第五章 红外辐射在大气中的传输

分类 粉尘微粒 硫化物 氮化物 氧化物 卤化物 有机化合物 成分 碳粒、飞灰.碳酸钙、氧化锌、二氧化铅 二氧化硫、三氧化硫、硫酸、硫化氢、硫醇等 一氧化氮、二氧化氮、氨等 臭氧、过氧化物、一氧化碳等 氯、氟化氢、氯化氢等 碳化氢、甲醛、有机酸、焦油、有机卤化物、酮等
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——红外技术及应用
大气的高度
严格地说，不存在大气圈的上界。 大气圈的垂直范围通常有两种划法： （一）着眼于大气中出现的某些物理现象。大气中极光是出现高度最高 的物理现象，因此，可以把大气的上界定为1200公里。

1பைடு நூலகம்大气的基本组成
包围着地球的大气层，每单位体积中大约有78%的氮气和 21%的氧气，另外还有不到1%的氩（Ar）、二氧化碳(CO2)、 一氧化碳(CO)、一氧化二氮(N2O)、甲烷(CH4)、臭氧(O3)、 水汽(H2O)等成分。除氮气、氧气外的其他气体统称为微量 气体。
除了上述气体成分外，大气中还含有悬浮的尘埃、液滴、冰 晶等固体或液体微粒，这些微粒通称为气溶胶。
• （2）在紫外和可见光谱区域中，由氮分子和氧分子所引起的瑞
利（Rayleigh)散射是必须要考虑的。
• （3）粒子散射或米（Mie)氏散射。 • （4）大气中某些元素原子的共振吸收 。 • （5）分子的带吸收是红外辐射衰减的重要原因。
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——红外技术及应用
§ 5.1 地球大气的基本组成和气象条件

• 3 臭氧
• 臭氧在大气中的形成和分解过程，决定了臭氧的浓度 分布以及臭氧层的温度。
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——红外技术及应用
4 大气中的主要散射粒子
在辐射传输研究中常用的气溶胶尺度谱模式有以下两种：
（1）Diermendjian谱模式，其公式为
dN r ar exp b dr


（5-2）
式中N为单位体积中的粒子数，r为粒子半径，a，b，α， γ是依来源而定的常数。

C v L tv L bv L bv 0.02 （5-9） C 0 L t0 L b0 L b0
在实际测量中，总是让特征目标的亮度远远大于背景 的亮度，即Lt>>Lb,而Lb0=LbV。因此，上式可变为
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——红外技术及应用
水汽
来源：江、河、湖、海及潮湿物体表面的水分蒸发 . 分布：集中在大气底层，一般随高度的增高而减少 ;且因纬度、地势高
低以及海陆的不同而有差异：低纬＞高纬、夏季＞冬季、湿润地 区＞干旱地区 作用：是大气唯一能发生相变的气体，产生天气现象； 对地面和空气温度产生影响； 在水平和垂直方向上进行物质与能量的交换。
1 水蒸气
水蒸气在大气中，尤其在低层大气中的含量较高，是对红
外辐射传输影响较大的一种大气成分。虽然人眼看不见，但它 的分子对红外辐射有强烈的选择吸收作用。
(1)水蒸气含量描述
(2)水蒸气的分布
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——红外技术及应用 (1)水蒸气含量描述
•
•
•
•
1)水蒸气压强：水蒸气压强是大气中水蒸气的分压强，用符号 pw表示，其单位是Pa。 2)绝对湿度：绝对湿度是单位体积空气中所含有的水蒸气的质 量，通常用符号ρw表示，其单位为g/m3。所谓绝对湿度，是指 水蒸气的密度。 3)饱和水蒸气压：在由气体转变为液体过程中的水蒸气，称为 饱和水蒸气。在饱和空气中，水蒸气在某一温度下开始发生液 化时的压强，称为饱和水蒸气压，用ps表示。 4)饱和水蒸气量：某一空气试样中，处于某一温度时，单位体 积内所能容纳最大可能的水蒸气质量，用ρs表示，其单位是 g/m3。
•
大气中水蒸气的密度随着高度的增加而迅速地减小（每升
高5km，分压强降低一个数量级）。
• 不同时间、不同气候区，不同季节水蒸气含量差别很大。
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——红外技术及应用
• 2 二氧化碳
• 随着高度的增加，二氧化碳对红外辐射的吸收虽然减
少，但不如水蒸气吸收减少得那么显著。因此，在低空水 蒸气的吸收对红外辐射的衰减起主要作用；而在高空，水 蒸气的吸收退居次要地位，二氧化碳的吸收变得更重要了。
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——红外技术及应用
1 气象视程与视距方程式
目标与背景的对比度随着距离的增加而减少到2%时 的距离，称为气象视程，简称为视程或视距。 我们可以以背景亮度为标准定义目标的对比度C，即

