大气辐射传输理论 第三章..
第三章
太阳辐射在大气中的吸收和散射
第一节 地球大气的成分和结构 为了描述地球大气与太阳辐射的相互作用，我们首先来了解一下大气的结构和成分。 3.1.1热力结构
? 为了确定与太阳光吸收
和散射有关的大气区域，我们首先给出标准大气的垂直温度廓线：
大气的分层命名通常由它的热力状态导出
? 对流层－对流层顶的高度随纬度和季节变化(低纬17~18km ，中11~12km ，高8~9km)；集中了整个
大气质量的3/4和全部的水汽；天气现象都发生在这一层。 ? 平流层－高达50km ；气层稳定；T 最初微升，30km 以上随Z 的升高增加很快，达270～290K 。
这主要是由于O3 吸收紫外辐射所致；水汽很少，能见度很高。 ? 中层－高达80~85km ；T 随Z 升高而递减得很快；有强烈的湍流混合和光化学反应。 ? 热层－高达500~600km ；T 随Z 上升而迅速增加，可达1000~2000K ，所以称热层；由于波长小于
0.175微米的太阳紫外辐射，被热层气体吸收所致。温度是分子运动速度的一个度量；温度一日间有显著变化；热层处于高度电离状态。 ? 外层－热层顶以上是外层，这一层可能一直延伸到约1600km 的高空，并且逐步融合到行星空间去。
由于地球引力场的束缚力很小，一些高速运动的空气质粒不断向星际空间逃逸，又称外逸层。 ? 电离层－从距离约60km 开始向上延伸。在远距离无线电通讯中起着重要作用。与太阳活动密切相
关。 ? 磁层－500km 以上的高空。受太阳风的作用，看起来像彗星状。 ? 行星边界层：大气层的最低1km 左右的层次明显与对流层的其他高度不同，它与地表发生强烈而重要
的相互作用，这一层称为行星边界层。
3.1.2
化学成分
恒定成分变化成分成分
体积比（％）
成分
体积比（％）
Nitrogen (N 2)Oxygen (O 2)Argon (Ar)
Carbon dioxide (CO 2)Neon (Ne)Helium (He)Krypton (Kr)Xenon (Xe) Hydrogen (H 2)Methane (CH 4)
Nitrous oxide (N 2O)b Carbon monoxide (CO)b
78.08420.9480.934 0.036
18.18 ×10-45.24 ×10-41.14 ×10-40.089 ×10-40.5 ×10-41.7 ×10-40.3 ×10-40.08 ×10-4
Water vapor (H2O)Ozone (O3)
Sulfurdioxide (SO2)b Nitrogendioxide (NO2)b
Ammonia (NH3)b Nitric oxide (NO)b Hydrogensulfide (H2S)b (HNO3)
Chlorofluorocarbons (CFCI3, CF2C12
CH3CCI3, CC14, etc.)
0 ～0.04
0 ～12 ×10-40.001 ×10-40.001 ×10-40.004 ×10-40.0005 ×10-40.00005 ×10-4微量Trace
体积比
?假设在压力P、温度T状态下干空气占有容积V a，其中某气体成分的分压力为p，当温度T保持不变，而该气体成分的压力变为P时。它占有容积V，则定义该气体成分的体积比为q=V/Va ?其数值以百分数（％）或百万分数（ppm）表示，当含量非常少时，又可以用千兆分数（ppb）表示。
CO2 ，CH4
?CO2 虽然被列为恒定成分，但由于矿物燃烧、海洋的吸收和放射及光合作用，一直以大约0.4％的速度增加。CO2 能够强烈地吸收和放射红外辐射，对气温有一定的影响。
?大气中CH4 的含量也以每年1％～2％的速率在增加，现在达1.7ppmv
?CO, N2O 的含量也在变化
可变气体成分：H2O
?水汽是地球大气中主要的辐射和动力要素，它的含量随时空变化很大。对流层H2O的空间分布取决于局地水文循环和大尺度输送过程。
–最大值出现在南、北半球亚热带700hpa高度以下的气层中。
?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
水汽的吸收系数
可变气体成分：
?O3 1840的高度，这个区域称为臭氧层（法国
–
减小，到50km附近臭氧含量趋于零。如果把它集中起来，在标准状态下，平均厚度约
3mm。
–它的形成主要是由于太阳紫外辐射的作用。
–
臭氧吸收系数
气溶胶
? 气溶胶：气溶胶由固体或液体小质点分散并悬浮在气体介质中形成的胶体分散体系。目前常将气溶胶
分成三大类：①雾，指液体粒子的凝聚性气溶胶和分散性气溶胶；②尘，指固态粒子的分散性气溶胶；③烟，指固态粒子的凝聚性气溶胶。
– 大气电现象，大气辐射和光学，大气化学过程，以及云降水的形成，都跟气溶胶有关。
? 最大浓度出现在城市和沙漠，在对流层，浓度随高度增加而迅速减小。平流层某些高度上，观测到有
气溶胶薄层长期存在。 ? 大气中水汽含量的变化最大，气溶胶浓度的变化次之，二氧化碳的变化比较小。 ? 参看《气溶胶教程》作者：章澄昌，气象出版社， 1993。 标准大气
第二节大气吸收
吸收截面，吸收系数
太阳辐射—短波辐射：0.15~4.0mm (UV,VIS,IR)
地气辐射—长波辐射：4.0~120mm (IR)
短波辐射在大气中的传输
?短波辐射指波长在0.2mm 到4.0mm的辐射，其主要的源是太阳，因此也称为太阳辐射，包括UV，VIS和IR辐射。在这一波长范围，大气自身的热辐射相对较弱，常常可以不加考虑，仅在近红外波
段，才需要给予考虑。但本波段所涉及电磁波的波长与大气气溶胶的尺度相近，因此气溶胶的散射和吸收需要进行仔细的计算。
3.2.1 紫外吸收带
?对太阳辐射的吸收起主要作用的有O2、O3、N2、CO2、H2O以及原子O和N
?大部分紫外辐射在高层大气中被集中于平流层的O3分子吸收
–1）Hartley带：最强的吸收带，位于0.22-0.30mm，吸收中心在0.255mm。
–2）Huggins带：0.30-0.34mm。
–3）Chappuis带：0.44-0.74mm
SOLAR SPECTRUM
波长(?)吸收物质主要层次
175024201000-1750-20002000-2420-31003100-40004000-8500
O2舒曼容格连续吸收带。1216 ?莱曼线O2舒曼容格带
O2 赫茨堡连续吸收带O3 哈特莱带
O3哈特莱带; O( l D) O3 哈金斯带; O( 3P)O3查普斯带
热层中间层中间层平流层平流层平流层
平流层,对流层
对流层
大气质量
在上面公式计算中都要用到大气质量这个参数。按定义，大气质量是倾斜路径的光学厚度与垂直路径光学厚度之比
在均质 平面平行大气中，简单地有 dl = sec q dz ，且 sec q 为常数，可移至积分号以外，因此大气质量即为 sec q 而与kl (z ) 无关。但在又折射、密度随高度变化的球面分层大气中，大气质量m 的计算就要复杂得多。（与地面大气密度，均质大气高度。地球半径，折射率随z 的变化，天顶角有关）
??=
=dz
z k l
d z k m )()()0()()(l l l l τθτθ
?
从图 中可以看到，对同样厚度的一层大气，由于它离地面的高度不同，dl 与dz 的比值是不相同的。
?
