大气对光吸收、散射
光在大气中的传播及应用
光在大气中传播及应用大气激光通信、探测等技术应用通常以大气为信道。
光波在大气中传播时，大气气体分子及气溶胶的吸收和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。
1.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。
（1）大气分子吸收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。
因此，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。
因此，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，但因它们在大气中的含量甚微，一般也不考虑其吸收作用。
只是在高空处，其余衰减因素都已很弱，才考虑它们吸收作用。
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，因此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中对某些特定的波长，大气呈现出极为强烈的吸收，光波几乎无法通过。
根据大气的这种选择吸收特性，一般把近红外区分成八个区段，将透过率较高的波段称为“大气窗口”。
在这些窗口之内，大气分子呈现弱吸收。
目前常用的激光波长都处于这些窗口之内。
大气校正原理
大气校正原理大气校正是遥感影像处理中的一个重要环节，它是指根据大气光学特性对遥感影像进行校正，以消除大气因素对影像的干扰，使得影像更加真实和准确。
大气校正原理是基于大气对遥感影像的影响进行分析和处理，通过数学模型和物理原理来实现对影像的校正。
下面将从大气光学特性、大气校正的基本原理以及常用的大气校正方法进行介绍。
1. 大气光学特性。
大气光学特性是指大气对太阳辐射的吸收、散射和透射等光学过程。
在遥感影像中，大气光学特性主要表现为大气散射和吸收对影像的遮蔽和变暗效应。
大气散射会导致影像中出现较大的散射光斑和较低的对比度，而大气吸收则会导致影像中出现较大的暗区和光斑不均匀现象。
因此，了解大气光学特性对于进行大气校正具有重要的意义。
2. 大气校正的基本原理。
大气校正的基本原理是通过建立大气光学模型，对影像进行修正，消除大气因素对影像的影响。
大气校正的过程可以简单描述为，首先，根据大气光学特性建立大气传输模型，模拟大气对太阳辐射的吸收和散射过程；然后，根据影像中的光谱信息和地物特性，对影像进行大气校正，消除大气因素的影响，使得影像更加真实和准确。
3. 常用的大气校正方法。
目前，常用的大气校正方法主要包括大气校正模型和大气校正软件两种。
大气校正模型是基于大气光学特性建立的数学模型，如大气校正模型6S、MODTRAN等，通过模拟大气传输过程，对影像进行校正。
而大气校正软件则是基于这些模型开发的软件工具，如ATCOR、FLAASH等，能够快速、准确地对影像进行大气校正处理。
总结。
大气校正是遥感影像处理中的一个重要环节，它能够消除大气因素对影像的干扰，使得影像更加真实和准确。
大气校正的原理是基于大气光学特性建立数学模型，通过模拟大气传输过程对影像进行校正。
常用的大气校正方法主要包括大气校正模型和大气校正软件两种。
通过对大气校正原理的了解，能够更好地进行遥感影像处理和应用。
大气对电磁波散射的作用
大气对电磁波散射的作用
1. 大气对电磁波的吸收，大气中的分子、气体和颗粒可以吸收
电磁波的能量。
不同波长的电磁波在大气中的吸收程度不同。
例如，紫外线和部分红外线被臭氧层吸收，而短波长的可见光被大气中的
气体和颗粒散射和吸收。
2. 大气对电磁波的散射，大气中的分子和颗粒对电磁波起到散
射作用。
当电磁波遇到大气中的分子和颗粒时，会发生散射现象，
使得电磁波改变传播方向。
