波辐射在入射到地表之前已被吸收完毕。
氧气吸收主要发生在0.76um 处；水汽吸收主要发生在大于0.7um 的波长上；二氧化碳主要发生在2um 处，至于甲烷的吸收发生在更远的波长。
不同的大气分子含量会具有不同的吸收率和透过率，但各种气体的吸收作用相对独立，其综合吸收作用是各种气体吸收作用的相乘。
大气分子的散射作用太阳辐射与大气分子发生碰撞时会发生散射作用，从而改变光场能量分布。
由于太阳辐射的波长远大于大气分子半径，其散射为瑞利散射。
光子通过大气层时会与气体分子发生瑞利散射，波长为λ的瑞利散射光学厚度R λτ定义为：dz z R)(0⎰∞=λλβτ其中)(z λβ为高度为z 的大气层气体分子的衰减系数（1-m ）。
Hansen 等人（1974）给出了R λτ简单计算公式：A R e P 125.042425.1013)00013.00113.01(008569.0----++=λλλτλ其中P 为地表大气压强（hPa ），A 为海拔高度（km ）。
《大气辐射学》期末复习试题及答案
大气辐射复习思考题（王普才）1.大气辐射的基本定律有哪些？Planck定律、Stefan-Boltzmann定律、Kirchhoff定律、Wien位移定律。
2.辐射理论和电磁场理论有什么联系？辐射能量是以电磁波的形式在空间中进行传输的，因此电磁场理论是辐射理论的基石(Maxwell方程组)，对于UV到MW波段的电磁波，在波长较短的范围内辐射理论更广泛使用(Planck定律)而在长波长范围内电磁场理论更加广泛使用(Maxwell方程组)，这是因为在短波长范围内，所关心的更多的是其诸如发射率、辐射出射度等辐射特性，而在长波长范围更多地是研究其诸如偏振等电磁特性。
这是由于电磁波的波粒二象性所决定的。
但总而言之，辐射理论是由电磁场理论得出的，各种辐射特性和理论的物理本质要归结于电磁场与电磁波的各种理论之中。
3.列举测量辐射强度（辐亮度）和辐射通量密度（辐照度）的仪器。
辐亮度：太阳光度计，如AERONET联网的标准CE318或手持式CE312辐照度：总辐射表4.米（Mie）散射有什么特点？分子散射有什么特点？Mie散射发生的条件是波长与粒子尺寸相当时发生的散射，散射强度与波长的平方成反比，且前向散射强度大于后向散射。
在地球大气中，太阳光发生Mie散射的粒子主要是气溶胶。
Rayleigh散射（分子散射）发生的条件是波长远大于粒子尺寸，散射强度与波长的四次方成反比，前向散射与后向散射强度相当。
在地球大气中，太阳光发生Rayleigh散射的粒子主要是气体分子。
5.分子能级包含哪些能级？各有什么特点？根据分子内部原子核或核外电子运动的方式不同可以分为：转动能级、振动能级和电子能级，分别对应发生能级跃迁时转动能、振动能和电子能（一般能级跃迁时不涉及平动能变化）。
转动能级变化所对应吸收或发射的光谱波段位于微波或远红外波段；振动能级则位于中红外波段（很少独立产生，常伴随转动跃迁）；能量最大的电子能级位于可见光和紫外波段。
大气吸收系数计算刘少伟20151241674