现在再考虑公式中的积分值。由于kl (z ) 随高度有不同的分布，当kl 值在低层较大，而那里的dl 值也较大，这样分子上的积分值就会较大，反之，如果kl 的大值出现在高层，那里dl 的值相对较小，其结果是分子上的积分值相对较小。
?
因此对二种具有不同垂直分布特征的吸收气体，即使对垂直路径而言，吸收的光学厚度是相同的，但对吸收气体主要分布在高空的气体其大气质量会小于主要集中在低层的吸收气体。
?
实际大气中臭氧和水汽分布就具有上述特征，因此它们的大气质量要分别计算。而对其它均匀混合的气体，其大气质量的计算可用同一个表达式，这是根据标准大气的模型推算出来的。
? 对臭氧和水汽吸收，根据这些气体在大气中分布的平均状况，可以分别得到计算各自大气质量的经验公式。 ? 对臭氧
? 对水汽
?
上面二式中q 为太阳天顶角，z 3 为臭氧分布的峰值高度，一般为22 km ， re = 6371 km ，为地球半径。
太阳直接辐射光谱
3.2.2 可见光区和近红外区的吸收 ? H2O 的吸收是最重要的，其次就是CO2和O3，以及CH4、N2O 、CFCs 等大气痕量气体。
– 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。
– 近红外区的最重要吸收成分是水汽。主要的吸收带位于：0.94mm ，1.1mm ，1.38mm 和
1.87mm 。
2
1323o ])/(2cos [/1e e
r z r z m ++=
θ1
452.1])650.92(0548.0cos [---+=θθw m
–另外在中、远红外分别有2.7mm和6.3mm的强吸收带。
水汽的吸收系数
?图中影区代表大气中各种微量气体对太阳辐射通量的吸收。
?分子氧吸收紫外辐射的同时，在红区有两个弱吸收带，0.762mm的O2吸收带特别出名。O3在
9.6mm处也较强吸收带。
?CO2的混合比在大气中几乎是均匀的，所以，在水汽含量极少的平流层中，CO2的吸收最主要。在红外区CO2有两个强吸收带分别位于15mm 和4.3mm处。
?除了上述重要的吸收气体成分外，尚有一些微量气体在红外区也有若干吸收带。由于他们含量微少，吸收作用不十分显著。
?参看《大气辐射学》，刘长盛刘文保编著，南大出版，1990。第73页的fig. 2.5
红外吸收带
3.2.3 微波吸收 ? 大气对微波辐射吸收的主要气体成分是O2分子和H2O 分——分子转动能级跃迁产生，谱带结构比分
子红外振转带简单得多。 ? 微波吸收线型函数一般取修正的Lorentz 型。 ? 大气微波辐射量很少，因此在能量传输中并不重要，但在遥感应用方面却十分重要，微波辐射在云中
传输时衰减小，可穿透云，优于红外遥感。虽然微波辐射能量微弱，但利用电子技术检测微波辐射却容易做到。
O 2：5mm(60GHz)H 2O ：
1.64(183.31GHz)和13.5mm(2
2.24GHz)
3.2.4 窗区吸收
大气窗区：从大气吸收光谱可以看到，在较强吸收带之间，有着一些吸收很弱的谱区域，称为大气窗区。即大气透过率高的光谱区。
对于遥感和大气能量收支研究而言，窗区和带区同等重要。
窗区的吸收主要有两部分：1）由于远处强吸收带区内吸收线的线翼连续吸收作用；2）由于窗区内弱吸收线作用。吸收弱 测量困难 大气窗口
? 大气窗口：
– 电磁波在大气中传输过程中吸收和散射很小，透射率很高的波段
遥感常用的大气窗口有：0.3 -1.3 μm 1.5 -1.8 μm 2.0 -2.6 μm 3.5 -5.5 μm
8 -14 μm 0.8 -25 cm
要想较好地获得地面的信息，必须在大气窗口中选择遥感波段。
窗区吸收
窗区吸收
? 主要的大气窗口光谱段有：
– 0.3-1.3μm ，即紫外、可见光、近红外波段。这一波段是摄影成像的最佳波段，也是许多卫星
传感器扫描成像的常用波段。比如，Landsat 卫星的TM 的1-4波段，SPOT 卫星的HRV 波段等。
– 1.5-1.8μm ，2.0-3.5μm ，即近、短波、中红外波段，在白天日照条件好的时候扫描成像常用
这些波段，比如TM 的5、7波段等用以探测植物含水量以及云、雪或用于地质制图等。 – 3.5-5.5μm ，即中红外波段，物体的热辐射较强。这一区间除了地面物体反射光谱反射太阳辐
射外，地面物体也有自身的发射能量。如NOAA 卫星的A VHRR 传感器用3.55-3.93μm 探测海面温度，获得昼夜云图。
– 8-14μm ，即远红外波段。主要来自物体热辐射的能量，适于夜间成像，测量探测目标的地物
温度。
– 0.8-2.5cm 至更长, 即微波波段，由于微波穿云透雾的能力，这一区间可以全天候工作。而且
工作方式为主动遥感。其常用的波段为0.8cm ，3cm ，5cm ，10cm 等等, 有时也可将该窗口扩展为0.05cm 至300cm 波段。
大气透过率的计算方法 逐线积分
ku
F
T e F
-==
?求和必须要遍及所有有影响的吸收线，在低层大气，由于压力较大，线翼伸展较远，故必须考虑波数两侧数十个波数范围内吸收线的影响。关于谱线的位置、强度和半宽度的数据可以从汇编资料中查
得，谱线线型函数则须视所处压力范围而分别Lorentz型、V oigt型和Doppler型。
?此方法的特点是：计算精度较高，但十分繁琐。
大气透过率的计算方法带模式
一、单谱线模式
?假设在波段间隔Δν内只有一条吸收谱线，且路程内吸收气体含量均匀，又设谱线半宽度与Δν相比甚小，假定在Δν内入射辐射不随ν变化，在Δν外谱线吸收微弱。
?低层大气——Lorentz型；
?高层大气—— Doppler型；求出吸收率A的表达式
?中层大气——V oigt型
实验发现:
当吸收弱时，积分吸收率A与光学质量u成正比
当吸收强或吸收气体含量大时，吸收率与u的平方根成正比
等效宽度（equivalent width）
Equiv. width of Lorentz profile
Case of weak line absorption
二、谱带模式
?1、规则模式—Elsasser周期模式
?2、随机模式—Goody统计模式
谱带模式
如果不需要了解高分辨的大气透过率，只需要了解一个小的光谱间隔内的平均透过率，通常采用一些简化的模
式，这种简化模式表示某一小波段内的平均透过率与光谱参数的关系，由于方便常被采用。
思想：设想在吸收带中吸收谱线的位置和强度按一定规律分布，且可以用数学函数表示出来，公式中的光谱参数可由实验确定。
Elsasser周期模式(1938)
离特定谱线中心、波数位移ν处的吸收系数:
无穷级数之和，收敛为周期双曲函数
吸收带所有吸收谱线完全周期性地重复出现?只需要计算一个周期（-δ/2, + δ/2）内的平均透过率和平
弱线近似
≈1
u
强线近似
≈1+β2/2
将误差函数做级数展开，取首项
()22
/
i
S
k
i
ν
απ
ν
δα+∞
=-∞
=
-+∑
?弱线近似与强线近似，分别与线性吸收律和平方根吸收律一致。
随机模式－Goody统计模式(1952)
?当吸收谱线分布不均匀，且谱线强度变化很大时，即谱线有明显的随即分布特征。做一下假设：
假设:Δν内有足够多的吸收线（n条，平均距离δ），其中心位置任意（随机量），即Δν内吸收线中心位置在任何波数都有同样的概率
吸收线强S强弱不等，S到S+dS的概率为p(s)
1967年，Malkmus提出Goody1952年的统计模式对弱线的数目估计偏低，他将线强分布函数做了调整，被称为Malkmus模式