Lt Lb C Lb
式中Lt为目标亮度；Lb为背景亮度
（5-7）
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——红外技术及应用
人眼对两个目标亮度的差异的区别能力是有限的，这 种限制的临界点称为亮度对比度阈。亮度对比度阈通常以 CV表示，对于正常的人眼来说，其标准值为0.02。
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——红外技术及应用 (1)水蒸气含量描述
• 5)相对湿度：相对湿度是空气试样中水蒸气的含量和同温度下 该空气试样达到饱和是水蒸气含量的比值，用百分数RH表示
w pw RH s ps
•
（5-1）
6)露点温度：露点温度是给定空气试样变成饱和状态时的温度
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——红外技术及应用 (2)水蒸气分布
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——红外技术及应用
§ 5.1 地球大气的基本组成和气象条件
干洁空气
1 概念： 大气中除水汽、液体和固体杂质外的整个混合气体。 2 成分：主要成分是氮、氧、氩、二氧化碳等，此外还有少量的氢、 氖、氪、氙、臭氧等稀有气体 。 3 特点：(1)组成干洁空气的各种成分总是维持，(2)干洁空气的平均分 子量是28.996，(3)在垂直高度90km以下干洁空气的主要成分所占 比例不变 4 干洁空气中几种有影响的气体 （1）臭氧:含量少，20-25km最多；影响气温垂直分布，保护生物 （2）二氧化碳：集中于大气底部20公里，因时间和空间而不同(夏季较 少，冬季较多；城市较多，农村较少)强烈吸收长波辐 射,影响大气和地面温度；但含量过高影响会响人类健 康。
红外辐射在大气中的传输问题一直受到人们的普遍重 视。这是因为红外辐射自目标发出后，要在大气中传输相 当长的距离，才能达到观测仪器，由此总要受到大气中各 种因素的影响，给红外技术的应用造成限制性的困难。
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——红外技术及应用
红外辐射在大气中传输时，主要有以下几种因素使之衰减：
• （1）在0.2～0.32µm的紫外光谱范围内，光吸收与臭氧的分解 作用有联系。
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——红外技术及应用
（二）平流层（10~25km) 随着高度的增高，气温保持不变或微有上升，因此平流层也 称为同温层。气流比较平衡，多晴好天气，能见度高。 (三)中间层（25~80km)
该层的特点是：气温随高度增高而上升（由于臭氧层对紫外 线的吸收），而60~80km内随着高度增加温度又逐渐下降。
H O CO
2
（5-5）
2

在高度为h的水平路程x所具有的透射率等于长度为x0的等 效海平面上水平路程的透射率，用数字表达式可以表示为
p x 0 x p 0

k
（5-6）
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——红外技术及应用 § 5.4 大气的散射衰减
辐射在大气中传输时，除因分子的选择性吸收导致辐射 能衰减外，辐射还会在大气中遇到气体分子密度的起伏及微 小微粒，使辐射改变方向，从而使传播方向的辐射能减弱， 这就是散射。 一般说来，散射比分子吸收弱，随着波长增加散射衰减 所占的地位逐渐减少。但是在吸收很小的大气窗口波段，相 对来说散射就是使辐射衰减的主要原因。
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——红外技术及应用

（2）Junge谱模式，其公式为
dN r cr d lg r

（5-3）
式中c、ν是谱参数，c一般取2～4，ν与总浓度有关 （3）对数正态谱模式
dN r d ln r
ln r ln R 2 exp （5-4） 2 2ln 2 ln N
式中σ、R是谱参数。
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§ 5.3 大气的吸收衰减
本节将研究大气吸收产生的衰减

为了确定给定大气路程上分子吸收所决定的大气透射率，
可以有如下几种方法：
（1）根据光谱线参数的详细知识，一条谱线接一条谱线地 做理论计算；
（2）根据带模型，利用有效的实验测量或实际谱线资料为
依据，进行理论计算； （3）在所要了解的大气路程上直接测量； （4）在实验室内模拟大气条件下的测量。

对于同一目标来说，当它距观察点的距离为x时，那么观 察者所看到的目标与背景的对比度为
L tx L bx Cx L bx
（5-8）
式中Ltx为观察者所看到的目标亮度；Lbx为背景亮度
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——红外技术及应用
当x=V处的亮度对比度CV与x=0处的对比度亮度C0的比值 恰好等于2%时，这时的距离V称为气象视距，即
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——红外技术及应用
• 2 表格法计算大气的吸收
表格法计算大气的吸收是一种利用红外和大气工作者
编制的大气透过率表格可以方便地计算大气吸收。根据人 们的实验数据，采用适当的近似，已经整理出各种形式的 大气透射率数据表
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——红外技术及应用

任意波长上的透射率为从表中观察到的水蒸气和二氧化碳 透射率的乘积，即
（二）着眼于大气密度，用接近于星际的气体密度的高度来估计大气 的上界。按照人造卫星探测资料推算，这个上界大约在2000— 3000公里高度上。
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——红外技术及应用


2 大气的气象条件
所谓大气的气象条件，是指大气
的各种特性，如大气的温度、压 强、湿度、密度等，以及它们随 时间、地点、高度的变化情况。
大气中的固体杂质和液体微粒
1.固体杂质
定义：悬浮于大气中的烟粒、尘埃、盐粒等。 来源：物质燃烧的烟粒、海水飞溅扬入大气后而被蒸发的盐粒，被风吹 起的土壤微粒及火山喷发的烟尘，流星燃烧所产生的细小微粒和 宇宙尘埃,还有细菌、微生物、植物的孢子花粉等 。