1 引言 在大气吸收系数的计算中，需要对波数(频率)进行积分。一般来说有三种方法：逐 线积分，带模式和 K 分布方法。 所谓逐线积分方法就是逐条计入大气气体吸收谱线贡献 的一种精确的透过率计算方法。该方法的优点是可以直接对波数进行积分，可以有效地 处理大气非均匀路径和不同气体的重叠吸收带，并可以同时处理吸收与散射问题。其缺 点是计算速度慢，计算成本高。 K 分布法是近年来发展起来的一种先进的计算大气分子吸收的处理方法，它把随波 长迅速变化的大气分子吸收离散成有限项(通常是十几或几十项)的鹰单色吸收，通过对 这些有限项的积分可以得到与逐线积分法(LBL)非常接近的精度， 大大提高了计算效率； 同时，因为使用鹰单色计算，K 分布法或相关 K 分布法可以直接用于散射的处理，而传 统的带模式法不能直接用于散射处理，必须作一定的近似。K 分布法相对于传统的带模 式法在计算精度和速度方面都有很大的优势， 在大气辐射学的研究中得到了广泛应用[1]。 带模式方法一般来说有两个基本前提假定:第一，假定谱线的位置是随机的;第二， 假定谱线强度遵从某种数学分布。对某些强吸收带，该假定可以在一定的范围和精度上 得到满足。但是，对于大多数吸收带，特别对窄带吸收，则会产生很大误差。该方法的 优点是数学上简单、速度快，在 1980 年以前曾广泛地用于气候模式研究中。其缺点是， 如果不借助其他近似，则不能处理大气非均匀路径和重叠吸收带，而且不能处理吸收与 散射同时存在时的辐射传输问题。因此，在 20 世纪 80 年代中后期，当辐射科学家们从 数值上找到了相关 k 分布函数计算方法后，在气候模式研究中，带模式逐渐被相关 k 分 布方法所取代[4]。 本文介绍了逐线积分和 K 分布计算大气吸收的方法，综述了国内外计算大气吸收系 数的研究现状。 2 两种计算方法简介
532nm_大气吸收_解释说明
532nm 大气吸收解释说明1. 引言1.1 概述本篇长文旨在对532nm大气吸收进行解释说明。
光的波长为532nm（纳米）时，经过大气层会发生吸收现象。
本文将探讨532nm光线在大气中的特性、大气吸收的原理和机制，以及主要影响大气吸收的因素。
此外，文章还将通过实验数据与研究成果的分析和模拟预测来揭示532nm光线在不同条件下的大气吸收情况，并对结果进行解读和讨论。
1.2 文章结构文章总共分为五个部分。
第一部分是引言，主要概述了文章的目标和结构。
第二部分着重介绍532nm光线的特性，并解释了大气吸收的原理和机制，同时探讨了影响大气吸收效应的重要因素。
第三部分描述了实验方法和数据收集过程，并对532nm光线在不同条件下的大气吸收情况进行了详细分析。
第四部分则介绍了模拟大气吸收效应的数值模型构建与验证方法，并利用该模型预测了不同条件下532nm光线的大气吸收效应，并进行结果对比与分析。
最后，第五部分给出了本研究的总结和展望，包括总结主要发现和结果亮点，并讨论了研究的限制以及未来进一步深入研究的方向。
1.3 目的本文的目的是系统地讨论532nm大气吸收现象，并通过实验数据与研究成果的分析以及模拟预测来揭示其特性和影响因素。
通过深入探究532nm光线在大气中吸收的机制和原理，可以增进我们对环境中光传播行为的理解。
此外，也有助于为相关领域（如激光技术、大气科学等）提供有关532nm光线传输特性和应用技术方面的参考和指导。
通过本文所提供的内容，读者将能够更全面地认识532nm大气吸收问题，并为后续研究提供更有价值的参考信息。
2. 532nm 大气吸收解释说明:2.1 532nm光线特性介绍:532nm是指波长为532纳米的激光光线。
该波长处于可见光谱区域中绿色光的范围内，具有一定的穿透力和较高的能量密度。
由于532nm激光在大气中传播时会与大气分子发生相互作用，因此了解其在大气中的吸收情况对于许多应用具有重要意义。
红外衰减全反射大气衰减
红外衰减全反射大气衰减简介红外衰减全反射大气衰减是指红外光在大气中传播时，由于大气分子的散射和吸收而发生的衰减现象。
这种衰减现象对于红外通信、红外探测、红外成像等领域的应用具有重要影响。