?实际的吸收带结构与它们有差别，但是利用上述模式进行计算有许多方便之处。
?可以先从实验测量确定模式中的光谱参数，然后再利用模式计算平均透过率。
?此方法的特点是：计算简单，但误差较大。
带模式方法的局限性
1）只能模拟实际的谱线及其强度分布。某一种气体，某一光谱区
2）对纯压力加宽以外的线型，带模式失去其简单性 3）对大多数带模式来说，光谱分辨率是较低
4）精度和适用范围不仅与模式本身有关，还受确定带模式参数的资料（如实验室资料）精度和适用范围限制 5）带模式只能用来计算均匀路径上的吸收，对非均匀的情况，必须化为在某一温度和压力下的等效均匀路径 Curtis-Godson 近似
带模式中假设吸收系数与路径无关，但Lorentz 线型半宽度是T 、p 的函数，线强是T 、ν的函数
为将谱带模式应用到压力和温度随高度而变化的的非均匀大气中，需要进行某些物理修正。常用的是C-G 近似方法
由于在大气中含量的垂直分布的不同，C-G 近似可较好地用于水汽和CO2的红外传输计算，但不能对O3的9.6微米带进行计算
将此平均线强和半宽度用于前述带模式进行计算，即为C-G 近似 大气透过率的计算方法
K-分布近似法 指数和模式 K-distribution approximation K-分布近似法（指数和模式） ? 在Δν 范围内同样一个吸收系数值可能在不同的波数位置上出现，为了避免重复计算，可以事先根据
详细的光谱资料统计出各个吸收系数出现的频数，即K-分布。 ? 可以理解为，将吸收系数K ，从大到小或从小到大，在Δν 范围内重新排序，排列成连续的K 分布曲
线。这样既有足够的精度又省时。
相关K-分布近似法
大气透过率的经验模式计算方法
LOWTRAN模式
《大气辐射传输实用算法》吴北婴，气象出版社，1998
大气辐射传输模型
[转载]大气辐射传输模型 已有 968 次阅读2010-11-6 14:31|个人分类:未分类|系统分类:科普集锦|关键词:辐射传输 转自https://www.360docs.net/doc/d68687770.html,/s/blog_4b700c4c0100jgl7.html 相对辐射校正和绝对辐射校正 基于物理模型的绝对辐射校是利用一系列参数(例如，卫星过境时的地物反射率，大气的能见度，太阳天顶角和卫星传感器的标定参数等)将遥感图像进行校正的方法。仪器引起的误差畸变一般在数据生产过程中由生产单位根据传感器参数进行了校正。对于用户来所，绝对辐射校正的方法主要是辐射传输模型法，该方法校正精度较高，它是利用电磁波在大气中的辐射传输原理建立起来的模型对遥感图像进行大气校正的方法。由于有不同的不同的假设条件和适用的范围，因此产生很多可选择的大气较正模型，例如 6S模型、LOWTRAN模型、MODTRAN模型、ATCOR模型等。 基于统计模型的相对辐射校正,主要包括不变目标法、黑暗像元法与直方图匹配法等等。不变目标法假定图像上存在具有较稳定反射辐射特性的像元，并且可确定这些像元的地理意义，那么就称这些像元为不变目标，这些不变目标在不同时相的遥感图像上的反射率将存在一种线性关系。当确定了不变目标以及它们在不同时相遥感图像中反射率的这种线性关系，就可以对遥感图像进行大气校正。黑暗像元法的基本原理就是在假定待校正的遥感图像上存在黑暗像元区域、地表朗伯面反射、大气性质均一，忽略大气多次散射辐照作用和邻近像元漫反射作用的前提下，反射率很小的黑暗像元由于大气的影响，而使得这些像元的反射率相对增加，可以认为这部分增加的反射率是由于大气程辐射的影响产生的。利用黑暗像元值计算出程辐射，并代入适当的大气校正模型，获得相应的参数后，通过计算就得到了地物真实的反射率。直方图匹配法是指如果确定某个没有受到大气影响的区域和受到大气影响的区域的反射率是相同的，并且可以确定出不受影响的区域，就可以利用它的直方图对受影响地区的直方图进行匹配处理。此外，还有很多基于统计模型的方法，如有人提出利用小波变换的遥感图像相对辐射校正方法。该方法对源图像小波变换域的低频成分实施辐射变换,并保持高频成分不变,重构的图像具有保持高频信息的特性,因而能够较好地保留原图像中由于地物变化引起的辐射差异；也有人利用主成分分析法把遥感图像中有用的信息和大气影响噪音区分开来。 大气辐射传输模型6S 1986年，法国Université des Sciences et Technologies de Lille（里尔科技大学）大气光学实验室Tanré等人为了简化大气辐射传输方程，开发了太阳光谱波段卫星信号模拟程序5S（SIMULATION OF THE SATELLITE SIGNAL IN THE SOLAR SPECTRUM），用来模拟地气系统中太阳辐射的传输过程并计算卫星入瞳处辐射亮度。1997年，Eric Vemote对5S进行了改进，发展到6S（SECOND SIMULATION OF THE SATELLITE SIGNAL IN THE SOLAR SPECTRUM）,6S吸收了最新的散射计算方法，使太阳光谱波段的散射计算精度比5S有所提高。 这种模式是在假定无云大气的情况下，考虑了水汽、CO2、O3和O2的吸收、分子和气溶胶的散射以及非均一地面和双向反射率的问题。6S是对5S的改进，光谱积分的步长从5nm 改进到2.5nm，同5S 相比，它可以模拟机载观测、设置目标高程、解释BRDF作用和临近效应，增加了两种吸收气体的计
遥感辐射传输模型
遥感辐射传输模型 姓名：张超 学院：地球科学与环境工程学院 专业：遥感科学与技术 班级：遥感一班 提交时间：2015年5月10日 大气订正是遥感技术的重要组成部分，主要包括大气参数估计和地表反射率反演两个方面。如果获得了大气特性参数，进行大气订正就变得相对容易，但是
获得准确的大气特性参数通常比较困难。通常有两类方法用辐射传输方程计算大气订正函数：一种是直接的方法，对于大气透过率函数和反射率函数，通过对模型的积分来得到；另一种是间接的方法，他不是直接计算所需要的大气订正函数，而是通过辐射传输模型输出的表观反射率，结合模型输入的参数来求解。大气订正方法有很多，比如：基于图像特征的相对订正法、基于地面线形回归模型法、大气辐射传输模型法和复合模型法等。它是利用电磁波在大气中的 辐射传输原理建立起来的模型对遥感图像进行大气订正的方法。 其中，大气辐射传输模型(Atmospheric Radiative Transfer Model)法是较常用的大气订正方法，它用于模拟大气与地表信息之间耦合作用的结果，其过程可以描述为地表光谱信息与大气耦合以后，在遥感器上所获得的信息，其中考虑了光子与大气相互作用机理，物理意义明确，具有很高的反演精度。 大气辐射传输原理 电磁辐射在介质中传输时，通常因其与物质的相互作用而减弱。辐射强度的减弱主要是由物质对辐射的吸收和物质散射所造成的，有时也会因相同波长上物质的发射以及多次散射而增强，多次散射使所有其它方向的一部分辐射进入所研究的辐射方向。当电磁辐射为太阳辐射，而且忽略多次散射产生的漫射辐射时，光谱辐射强度的变化规律可以表述为[1] （1）式中，IΛ是辐射强度， s是辐射通过物质的厚度，ρ是物质密度,KΛ表示对波长λ辐射的质量消光截面。令在s=0 处的入射强度为Iλ（0），则在经过一定距离s1后，其出射强度可由式(1)积分得到 （2）假定介质是均匀的，则kλ与距离s无关，因此定义路径长度 （3）则式(2)可表示为 （4）上式就是比尔定律，也称朗伯定律。它指出，通过均匀消光介质传输的辐射强度按简单的指数函数减 弱，该指数函数的自变量是质量消光截面和路径长度的乘积。它不仅适用于强度