散射会导致电磁波在大气中传播的路径
变化，并且会使得远离发射源的地方也能接收到电磁波。
3. 大气对电磁波的折射，当电磁波从一种介质传播到另一种介
质时，会发生折射现象。
大气中的折射现象会导致电磁波的传播速
度和传播方向发生变化。
例如，当太阳光穿过大气层时，会发生折
射现象使得太阳看起来不在天空中的真实位置。
4. 大气对电磁波的衰减，大气中的吸收和散射会导致电磁波的
能量逐渐减弱，即衰减。
不同波长的电磁波在大气中的衰减程度不同。
例如，紫外线和部分红外线被大气吸收后能量减弱，而长波长
的无线电波在大气中衰减较小。
5. 大气对电磁波的干扰，大气中的天气条件和大气层结构的变化会对电磁波的传播产生干扰。
例如，大气中的湿度、温度、气压和风速等因素会影响电磁波的传播速度和路径，导致信号衰减、多径传播等现象。
总结起来，大气对电磁波散射的作用是多方面的，包括吸收、散射、折射、衰减和干扰等。
这些作用影响着电磁波在大气中的传播和接收质量，对于无线通信、天文观测、气象预报等领域都具有重要意义。
光的散射和吸收的原理解释
光的散射和吸收的原理解释光的散射和吸收是光与物质相互作用的重要过程。
在日常生活和科学研究中，我们能够观察到这些现象并应用它们来解释和理解许多现象和现象。
光的散射是指光线在遇到物质时改变方向并传播出去的过程。
当光线遇到一个物体时，它会与物体表面上的分子或原子发生相互作用，并使光线的方向发生改变。
这是因为光的电磁波本质上是由电场和磁场构成的，而物质中的分子和原子具有电荷。
当光遇到物体时，电磁波的电场与物质中的电荷相互作用，使光发生折射、反射或散射。
散射现象的原理可以通过著名的雷利散射理论来解释。
根据这个理论，当光遇到比其波长小很多的物体时，光线的散射程度会随着波长的减小而增加。
这是因为波长较短的光线与物体表面的原子或分子的尺寸相比更容易相互作用。
这就是为什么蓝光在大气中更容易散射，导致天空呈现出蓝色的原理。
蓝光的波长较短，因此与空气中的分子更容易相互作用而散射。
与散射相对应的是光的吸收。
当光线遇到物体时，它也可以被物体吸收。
物体吸收光的能力取决于物体的性质和光的特性。
当光线传播到物体内部时，它会与物体内部的分子或原子相互作用，导致能量被吸收，转化为物体内部的热能。
光的吸收过程可以通过尤金-ラン琴斯公式来描述。
这个公式表明，当光的频率与物体的原子或分子的共振频率相匹配时，光的吸收会变得非常高效。
这就是为什么某些物质对特定波长的光特别敏感，能够有效吸收这些光线，而其他波长的光则被较少吸收的原因。
例如，叶绿素分子对可见光的红色和蓝色部分非常敏感，能够吸收这些部分的能量来进行光合作用。
光的散射和吸收在许多领域都有广泛的应用。
在天文学中，我们通过观察星光的散射和吸收来研究宇宙中的物质组成和演化。
在地球科学中，使用散射和吸收现象来研究大气成分、气候变化和空气质量。
在生物医学中，光的散射和吸收被用来研究生物组织的结构和功能。
总之，光的散射和吸收是光与物质相互作用的重要过程。
散射是光线在遇到物体时改变方向并传播出去的现象，而吸收是光线被物体吸收的过程。
大气对太阳辐射吸收与散射
光学质量optical mass
• 辐射束沿传输路径在单位截面气柱内所吸收 或散射的气体质量u
• 一般光学厚度可以写成
P k k0, ( P0
T0 )n T
(P P0
T0 )n 订正因子 T
n与气体成分和波长有关，当
P0=1000hPa,T0=300K,可取n=1/2.
如果k0,不随L而变，则
L
•实际应用中,做一些合理假定,得出各种 光谱对应的吸收率公式.
a,太阳和地球的黑体辐射,b 整层大气的吸收谱,c,11km以上 大气吸收谱,d,整层大气中不同气体成分的吸收谱
紫外波段的主要吸收气体是：氧气、臭氧。
平流层臭氧能吸收掉30%太阳紫外辐射，全 部太阳辐射能的2%。氧气和臭氧几乎能吸收 掉0.3µm以下的全部太阳紫外辐射,地面基本 观测不到该波段辐射.