大气是由氮气、氧气、水蒸气和其他气体组成的，这些气体对不同波长的光有不同的吸收特性。
红外光的波长范围通常是0.7-1000微米，其中远红外光的波长范围是3-1000微米。
在远红外光波段，大气中的水蒸气和二氧化碳是主要的吸收因素。
红外光的传播特性红外光的传播受到大气的吸收和散射的影响。
大气中的分子吸收红外光的方式有两种：弛豫吸收和共振吸收。
在弛豫吸收中，分子的振动和扭转模式与红外光的能量相互作用，从而导致能量损失。
这种吸收主要发生在红外光的长波段。
共振吸收是指当分子的振动频率与红外光的频率匹配时，分子会吸收红外光的能量。
这种吸收主要发生在红外光的中波段和短波段。
除了吸收，大气中的分子还会对红外光进行散射。
散射是光在传播过程中改变方向的现象。
大气中的分子对红外光的散射主要有Rayleigh散射和Mie散射两种。
Rayleigh散射是指当入射光的波长远小于分子或颗粒的尺寸时，光的散射会随着波长的减小而增强。
这种散射在红外光中不是主要的散射方式。
Mie散射是指当入射光的波长与分子或颗粒的尺寸相近或偏大时，光的散射强度不随波长的变化而改变。
这种散射在红外光中是主要的散射方式。
大气衰减特性大气对红外光的衰减主要包括吸收和散射两种过程。
吸收主要受到水蒸气和二氧化碳的影响，而散射主要受到大气中的分子和颗粒的影响。
吸收过程中，红外光的能量将被分子吸收，并转化为分子的振动、扭转或激发能量。
这种转化导致能量的损失，从而使光的强度衰减。
散射过程中，光的能量会被分子或颗粒散射到不同的方向。
散射后的光可以继续传播，也可以被吸收或散射。
这使得原本直线传播的光变为了不规则传播，进一步减弱了光的强度。
红外光在大气中传播的距离和衰减程度与光的波长、大气的温度、压力和湿度有关。
第八讲-光在大气和水中的传播、激光损伤
I2 [ln(I / I 0 )]2 4[ln(A / A0 )]2 4 2
(2.1-10)
2 式中， 2 可通过理论计算求得，而 I 则可由实际测量 得到。在弱湍流且湍流强度均匀的条件下：
2 1.23Cn (2 ) 6 / 7 L11 / 6 2 12.8Cn (2 ) 6 / 7 L11 / 6 I2 4 2 2 6 / 7 11 / 6 0.496Cn (2 ) L 2 1.28Cn (2 ) 6 / 7 L11 / 6
10.4
9.6
2、 大气分子散射， m
(1)散射的基本概念
大气中总存在着密度起伏，破坏了大气的光学均匀性，
造成部分光会向其他方向传播，从而导致光在各个方向上的
散射(实质是反射、折射和衍射的综合反映)。散射主要发生 在可见光波段，其性质和强度取决于大气中分子或微粒的半
径ｒ与被散射光的波长λ二者之间的对比关系。
3
4
(2.1-6)
式中
m为瑞利散射系数（cm-l）；
N为单位体积中的分子数（cm-3）；
A为分子的散射截面（cm2）；
为光波长（cm）。
m 0.827 N A /
3
4
波长越长，散射越弱；波长越短，散射越强烈。 因此可见光散射大于红外光散射，而蓝光散射又大 于红光散射： • 在晴朗天空，其他微粒很少，因此瑞利散射是主 要的，又因为蓝光散射最强烈，故明朗的天空呈 现蓝色。 • 而黎明和黄昏时，太阳辐射穿过大气的路程长， 蓝绿光已被散射殆尽，只剩下黄红光，所以阳光 呈黄红色。
(2)散射的类型
瑞利散射（Rayleigh-Scattering），选择性散射
大气分子的半径是10-4 m量级的，在可见光（0.4-
第8章大气辐射学
色彩名称 紫 蓝 青 绿 黄 橙 红