普朗克黑体辐射公式推导
普朗克黑体辐射公式推 导 The document was finally revised on 2021
普朗克黑体辐射公式的推导 所谓的黑体是指能吸收射到其上的全部辐射的物体，这种物体就称为绝对黑体，简称黑体。 黑体辐射：由这样的空腔小孔发出的辐射就称为黑体辐射。 辐射热平衡状态: 处于某一温度 T 下的腔壁，单位面积所发射出的辐射能量和它所吸收的辐射能量相等时，辐射达到热平衡状态。 实验发现： 热平衡时，空腔辐射的能量密度，与辐射的波长的分布曲线，其形状和位置只与黑体的绝对温度 T 有关而与黑体的形状和材料无关。 实验得到： 1. Wien 公式 从热力学出发加上一些特殊的假设，得到一个分布公式： ννννρνd T C C d )/ex p(231-=
Wien 公式在短波部分与实验还相符合，长波部分则明显不一致。 2. Rayleigh-Jeans 公式 ννπνρνd kT C d Jeans Rayleigh 2 38= -公式 Rayleigh-Jeans 公式在低频区和实验相符，但是在高频区公式与实验不符，并且 ∞→=?∞ v v d E E ，既单位体积的能量发散，而实验测得的黑体辐射的能量密度是 4T E σ=，该式叫做Stefan-Bolzmann 公式，σ叫做Stefan-Bolzmann 常数。 3. Planck 黑体辐射定律 1900年１２月１４日Planck 提出如果空腔内的黑体辐射和腔壁原子处于平衡，那么辐射的能量分布与腔壁原子的能量分布就应有一种对应。作为辐射原子的模型，Planck 假定： （1）原子的性能和谐振子一样，以 给定的频率 v 振荡； （2）黑体只能以 E = hv 为能量单位不连续的发射和吸收辐射能量，而不是象经典理论所要求的那样可以连续的发射和吸收辐射能量。 得到： νννπνρνd kT h C h d ??? ? ??-=1)/exp(1 833该式称为 Planck 辐射定律 h 为普朗克常数，h=s j .10 626.634 -? 4，普朗克的推导过程： 把空窖内的电磁波分解为各个频率的简振振动，简振模的形式最后为 ).(),(wt r K i k k e C t r -=αβψ，为常系数振方向，表示两个互相垂直的偏α αk C 2,1=
大气辐射传输理论 第一章..
大气辐射传输理论 引言 学科定义： 1、大气辐射学研究辐射能在地球-大气系统内传输和转换的规律及其应用，属大气物理学的一个分支。大气辐射学是天气学、气候学、动力气象学、应用气象学、大气化学和大气遥感等学科的理论基础之一。 2、地球－大气系统的辐射差额是天气变化和气候形成及其演变的基本因素，可以说辐射过程与动力过程的作用共同决定了地球的气候环境。 学习、研究的意义 辐射是地气系统与宇宙空间能量交换的唯一方式 数值天气预报中需要定量化考察大气辐射过程 辐射传输规律是大气遥感的理论基础 气候问题——辐射强迫 近年来人类活动造成的地球大气气候变迁成为大气科学研究热点，其原因也在于人类活动所排放的某些物质会改变地球大气中的辐射过程所致。 大气辐射学主要研究内容： 一、地-气系统辐射传输的基本物理过程和规律，包括 1、太阳的辐射(97%E在0.3～3μm波段内，λ m=0.5μm附近)； 2、地-气系统辐射(绝大部分E在4～80μm波段内，λ m=10μm附近)； 3、不同地表状态云、气溶胶、水汽、臭氧、二氧化碳等对辐射传输的影响。 二、大气辐射学还要研究辐射传输方程的求解。 辐射传输方程：是描述辐射传播通过介质时与介质发生相互作用(吸收、散射、发射等)而使辐射能按一定规律传输的方程，在地球大气条件下，求解非常复杂，只能在一些假定下求得解析解，因此辐射传输方程的求解，一直是大气辐射学研究的重要内容。 三、另外，对辐射与天气、气候关系的研究也是大气辐射学的重要内容，它是从地-气系统辐射收支的角度，来研究天气和气候的形成以及气候变迁问题的。 相关内容： 许多复杂的物理动力气候学问题中，涉及到海洋、极冰、陆地表面的辐射和热状况，大气中的云、气溶胶、二氧化碳等因子在辐射过程中对气候所造成的影响，以及这些过程和大气辐射过程之间复杂的相互作用和反馈关系。 第一章用于大气辐射的基本知识 第一节辐射的基本概念 太阳辐射和地球大气辐射虽具有不同的特性，其本质是相同的，它们都是电磁辐射。电磁辐射是以波动和粒子形式表现出的一种能量传送形式。 1.1.1电磁波及其特性 一、波：波是振动在空间的传播。有横波和纵波的形式之分。 二、机械波：机械振动在媒质中的传播，如声波、水波和地震波。 三、电磁波（ElectroMagnetic Spectrum）：变化电场和变化磁场在空间的传播。 四、电磁辐射: 电磁能量的传递过程（包括辐射、吸收、反射和投射）称为电磁辐射。 五、电磁波的特性： 1、电磁波是横波 2、在真空中以光速传播 3、电磁波具有波粒二相性： 波动性：表现在电磁辐射以波动方式在大气中传播，并发生反射、折射、衍射和偏振等效应。也就是说电
大气辐射传输校正模型(5S,modtran,acorn)
在遥感的实际应用中，常用很多简化的手段，如假设地面为朗伯面，排除云的存在，采用有关标准大气模式及大气气溶胶模式等，一次产生了许多不同类型的大气辐射传输模型，主要分为两类， 1）采用大气的光学参数 2）直接采用大气物理参数如lowtran、modtran等大气辐射近似计算模型，而且还增加了多次散射计算 1. 5s模型 该模型的代码模拟计算海平面上的均匀朗伯体目标的反射率，并假定大气吸收作用与散射作用可以耦合，就像吸收粒子位于散射层的上面一样，则大气上层测 量的目标反射率可以表示为， 海平面处朗伯体的反射率 大气透过率 分子、气溶胶层的内在反射率 有太阳到地表再到传感器的大气透过率 S为大气的反射率 大气传输辐射校正模型－3 modtran 该模型是由美国空军地球物理实验室研制的大气辐射模拟计算程序，在遥感领域被广泛应用于图像的大气校正。
lowtran7是一个光谱分辨率20cm－1，的大气辐射传输实用软件，它提供了6种参考大气模式的温度、气压、密度的垂直廓线，水汽、臭氧、甲烷、一氧化碳、一氧化二氮的混合比垂直廓线，其他13种微量气体的垂直廓线，城乡大气气溶胶、雾、沙尘、火山喷发物、云、雨的廓线，辐射参量（如消光系数、吸收系数、非对称因子的光谱分布），以及地外太阳光谱。 lowtran7可以根据用户的需要，设置水平、倾斜、及垂直路径，地对空、空对地等各种探测几何形式，适用对象广泛。lowtran7的基本算法包括透过率计算方法，多次散射处理和几何路径计算。 1）多次散射处理 lowtran 采用改进的累加法，自海平面开始向上直至大气的上界，全面考虑整层大气和地表、云层的反射贡献，逐层确定大气分层每一界面上的综合透过率、吸收率、反射率和辐射通量。再用得到的通量计算散射源函数，用二流近似解求辐射传输方程。 2）透过率计算 该模型在单纯计算透过率或仅考虑单次散射时，采用参数化经验方法计算带平均透过率，在计算多次散射时，采用k－分布法 3）光线几何路径计算 考虑了地球曲率和大气折射效应，将大气看作球面分层，逐层考虑大气折射效应 由于lowtran直接使用大气物理参数，因而需要按照下列方法计算出与 lowtran使用的大气物理参数相对应的大气光学参数179页 4.modtran辐射传输模型 modtran可以计算0到50000cm－1的大气透过率和辐射亮度，它在440nm到无限大的波长范围精度是2cm－1，在22680到50000cm－1紫外波（200-440nm）范围的精度是20cm－1，在给定辐射传输驱动、气溶胶和云参数、光源与遥感器的几何立体对和地面光谱信息的基础上，根据辐射传输方程来计算大气的透过率以及辐射亮度。