电磁波谱
转动光谱，波长较长， Q 较小；电子能级跃迁所对应 的光谱在可见光和紫外区，电子能级跃迁的 Q 大。
原子辐射 (发射紫外和可见光)
• 每个原子可具有许多运动状态，每个运 动态有确定的能量值，每个能量值称为 能级。
• 原子能量从一个状态变到另一个状态， 有能级跃迁。
• 能级间距的大小决定了发射或吸收谱线 的位置.
F,l
F,0e
F ek0,u ,0
当δ=1单位光学厚度时,辐射能削减 为原值的1/e.
指数削弱规律是研究太阳直接辐射 削弱的基础。
2 大气对太阳辐射的散射
• 散射:散射不发生能量交换. 散射是指每一个散射分子 或散射质点将入射辐射重 新向各方辐射出去的一种 现象.
• 大气向上射向太空的散射 就是大气对太阳辐射的反 射.天空任何角度射向地面 观测者的散射就是蓝色的 天空辐射.
大气对太阳辐射的削弱作用体现在哪些方面
大气对太阳辐射的削弱作用体现在以下几方面。
工具/原料
太阳
大气
方法/步骤
1. 1
总体上大气通过吸收反射和散射三种途径削弱太阳辐射。
2. 2
吸收作用：大气平流层中的臭氧（O3）吸收太阳辐射里的紫外线（uv），而对流层里面的大量水气和二氧化碳CO2吸收太阳辐射中红外线。
大气吸收占比约19%。
3. 3
反射作用：通过云层反射削弱，云层越厚则反射越强烈。
此外，在地面也会被地面、水面、叶面等反射损失。
4. 4
散射作用：空中弥散大量微小尘埃和空气分子选择性吸收可见光中的蓝紫光。
较大颗粒的尘埃通过无选择散射削弱太阳辐射。
上述反射和散射贡献占比约34%。
5. 5
地面吸收太阳辐射，占比大概47%。
END
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大气遥感第三章：太阳辐射在大气中的吸收和散射1
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• 它是在大气温度变化范围内唯一可以发生相变 的成分。由于水的三态都善于吸收和放射红外 辐射，因而对地面和空气的温度变化也有一定 的影响。
大气遥感
水汽的吸收系数
(m) kl,w (m-1) (m) kl,w (m-1) (m) kl,w (m-1)
0.691.6源自0.9327001.85
220000
0.84
15.5
1.4
110000
3.2
10000
0.85
0.3
1.45
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0.86
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1950
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1.55
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6.3
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大气对太阳光的三种作用
大气对太阳光的三种作用太阳光是地球上最重要的能源之一，它对地球的照射有着重要的影响。
而大气作为太阳光传播的媒介，对太阳光起着至关重要的作用。
大气对太阳光的作用主要有三种，分别是散射、吸收和透射。
散射是大气对太阳光的一种重要作用。
当太阳光穿过大气层时，会与大气中的分子和颗粒发生碰撞，使光线改变方向并散射到各个方向。
这种散射现象使得天空呈现出蓝色或其他颜色。
根据散射光的波长不同，可以解释为什么天空在不同时间呈现出不同的颜色，比如黄昏时的红色。