波长范围 0.40～0.43微米 0.43～0.47微米 0.47～0.50微米 0.50～0.56微米 0.56～0.59微米 0.59～0.62微米 0.62～0.76微米
（2） 描述辐射场的物理量
辐射通量（radiant flux）：指单位时间能通过某一平面（或虚拟平面）的 辐射能，也称辐射功率，单位J/S或W。辐射通量也可指单位时间内某个表面 发射或接收的辐射能。以ф表示辐射通量。
E W 4π r2
r
在大气辐射中，把来自太阳的直 接辐射看作平行辐射（平行光）
（2） 描述辐射场的物理量
• 辐射源
面辐射源：面辐射源的特点是它可以向2π立体角中发射辐射能。对面辐射源首
先关心的是其辐出度，即通过单位面积在面源的法线方向射出的能量大小（辐射
出射度）或辐射率。以F表示，其单位是W m2。对于某一波长，可写成 F，并
B(
,T
)
1 π
FB
(λ
,T
)
C1
π5
(e
C2
/T
1)
1
• B(,T)称为普朗克函数，也常写为B(T)。
32
（2）平衡辐射基本规律 斯蒂芬–玻尔兹曼定律
• 1879年斯蒂芬由实验发现，1884年波尔兹曼由热力学理论得出：绝对黑 体的积分辐出度与其温度的4次方成正比，即
FT T 4
• σ称为斯蒂芬 – 波尔兹曼常数
灰体 ：如果物体的吸收率不随波长变化，但小于1。例如，地面对于长 波辐射的吸收率近于常数，故认为地面为灰体。
2 辐射的物理规律
（2）平衡辐射基本规律
自然界任何物体都通过辐射过程交换能量。当物体放射出的辐射能恰好等于 吸收的辐射能时，该物体处于辐射平衡。
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(2.1-8)
式中s为界面面电荷密度。
1，1，1
Hale Waihona Puke EtEn2，2，2
图1 界面上电场的法向和切向分量
在光学波段经常遇到的情况是s等于 零，这时，界面两侧的切向分量以及的 法向分量均连续。
§2 光波在大气中的传播
大气激光通信、探测等技术应用通常以大 气为信道。 由于大气构成成分的复杂性以及收受天气等 因素影响的不稳定性，光波在大气中传播时 ， 大气气体分子及气溶胶的吸收和散散射会引起 的光束能量衰减，空气折射率不均匀会引起的 光波的振幅和相位起伏；当光波功率足够大、 持续时间极短时，非线性效应也会影响光束的 特性，因此有必要研究激光大气传播特性。
(2.1-7)
五、电磁场的边界条件
在光电子技术的许多实际应用中，经常涉及在两 种或多种物理性质不同的介质交界面（在该处ε 、μ 发生突变）处光辐射场量之间的关系。这时，求解麦 克斯韦方程需要考虑边界条件。
如图1所示，光辐射场的边界条件可以直接由麦 克斯韦方程推得：
D1n D2 n s E1t E 2 t 0
一、大气衰减
激光辐射在大气中传播时，部分光辐射能量被 吸收而转变为其他形式的能量（如热能等）部分能 量被散射而偏离原来的传播方向（即辐射能量空间 重新分配）。吸收和散射的总效果使传输光辐射强 度的衰减。
dI/I=(I-I)/I= dl
为大气衰减系，在应用中，衰减系
I
dl
I
数常用单位为（1/km）或（dB/km）， 二者之间的换算关系为：
可改写为 ：
2
2 ~ E(r ) 0 r E(r ) 0
此方程平面波解的一般形式为
i (t k r 0 ) E(r , t ) E0e
(2.1-5)
(2.1-6)
此方程球面波解的一般形式为 E0 i (t k r 0 ) E (r , t ) e r 式k中为波矢量，0为初相。