黑体辐射公式的推导
普朗克和瑞利-金斯黑体辐射公式的推导 1 引言 马克斯·普朗克于1900年建立了黑体辐射定律的公式，并于1901年发表。其目的是改进由威廉·维恩提出的维恩近似（至于描述黑体辐射的另一公式：由瑞利勋爵和金斯爵士提出的瑞利-金斯定律，其建立时间要稍晚于普朗克定律。由此可见瑞利-金斯公式所导致的“紫外灾难”并不是普朗克建立黑体辐射定律的动机）。维恩近似在短波范围内和实验数据相当符合，但在长波范围内偏差较大；而瑞利-金斯公式则正好相反。普朗克得到的公式则在全波段范围内都和实验结果符合得相当好。在推导过程中，普朗克考虑将电磁场的能量按照物质中带电振子的不同振动模式分布。得到普朗克公式的前提假设是这些振子的能量只能取某些基本能量单位的整数倍，这些基本能量单位只与电磁波的频率有关，并且和频率成正比。 这即是普朗克的能量量子化假说，这一假说的提出比爱因斯坦为解释光电效应而提出的光子概念还要至少早五年。然而普朗克并没有像爱因斯坦那样假设电磁波本身即是具有分立能量的量子化的波束，他认为这种量子化只不过是对于处在封闭区域所形成的腔（也就是构成物质的原子）内的微小振子而言的，用半经典的语言来说就是束缚态必然导出量子化。普朗克没能为这一量子化假设给出更多的物理解释，他只是相信这是一种数学上的推导手段，从而能够使理论和经验上的实验数据在全波段范围内符合。不过最终普朗克的量子化假说和爱因斯坦的光子假说都成为了量子力学的基石。
2 公式推导 2.1 普朗克公式和瑞利-金斯公式的推导 黑体是指在任何温度下,对于各种波长的电磁辐射的吸收系数恒等于1的物体。黑体辐射的能量是由电磁场的本征振动引起的，为简化推导过程，在此将黑体简化为边长为L 的正方形谐振腔。则腔内的电磁场满足亥姆霍兹方程： 2222u+k u 0 (k )ωμε?== （1） 用分离变量法，令u(x,y,z)X(x)Y(y)Z(z)= 则（1）式可分解为三个方程： 22 2 22 222200 0x y z d X k X dx d Y k Y dy d Z k Z dz ?+=???+=???+=?? 其中2222x y z k k k ωμε++= 得（1）式的驻波解为： 112233(,,)(cos sin )(cos sin )(cos sin ) x x y y z z u x y z c k x d k x c k y d k y c k z d k z =+++由在x=0,x=L,y=0,y=L,z=0,z=L 上的边界条件0n E n ?=?及0D E ?=可得：
普朗克黑体辐射公式推导
普朗克黑体辐射公式的推导 所谓的黑体是指能吸收射到其上的全部辐射的物体，这种物体就称为绝对黑体,简称黑体。 黑体辐射：由这样的空腔小孔发出的辐射就称为黑体辐射。 辐射热平衡状态:处于某一温度T 下的腔壁,单位面积所发射出的辐射能量和它所吸收的辐射能量相等时,辐射达到热平衡状态。 实验发现： 热平衡时,空腔辐射的能量密度，与辐射的波长的分布曲线，其形状和位置只与黑体的绝对温度T 有关而与黑体的形状和材料无关。 实验得到： 1.W ｉen 公式 从热力学出发加上一些特殊的假设,得到一个分布公式： Ｗien 公式在短波部分与实验还相符合，长波部分则明显不一致。 2. Rayleig ｈ－Jeans 公式 Raylei ｇh-Je ａns 公式在低频区和实验相符，但是 在高频区公式与实验不符，并且 ∞→=?∞ v v d E E ，既单位体积的能量发散，而 实 验测得的黑体辐射的能量密度是4 T E σ=,该式 叫 做Stefa ｎ-Bolz ｍann 公式,σ叫做St ｅfan-Bol ｚman ｎ常数。 3. Planc ｋ黑体辐射定律 1900年１２月１4日Ｐlan ｃｋ提出如果空腔内的黑体辐射和腔壁原子处于平衡，那么辐射的能量分布与腔壁原子的能量分布就应有一种对应。作为辐射原子的模型,P ｌanck 假定： （1）原子的性能和谐振子一样,以给定的频率v 振荡； (２)黑体只能以Ｅ=hv 为能量单位不连续的发射和吸收辐射能量,而不是象经典理论所要求的那样可以连续的发射和吸收辐射能量。 得到： νννπνρνd kT h C h d ??? ? ??-=1)/exp(1 833该式称为P ｌａnck 辐射定律 ｈ为普朗克常数,ｈ＝s j .10626.634 -? 4，普朗克的推导过程： 把空窖内的电磁波分解为各个频率的简振振动,简振模的形式最后为) .(),(wt r K i k k e C t r -=αβψ， 为常系数振方向，表示两个互相垂直的偏ααk C 2,1=
大气辐射传输模型6S简介
大气辐射传输模型6S简介 1986年，法国Université des Sciences et Technologies de Lille（里尔科技大学）大气光学实验室Tanré等人为了简化大气辐射传输方程，开发了太阳光谱波段卫星信号模拟程序5S（SIMULATION OF THE SATELLITE SIGNAL IN THE SOLAR SPECTRUM），用来模拟地气系统中太阳辐射的传输过程并计算卫星入瞳处辐射亮度。1997年，Eric Vemote对5S进行了改进，发展到6S（SECOND SIMULATION OF THE SATELLITE SIGNAL IN THE SOLAR SPECTRUM）,6S吸收了最新的散射计算方法，使太阳光谱波段的散射计算精度比5S有所提高。 这种模式是在假定无云大气的情况下，考虑了水汽、CO2、O3和O2的吸收、分子和气溶胶的散射以及非均一地面和双向反射率的问题。6S是对5S的改进，光谱积分的步长从5nm改进到2.5nm，同5S相比，它可以模拟机载观测、设置目标高程、解释BRDF作用和临近效应，增加了两种吸收气体的计算（CO、N2O）。采用SOS (successive order of scattering) 方法计算散射作用以提高精度。缺点是不能处理球形大气和limb (临边)观测。 它其中主要包括以下几个部分： （1）太阳、地物与传感器之间的几何关系:用太阳天顶角、太阳方位角、观测天顶角、观测方位角四个变量来描述； （2）大气模式：定义了大气的基本成分以及温湿度廓线，包括7种模式，还可以通过自定义的方式来输入由实测的探空数据，生成局地更为精确、实时的大气模式，此外，还可以改变水汽和臭氧含量的模式； （3）气溶胶模式：定义了全球主要的气溶胶参数，如气溶胶相函数、非对称因子和单次散射反照率等，6S中定义了7种缺省的标准气溶胶模式和一些自定义模式； （4）传感器的光谱特性：定义了传感器的通道的光谱响应函数，6S中自带了大部分主要传感器的可见光近红外波段的通道相应光谱响应函数，如TM，MSS，POLDER和MODIS等； （5）地表反射率：定义了地表的反射率模型，包括均一地表与非均一地表两种情况，在均一地表中又考虑了有无方向性反射问题，在考虑方向性时用了9种不同模型）。 这5个部分便构成了辐射传输模型，考虑了大气顶的太阳辐射能量通过大气传递到地表，以及地表的反射辐射通过大气到达传感器的整个辐射传输过程。 6S的输入参数主要有9个部分组成：
黑体辐射定律