大气对太阳光的吸收也是非常重要的。
太阳光中的一部分能量会被大气层吸收，其中主要是被大气中的气体分子吸收。
气体分子对太阳光的吸收会导致大气层局部温度升高，进而引起大气的垂直运动，从而形成气象现象，如对流层中的对流运动和对流云的形成。
此外，大气层吸收太阳光中的紫外线辐射也起到了一定的保护作用，防止紫外线过多地照射到地球表面，对生物和环境造成伤害。
大气对太阳光的透射也是一种重要作用。
透射是指太阳光穿过大气层直接到达地球表面的过程。
透射光的强度取决于大气的透明度，即大气中的杂质和污染物的含量。
透射光对地球上的生物活动和气候变化具有重要影响。
透射光中的可见光和红外线辐射对植物的光合作用和地表温度的分布起着重要作用，而紫外线则对臭氧层的形成和破坏具有重要影响。
总结起来，大气对太阳光的作用主要包括散射、吸收和透射三个方面。
散射使天空呈现出不同的颜色，吸收使大气层产生局部温度升高和垂直运动，透射光直接影响地球上的生物活动和气候变化。
这些作用使得大气层成为了太阳光传播的重要媒介，对地球上的生命和环境有着重要的影响。
通过深入了解大气对太阳光的作用，我们能更好地理解和应对气候变化和环境保护的问题。
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• (4)90度方向的散射光几乎是全徧振的．
分子偶极子的辐射
• 单个分子是最简单的电磁波辐射源，吸收 电磁波，辐射电磁波。
• 分子是散射能的点源，由于散射过程时间 很短，此时，外界入射波可以忽略不计。 散射波的发射过程如同没有入射波存在一 样。
瑞利散射机制模型
• 电磁波在单位时间内通过垂直于传播方向单 位面积的能流或平均功率由poynting矢量决 定，其中E0为电场的最大值
• 计算处Poynting矢量的大小为： • 这个次波的平均功率由外电场引入的电偶极
矩确定。转化成波长的形式就是：
将平均功率转化为散射通量强度
VD7.162107V0
T M
（3）压力变宽（劳伦兹变宽，赫鲁兹马克变宽）ΔVL
由于原子相互碰撞使能量发生稍微变化。 劳伦兹（Lorentz）变宽： 待测原子和其他原子碰撞。随原子区压力增加而增大。 赫鲁兹马克（Holtsmark）变宽（共振变宽）： 同种原子碰撞。浓度高时起作用，在原子吸收中可忽略 （4）自吸变宽
模型中的假设
• 不离子化，总体上没有净电荷，在电场中 总体不受力
• 无极化，负电荷均匀的分布在球壳上，因 此也可以看作对应的对称中心
• 各向同性，束缚力的弹性系数在各个方向 上相同，不会有振动最强的方向。
• 线性和弱阻尼性，离共振频率较远的地方 振幅小，谐振频率部位阻尼所变。
正负电荷位移形成偶极矩
偶极子对外辐射
• 分子电子电荷的来回运动是宏观尺度中赫兹偶极 子天线中电流运动的一个小尺度模拟，向外发射 电磁波，在几个波长以外，辐射是一个向外传输 的球面波。考虑电偶极矩的最大值，
• 根据Frank的工作，次波电矢量的瞬时值为
• Ø为偶极子方向和观察方向的夹角，R为沿这个方 向的距离，由于sinø这一因子的存在使得在电偶 极子方向上没有电磁辐射
气体分子吸收光谱
线 • 连续光谱 在一个很宽的波长范围内存在较
大的吸收
• 线型光谱的加宽机制
谱线的轮廓与谱线变宽
原子结构较分子结构简
单，理论上应产生线状光
谱吸收线。
实际上用特征吸收频率
辐射光照射时，获得一峰
形吸收(具有一定宽度)。
由：It=I0e-Kvb ， 透射 光强度 It和吸收系数及
• 激光雷达信号的强度直接和散射系数相关。 • 由于其运动速度不同，激光照射后后向散