km m ka a
(2.2-3)
km和m分别为分子的吸收和散射系数； ka和a分别大气气溶胶的吸收和散射系数。
对大气衰减的研究可归结为对上述四个基本 衰减参数的研究。
1、大气分子的吸收
光波在大气中传播时，大气分子在光波电场的 作用下产生极化，并以入射光的频率作受迫振动。 所以为了克服大气分子内部阻力要消耗能量，表现 为大气分子的吸收。 分子的固有吸收频率由分子内部的运动形态决定。 极性分子的内部运动一般有分子内电子运动、组成分 子的原子振动以及分子绕其质量中心的转动组成。相 应的共振吸收频率分别与光波的紫外和可见光、近红 外和中红外以及远红外区相对应。
在无源（ρ=0）非磁性介质中，运用麦克 斯韦方程并经一系列数学运算可以得到场量 所满足的微分方程 ：
2 E P J E 0 2 2 t t t
2
(2.1-1)
这就是光辐射普遍形式的波动方程。 方程右边两项反映物质对光辐射场量的 影响，起“源”的作用，分别由极化电荷与 传导电流引起。
对导体，
J t
项起主要作用，
P 2 项起主要作用， t
2
对绝缘体， J 0,
对于半导体，两项都起重要作用。
二、 光辐射场的亥姆霍兹方程
对于简谐波场，场量可表示为 (2.1-1)式中场量的时间因子可以消去，得到：
it E (r , t ) E (r )e 则 ，
由此，分子的吸收特性强烈的依赖于光波的频率。
大气中N2、O2分子虽然含量最多（约90%），但它们在 可见光和红外区几乎不表现吸收，对远红外和微波段才呈 现出很大的吸收。在可见光和近红外区，一般不考虑其吸 收作用。 大气中除包含上述分子外，还包含有He，Ar，Xe，O3， Ne等，这些分子在可见光和近红外有可观的吸收谱线，但其 大气中的含量甚微，一般不考虑其吸收作用。只是在高空处， 其它衰减因素都很弱时，才考虑它们吸收作用。
光辐射传播
－－－大气
§1 光辐射的电磁理论
光辐射是电磁波，它服从电磁场基本规 律（麦克斯韦方程和介质性能方程）。 由于引起生理视觉效应、光化学效应以及 探测器对光频段电磁波的响应主要是电磁场 量中的电矢量，因此，光辐射的电磁理论主 要是应用麦克斯韦方程求解光辐射场电矢量 的变化规律。
一、 光辐射的波动方程
(dB/km)=4.343 (1/km)
图2
上式积分后得大气透过率 ：
L T I / I 0 exp dl 0
(2.2-1)
简化为：
T exp( L)
(2.2-2)
此即为描述大气衰减的朗伯定律，表明 光强随传输距离的增加呈指数规律衰减。
因为衰减系数描述了吸收和散射两种独立物理 过程对传播光辐射强度的影响，所以可表示为 ：
(2.1-2) 式可改写为
2 ~ E(r ) 0 r E(r ) 0
(2.1-4)
这就是光辐射满足的亥姆霍兹方程。
三、均匀介质中的平面波和球面波
E 0 ， 利用 对于各向同性的无吸收介质， 为标量， 2 矢量恒等式 E(r ) E(r ) E(r ) ，亥姆霍兹方程
H2O和CO2分子，特别是H2O分子在近红外区有宽广的 振动-转动及纯振动结构，是可见光和近红外区最重要的吸 收分子，是晴天大气光学衰减的主要因素，它们的一些主 要吸收谱线的中心波长如表2-1所示。
表1： 可见光和近红外区主要吸收谱线
2 E(r ) ( 0 0 r r i0 r )E(r ) 0
引入复相对介电系数： ~ r r i r i r 0
(2.1-2)
(2.1-3)
意义：其实部对应于普通的折射率，其虚部反映因介质 吸收而产生的电磁波衰减，对应于复数折射率的虚部。