基尔霍夫热辐射定律 基尔霍夫热辐射定律(Kirchhoff热辐射定律),德国物理学家古斯塔夫·基尔霍夫于1859年提出的传热学定律,它用于描述物体的发射率与吸收比之间的关系。 简介一般研究辐射时采用的黑体模型由于其吸收比等于1(α=1),而实际物体的吸收比则小于1(1>α>0)。基尔霍夫热辐射定律则给出了实际物体的辐射出射度与吸收比之间的关系。 ?M为实际物体的辐射出射度,M b为相同温度下黑体的辐射出射度。 而发射率ε的定义即为 所以有ε=α。 所以,在热平衡条件下,物体对热辐射的吸收比恒等于同温度下的发射率。 而对于漫灰体,无论就是否处在热平衡下,物体对热辐射的吸收比都恒等于同温度下的发射率。 不同层次的表达式 对于定向的光谱,其基尔霍夫热辐射定律表达式为 对于半球空间的光谱,其基尔霍夫热辐射定律表达式为 对于全波段的半球空间,其基尔霍夫热辐射定律表达式为 ?θ为纬度角,φ为经度角,λ为光谱的波长,T为温度。 参考文献
?杨世铭,陶文铨。《传热学》。北京:高等教育出版社,2006年:356-379。 ?王以铭。《量与单位规范用法辞典》。上海:上海辞书出版社 普朗克黑体辐射定律 普朗克定律描述的黑体辐射在不同温度下的频谱 物理学中,普朗克黑体辐射定律(也简称作普朗克定律或黑体辐射定律)(英 文:Planck's law, Blackbody radiation law)就是用于描述在任意温度T下,从一个黑体中发射的电磁辐射的辐射率与电磁辐射的频率的关系公式。这里辐射率就是频率的函数[1]: 这个函数在hv=2、82kT时达到峰值[2]。 如果写成波长的函数,在单位立体角内的辐射率为[3]
普朗克黑体辐射量子理论
普朗克的假设 在热力学中，黑体（Black body），是一个理想化的物体，它能够吸收外来的全部电磁辐射，并且不会有任何的反射和透射。随着温度上升，黑体所辐射出来的电磁波则称为黑体辐射。
“紫外灾难”：在经典统计理论中，能量均分定律预言黑体辐射的强度在紫外区域会发散至无穷大，这和事实严重违背 马克斯·普朗克于1900年建立了黑体辐射定律的公式，并于1901年发表。其目的是改进由威廉·维恩提出的维恩近似（至于描述黑体辐射的另一公式：由瑞利勋爵和金斯爵士提出的瑞利-金斯定律，其建立时间要稍晚于普朗克定律。由此可见瑞利-金斯公式所导致的“紫外灾难”并不是普朗克建立黑体辐射定律的动机。）。维恩近似在短波范围内和实验数据相当符合，但在长波范围内偏差较大；而瑞利-金斯公式则正好相反。普朗克得到的公式则在全波段范围内都和实验结果符合得相当好。在推导过程中，普朗克考虑将电磁场的能量按照物质中带电振子的不同振动模式分布。得到普朗克公式的前提假设是这些振子的能量只能取某些基本能量单位的整数倍，这些基本能量单位只与电磁波的频率有关，并且和频率成正比。 这即是普朗克的能量量子化假说，这一假说的提出比爱因斯坦为解释
光电效应而提出的光子概念还要至少早五年。然而普朗克并没有像爱因斯坦那样假设电磁波本身即是具有分立能量的量子化的波束，他认为这种量子化只不过是对于处在封闭区域所形成的腔内的微小振子而言的，用半经典的语言来说就是束缚态必然导出量子化。普朗克没能为这一量子化假设给出更多的物理解释，他只是相信这是一种数学上的推导手段，从而能够使理论和经验上的实验数据在全波段范围内符合。不过最终普朗克的量子化假说和爱因斯坦的光子假说都成为了量子力学的基石。 爱因斯坦的光电子假设
电磁辐射在自然环境中的传输要点
§4 电磁辐射在自然环境中的传输 远距离探测是信息获取与处理技术的基本功能或主要应用。这必然会遇到电磁辐射在自然环境中的传输问题。不论是对地观测还是空间监视，辐射必然要穿越地球大气。显然，大气传输既是系统的组成部分，也是技术的基本内容。 辐射传输的基本问题是辐射同大气的相互作用。地球表面（陆地和水面）被大气包围着，大气分布在高度300km以下的空间。共分三层。对流层（0～10）km；同温层（10～60）km；电离层60km以上。大气密度随高度增加而减少。到30km高度已经下降二个数量级。大部分气体分布在10km以下高度。大气成份包括气体分子和悬浮粒子（气溶胶）。前者由氮（N2，78％）、氧（O2，21％）、臭氧（O3）、氩（Ar）和二氧化碳（CO2）等十几种分子组成。后者为烟尘、灰尘等微粒子。 电磁辐射在大气中传输，与大气中分子和粒子发生相互作用，主要是散射或吸收。其结果会使辐射中所携带的信息损失或畸变。传输特性的知识给出这种作用的详情。一方面可以校正畸变，另一方面也帮助系统设计者选择优良的辐射波段（窗口），保证信息传送。有许多情形，辐射同大气物质相互作用本身也是一种信息媒介。特别是主动式敏感过程，通过源（自然的或人工的）辐射同目标相互作用的结果来推断目标的相关性质。研究这种传输过程的本身就是获取目标信息的过程。例如，光雷达的光束穿过大气后，根据其变化测量大气成份。 4.1 反射、吸收、透射 4.2 大气的透射窗口 4.3 太阳辐射与地面反射 4.4 大气中的吸收和散射 4．4．1吸收 4．4．2散射 4.1 反射、吸收、透射 照理，电磁辐射同物体相互相互作用，会发生三种可能的情况。部分能量被反射和散射（反射率ρ），即改变了原来的传播方向而未进入物体；其它的能量则进入了物体。在进入物体的能量中，一部分被物体吸收（吸收率α），而另一部分则因物体透明而使其发生折射，然后从物体的另一端透射出去（透射率τ）。根据能量守恒原理，这三部分的比例因子之和应当等于1，即 α＋ρ＋τ＝1 （1－7）
4.1普朗克黑体辐射理论
4.1普朗克黑体辐射理论 【学习目标】 1．了解什么是热辐射及热辐射的特性，了解黑体与黑体辐射。 2．了解黑体辐射的实验规律，了解黑体热辐射的强度与波长的关系。 3．了解能量子的概念。 【学习过程】 一、黑体与黑体辐射 1．热辐射：我们周围的一切物体都在辐射__________，这种辐射与__________有关，所以叫热辐射。2．黑体 如果某种物体能够____________入射的各种波长的电磁波而不发生________，这种物体就是绝对黑体，简称黑体。 3．黑体辐射：黑体虽然不反射___________，却可以_________________电磁波。 注意：①一般物体的辐射与__________、____________、_______________有关，但黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的______________有关。 ②绝对黑体不存在，是理想化的模型 二、黑体辐射的实验规律 1．辐射强度按波长分布与温度的关系 特点：随温度的升高 ①各种波长的辐射强度都在_____________； ②辐射强度的最大值向_____________方向移动。 2．经典物理学所遇到的困难 （1）维恩的经验公式：__________符合，____________不符合。 （2）瑞利-金斯公式：___________符合，_____________荒唐。 3．超越牛顿的发现 1900年10月，_______________在德国物理学会会议上提出黑体辐射公式与实验结果非常吻合。 三、能量子 （1）普朗克的假设： 组成黑体的振动着的带电微粒能量只能是某一最小能量值ε的__________， 这个不可再分的最小能量值ε叫做__________。 （2）能量子公式： ε＝hν，其中ν是电磁波的频率，h称为______________，h＝6.62607015×10-34J·s。 （3）能量的量子化： 在微观世界中能量是量子化的，或者说是微观粒子的能量是________的。
MODTRAN和HYDROLIGHT辐射传输模型的耦合研究