射的的光谱加宽不同。 • 根据光谱形状的不同，可以把大气后向散
射信号分开，分别得到分子和气溶胶的色 性
瑞利散射的特征
• (1)散射光的强度和波长的四次方成反比， 因此晴朗天空基本上是蓝色而十是太阳光 的颜色：
• (2)散射光的空间分布与观测方向有一个 简单的关系，
• 辐射在大气中传输 辐射在大气中传输时，由于同大气分子与气溶
胶粒子之间的相互作用而产生一系列的效应，这 些效应使辐射衰减，但同时也为我们提供了丰富 的信息，成为大气遥感的基础。
• 物质的辐射特性可由其反射率ρ，吸收率α， 透过率τ，其都为介于0-1的无量纲数值。
布给定律
0
z
z+dz
z
l
大气光谱的透过率
光源空心阴极灯发射的共振线被灯内同种基态原子所吸 收产生自吸现象。灯电流越大，自吸现象越严重。 （5）场致变宽 外界电场、带电粒子、离子形成的电场及磁 场的作用使谱线变宽的现象；影响较小；
在一般分析条件下ΔVo为主。
• 碘吸收稳频的532nmNd：YAG激光是国际 米定义委员会推荐的激光频率标准之一[1]。 1975年国际上正式采用由激光频率和波长 测量得到真空中光速值为国际推荐值。
分立吸收线及其展宽
谱带吸收
• 分子的振动-转动或者甚至在很窄的吸收带 内可能含有数十条或数百条以上的吸收线， 虽然每条吸收线都有其确定的参数，但要 找出这个普代总吸收的分析形式是极其困 难的，解决的办法之一是进行逐线积分， 存在的误差5～10%。
大气对太阳辐射的吸收光谱
大气散射
• 包括瑞利散射和Mie散射，散射源分别是大 气中的分子与大气中的气溶胶。
• 中心不动，质量大，则电子谐振，其角频 率为：
• K为弹性系数，m为电子质量
（1）
•
（2）
（3） （4）
典型的振动频率
• r为1×10-10米，可以得到典型的振动波长 为：
• 当假设分子只有一个电子的话，其辐射处 在近紫外波段。
实际情况
• 不止一个振子参与震荡，总的频率将与振 动电子数的平方根增加，
• 无电场作用时，正负电荷重合
• 在外电场作用下，不重合形成极性分子， 这种极化是所有反射和折射的基础。
• 电场力与弹性力平衡，当电场周期性的变 化是，偶极距与外电场同步，振动，
• 各向同性，振动方向总和与入射波保持一 直，又分子的尺寸远远小于波长，因此， 分子范围内的瞬时相位可以认为是相同的。
散射体的自振和共振频率
• 理想无阻尼的振子，当达到谐振时，其振 幅将无穷大，对一个振动偶极子存在一定 的阻尼，使振幅限于一定的范围，并稍微 使谐振频率加宽。
偶极距及次波
• 当有外来电磁波时，电子受力为：
• 由于阻尼足够小，忽略之，则有：
分子偶极矩的几何图形
二阶一元微分方程
• 其稳态解为：
• 振动的负电荷与相对静止的正电荷构成一 个平行于入射波电场矢量的偶极距P，P的 大小为：
大气与光的相互作用
卜令兵
主要内容
• 大气辐射吸收 • 散射
– 分子散射 – 气溶胶散射
• 光谱加宽 • 散射系数
一 大气辐射传输概述
• 大气吸收地面长波辐射的同时，又以辐射的方式 向外放射能量。大气这种向外放射能量的方式， 称为大气辐射。由于大气本身的温度也低，放射 的辐射能的波长较长，故也称为大气长波辐射 （约3～120微米） ）。
辐射频率有关。
以Kv与 作图：
表征吸收线轮廓(峰)的参数： 中心频率O(峰值频率) ： 最大吸收系数对应的频率；
中心波长：λ(nm)
半 宽 度：ΔO
吸收峰变宽原因：
（1）自然宽度
照射光具有一定的宽度。 （2）温度变宽（多普勒变宽） ΔVo
多普勒效应：一个运动着的原子发出的光，如果运动方 向离开观察者（接受器），则在观察者看来，其频率较静止 原子所发的频率低，反之，高。