北京师范大学 硕士学位论文 论文题目：MODTRAN和HYDROLIGHT辐射 传输模型的耦合研究 作者：高永刚 导师：王锦地教授杜克平 系别、年级：地理学与遥感科学学院 2003级 学科、专业：地图学与地理信息系统 完成日期：2006年5月
北京师范大学研究生院 北京师范大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：日期：年月日 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京师范大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京师范大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后遵守此规定） 本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 学位论文全文电子版同意提交后：□一年□二年在校园网上发布，供校内师生浏览。 本人签名：日期： 导师签名：日期：
摘要 MODTRAN和HYDROLIGHT辐射传输模型的耦合研究 摘要 海洋环境问题越来越受到人们的关注，而用水色遥感的手段检测海洋环境成为海洋研究中的一个重要课题。随着人们对水色遥感研究的深入，水色遥感模型的应用也越来越多，然而水色遥感与大气息息相关，所以水色遥感离不开对大气辐射传输理论的应用。本论文通过对海洋、大气辐射传输模型的各个模块分析，用当前发展最完善的大气辐射传输模型之一MODTRAN和水体辐射传输模型 HYDORLIGHT构建了一个考虑从太阳入射到传感器接收信号的辐射传输过程的海洋遥感模型，同时加入了一个简单而真实的云模型。 耦合以后的模型用MODTRAN和单独的云处理模块代替了原来的经验半经验模型来计算水面辐亮度，特别是云模型提供了云的位置和亮度信息，所以对水面辐亮度分布的计算更加准确。从耦合模型的计算结果中发现，各波段水面反射辐亮度与入射辐照度的比值在所有的方向上都是一条很规则的曲线。由此，通过指数函数拟合这条曲线而提出了一种遥感反射率的计算方法。由于水面辐亮度分布的不同必然导致耦合前后的模型在水面上行辐亮度计算上的差别，而在大气校正绝对准确的假设下，水面上行辐射的差别会引起水体参数反演的不同。用MODIS标准叶绿素算法分析云对一类水体叶绿素反演的影响后发现离太阳越近(不遮蔽太阳)的云对叶绿素反演的影响越小，云量的大小与叶绿素反演误差大于10％的面积比成正相关关系。 关键词：MODTRAN,HYDROLIGHT,水色遥感,模型耦合,遥感反射率 1
高中物理选修性必修 第三册教案 4.1普朗克黑体辐射理论-人教版(2019)
普朗克黑体辐射理论 【教学目标】 一、知识与技能 1．了解什么是热辐射及热辐射的特性，了解黑体与黑体辐射。 2．了解黑体辐射的实验规律，了解黑体热辐射的强度与波长的关系。 3．了解能量子的概念。 二、过程与方法 了解微观世界中的量子化现象。比较宏观物体和微观粒子的能量变化特点。体会量子论的建立深化了人们对于物质世界的认识。 三、情感、态度与价值观 领略自然界的奇妙与和谐，发展对科学的好奇心与求知欲，乐于探究自然界的奥秘，能体验探索自然规律的艰辛与喜悦。 【教学重点】 能量子的概念。 【教学难点】 黑体辐射的实验规律。 【教学过程】 一、复习提问、新课导入 教师：介绍能量量子化发现的背景： 19世纪末页，牛顿定律在各个领域里都取得了很大的成功：在机械运动方面不用说，在分子物理方面，成功地解释了温度、压强、气体的内能。在电磁学方面，建立了一个能推断一切电磁现象的Maxwell方程。另外还找到了力、电、光、声等都遵循的规律——能量转化与守恒定律。当时许多物理学家都沉醉于这些成绩和胜利之中。他们认为物理学已经发展到头了。 1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上，著名物理学家开尔文作了展望新世纪的发言：“科学的大厦已经基本完成，后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。”也就是说：物理学已经没有什么新东西了，后一辈只要把做过的实验再做一做，在实验数据的小数点后面在加几位罢了！ 但开尔文毕竟是一位重视现实和有眼力的科学家，就在上面提到的文章中他还讲到：
“但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云。”这两朵乌云是指什么呢？一朵与黑体辐射有关，另一朵与迈克尔逊实验有关。 然而，事隔不到一年（1900年底），就从第一朵乌云中降生了量子论，紧接着（1905年）从第二朵乌云中降生了相对论。经典物理学的大厦被彻底动摇，物理学发展到了一个更为辽阔的领域。正可谓“山重水复疑无路，柳暗花明又一村”。 点出课题：我们这节课就来学习普朗克黑体辐射理论。 二、新课教学 （一）黑体与黑体辐射 1．热辐射现象 固体或液体，在任何温度下都在发射各种波长的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到激发而发射电磁波的现象称为热辐射。 所辐射电磁波的特征与温度有关。 例如：铁块温度↑ 从看不出发光到暗红到橙色到黄白色 从能量转化的角度来认识，是热能转化为电磁能的过程。 2．黑体 教师：除了热辐射之外，物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波。不同的物体吸收和反射电磁波的能力是不一样的。 概念：能全部吸收各种波长的电磁波而不发生反射的物体，称为绝对黑体，简称黑体。 不透明的材料制成带小孔的空腔，可近似看作黑体。如图所示。 教师注意强调： （1）黑体是个理想化的模型。 （2）一般物体的辐射与温度、材料、表面状况有关，但黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关。 3．黑体辐射：黑体虽然不反射电磁波，却可以向外辐射电磁波，这样的辐射叫作黑体辐射。
大气辐射传输模型及其软件
大气辐射传输模型及其软件? 焦斌亮 高志强 李素静 白云 燕山大学信息科学与工程学院，河北 秦皇岛 066004 摘 要：本文主要阐述了大气辐射传输模型在大气订正中的应用，介绍了大气辐射传输原理，详细地叙述了6S 、LOWTRAN 、MODTRAN 和 FASCODE 等模型，同时提到了在以上模型基础上发展起来的其它辐射传输模型及软件，并对相应的模型及软件的共同特点和主要区别进行了比较，认为大气辐射传输模型在当前的大气订正模型中依然是比较可靠而常用的方法。 关键词：大气订正 辐射传输 6S MODTRAN 1 引 言 大气订正是遥感技术的重要组成部分，主要包括大气参数估计和地表反射率反演两个方面。如果获得了大气特性参数，进行大气订正就变得相对容易，但是获得准确的大气特性参数通常比较困难。通常有两类方法用辐射传输方程来计算大气订正函数：一种是直接的方法，对于大气透过率函数和反射率函数，通过对模型的积分来得到；另一种是间接的方法，它不是直接计算所需要的大气订正函数，而是通过辐射传输模型输出的表观反射率，结合模型输入的参数来求解。大气订正方法有很多，比如：基于图像特征的相对订正法、基于地面线形回归模型法、大气辐射传输模型法和复合模型法等。它是利用电磁波在大气中的辐射传输原理建立起来的模型对遥感图像进行大气订正的方法。 其中，大气辐射传输模型(Atmospheric Radiative Transfer Model)法是较常用的大气订正方法，它用于模拟大气与地表信息之间耦合作用的结果，其过程可以描述为地表光谱信息与大气耦合以后，在遥感器上所获得的信息，其中考虑了光子与大气相互作用机理，物理意义明确，具有很高的反演精度。 2 大气辐射传输原理 电磁辐射在介质中传输时，通常因其与物质的相互作用而减弱。辐射强度的减弱主要是由物质对辐射的吸收和物质散射所造成的，有时也会因相同波长上物质的发射以及多次散射而增强，多次散射使所有其它方向的一部分辐射进入所研究的辐射方向。当电磁辐射为太阳辐射，而且忽略多次散射产生的漫射辐射时，光谱辐射强度的变化规律可以表述为[1] λλλρI ds k dI ?= (1) 式中，I λ 是辐射强度，s 是辐射通过物质的厚度，ρ是物质密度，k λ表示对波长λ辐射的质量消光截面。 令在s=0处的入射强度为I λ（0） ，则在经过一定距离s 1后，其出射强度可由式(1)积分得到 ? 作者介绍：焦斌亮（1964—），男(汉族)，陕西户县人，燕山大学教授，主要从事光学遥感与CCD 应用技术研究；高志强（1981—），男（汉族），河北鹿泉人，燕山大学硕士研究生，研究方向：大气辐射在光学遥感中的应用。
黑体辐射定律
基尔霍夫热辐射定律 基尔霍夫热辐射定律（Kirchhoff热辐射定律），德国物理学家于提出的定律，它用于描述物体的与之间的关系。 简介一般研究辐射时采用的模型由于其吸收比等于1（α=1），而实际物体的吸收比则小于1（1>α>0）。基尔霍夫热辐射定律则给出了实际物体的与之间的关系。 M为实际物体的辐射出射度，M b为相同温度下黑体的辐射出射度。 而发射率ε的定义即为 所以有ε=α。 所以，在热平衡条件下，物体对热辐射的吸收比恒等于同温度下的发射率。 而对于漫灰体，无论是否处在热平衡下，物体对热辐射的吸收比都恒等于同温度下的发射率。 不同层次的表达式 对于定向的，其基尔霍夫热辐射定律表达式为 对于半球空间的光谱，其基尔霍夫热辐射定律表达式为 对于全波段的半球空间，其基尔霍夫热辐射定律表达式为
θ为纬度角，φ为经度角，λ为光谱的波长，T为温度。 参考文献 杨世铭，陶文铨。《传热学》。北京：高等教育出版社，2006年：356-379。 王以铭。《量和单位规范用法辞典》。上海：上海辞书出版社 普朗克黑体辐射定律 普朗克定律描述的黑体辐射在不同温度下的频谱 中，普朗克黑体辐射定律（也简称作普朗克定律或黑体辐射定律）（英文：Planck's law, Blackbody radiation law）是用于描述在任意T下，从一个中发射的的与电磁辐射的的关系公式。这里辐射率是频率的函数： 这个函数在hv=时达到峰值。 如果写成的函数，在单位内的辐射率为 注意这两个函数具有不同的单位：第一个函数是描述单位频率间隔内的辐射率，而第二个则是单位波长间隔内的辐射率。因而和并不等价。它们之间存在有如下关系：通过单位频率间隔和单位波长间隔之间的关系，这两个函数可以相互转换： 电磁波和的关系为 普朗克定律有时写做频谱的形式：
辐射特性测量大气传输修正研究_大气辐射传输模式和关键大气参数分析_魏合理
第43卷第3期红外与激光工程2014年3月Vol.43No.3Infrared and Laser Engineering Mar.2014 辐射特性测量大气传输修正研究：大气辐射传输模式和 关键大气参数分析 魏合理1,2，戴聪明1 (1.中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气成分与光学重点实验室，安徽合肥230031 2.中国科学技术大学环境光学学院，安徽合肥230031) 摘要：工作于大气中的光电测量(或遥感)设备接收的目标辐射信号受大气衰减和大气背景辐射影响。大气传输修正是目标辐射特性测量的一个重要环节。介绍了目前国际上实用的大气辐射传输计算模式及影响大气传输的重要大气光学参数的探测方法。对影响红外波段大气传输的重要大气光学参数作了分析，论证了辐射测量大气传输修正系统必须测量的大气参数。 关键词：大气传输修正；大气辐射传输模式；大气参数；测量 中图分类号：P407.6文献标志码：A文章编号：1007-2276(2014)03-0884-07 Research of atmospheric transfer correction in radiance measurement:atmospheric radiative transfer model and the analysis of key atmospheric parameters Wei Heli1,2,Dai Congming1 (1.Key Laboratory of Atmospheric Composition and Optical Radiation,Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Hefei230031,China;2.School of Environmental Sciences and Optoelectronic Techrology,University of Science and Technology of China,Hefei230031,China) Abstract:The signal of a target measured by electro-optics detector is attenuated by the atmosphere and affected by atmospheric background radiance.Atmospheric transfer correction is important to the measurement of target′s radiation characteristic.The commonly-used atmospheric radiative transfer models and the detecting methods of important atmospheric optics parameters affecting atmospheric radiative transfer were introduced.The atmospheric parameters affecting infrared radiative transfer were analyzed, the analyzed results indict those key atmospheric optics parameters must be measured in the atmospheric transfer correction system. Key words:atmospheric transfer correction;atmospheric radiative transfer model; atmospheric parameter;measurement. 收稿日期：2013-07-05；修订日期：2013-08-03 基金项目：国家自然科学基金(61077081)；国家高技术项目 作者简介：魏合理(1965-)，男，研究员，博士生导师，博士，现主要从事大气辐射传输研究、卷云辐射传输特性方面的研究。 Email:hlwei@https://www.360docs.net/doc/d68687770.html,。