发布时间 : 星期四 文章红外辐射和辐射源-中科院上海技术物理研究所 - 图文更新完毕开始阅读f9b46df6970590c69ec3d5bbfd0a79563c1ed4b4
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(1.8.1)
式中： ?为大气透过率，?称为衰减系数，或消光系数，x是路程长度。 衰减系数可分解为吸收系数?和散射系数?：
????? (1.8.2)
吸收系数、散射系数，均随波长而变化。
1．8．2 大气吸收
在红外波段，吸收比散射严重得多。大气含有多种气体成份，根据分子物理学理论，吸收是入射辐射和分子系统之间相互作用的结果，而且仅当分子振动（或转动）的结果引起电偶极矩变化的，才能产生红外吸收光谱。由于地球大气层中含量最丰富的氮、氧、氩等气体分子是对称的，它们的振动不引起电偶极矩变化，故不吸收红外。大气中含量较少的水蒸汽、二氧化碳、臭氧、甲烷、氧化氮、一氧化碳等非对称分子，振动引起的电偶极矩变化能产生强烈红外吸收。
下图为海平面上约2公里的水平路径所测得的大气透过曲线，图的下部表示了水蒸汽、二氧化碳和臭氧分子所造成的吸收带。由于低层大气的臭氧浓度很低，在波长超过1微米和高度达12公里的范围内，意义最大的是水汽和二氧化碳分子对辐射的选择性吸收，如二氧化碳在2.7、4.3和15微米有较强的吸收带。
图1.29
图中的几个高透过区域称之为大气窗口。近、中、远红外波段的大气窗口有：0.95～1.05微米、1.15～1.35微米、1.5～1.8微米、2.1～2.4微米、3.3～4.2微米、4.5～5.1微米和8～13微米。有时我们也粗略地认为地球大气有1～3微米、3～5微米和8～14微米三个大气窗口。
1．8．3 大气散射
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大气散射是大气分子和大气中悬浮粒子引起的，大气层及其所含的悬浮粒子统称为气溶胶。
霾表示弥散在气体溶胶中的各处的细小微粒，它由很小的盐晶粒、极细的灰尘或燃烧物等组成，半径一直到0.5微米。在湿度较大的地方，湿气凝聚在这些微粒上，可使它们变得很大。当凝聚核增大为半径超过1微米的水滴或冰晶时，就形成了雾。云的形成原因和雾相同，只是雾接触地面而已。
仅含散射物质（无吸收物质）的大气光谱透过率为：
粒子的散射系数与其半径与入射 辐射波长之比有关。假设：每立方厘米大气中含n个水滴，每水滴半径为r，则散射系数为：
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(1.8.3)
式中：?是散射系数，包括了气体分子、霾和雾的散射影响。
x为路程长度。
???nKr2 (1.8.4)
式中K：是散射面积比，是散射效率的度量。
图1.30
上图的物理意义很明显，当散射粒子的尺寸小于波长时，K值随波长迅速增加，表现为选择性散射。波长愈短，散射愈厉害。当半径等于波长时，K值最大，约为3.8,散射最强烈。水滴进一步增大，K值轻微震荡，最终趋近于2。由于此时K值与波长无关，散射呈现为非选择性散射。
比波长小得多的粒子产生的散射称为瑞利散射，其散射系数与波长的四次方成反比，有很强的光谱选择性。气体分子本身的散射就属瑞利散射，睛空呈现蔚蓝色是由于大气中的气体分子把较短波长的蓝光更多地散射到地面上来的缘故，而落日呈现红色则是因为平射的太阳光经过很长的大气路程后，红光波长较长，其散射损失也较小。
与波长差不多大的粒子的散射称为弥氏散射，弥氏散射无明显选择性。颗粒较大的烟雾，由于对各种色光都有较高的散射效率，呈白色，是典型的弥氏散射。
大气气体分子或悬浮微粒的强散射主要表现在可见区，而雾的散射对可见光、红外的大气透过率都有影响。大气散射对可见光观察的影响程度可用能见度表示。在能见度较差的雾天，有时我们会发现红外图像比可见光图像更清晰一些，从而误认微“红外透过大气的性能比可见光好”，其实不能一概而论。
测量雾中的水滴表明，其半径在0.5到80微米范围,尺寸分布峰值一般在5～15微米之间。因此，雾粒的大小和红外波长差不多，r/?近似为1，散射面积比
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接近最大值。
假定每立方厘米大气中含200个水滴的雾，水滴半径为5微米。可算得在4微米处，100米路程的透过率仅百分之几。因此，无论是可见或红外波段，雾的透过率都很低。一般来讲，红外系统只要工作在大气层内，就不可能象雷达一样成为全天候的系统。当然，如果是薄雾天气，雾的颗粒较小，工作波段选用长波红外，红外波段的透过率还是要比可见光波段高一些。
野外实验表明，有雨时大多数红外系统的性能将要下降，但跟有云和雾时不一样。由于雨滴比波长大许多倍，在红外波段，雨的散射与波长无关。对散射系数而言，小雨滴起着非常大的作用。此外，雨的散射系数仅取决于每秒钟降落在单位水平面积内的雨滴数。
1．8．4 大气层
根据大气温度的垂直分布，大气可划分为对流层、同温层、中间层、热电离层。
图1.31 大气层划分
我们主要关心的是同温层以下的低层大气，因为它包含了很多不利于辐射传输的成分，如吸收分子、灰尘、雾、雨、雪和云。大气的组分的相对比例直到
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50哩高度几乎不变。
表中所列各种气体成分的混合比直到80公里高度都是不变的，可把它称为均匀混合气体。因此，根据理想气体状态方程可以得到均匀混合气体密度随高度的分布。
图1.32 均匀混合气体密度随高度的分布
由于混合比不变，根据不同高度处大气密度，可求出CO2、O3、CH4、N2O等吸收气体的含量，用于大气传输的计算。
水蒸汽是大气中的可变成分，它的含量随温度、高度和位置而变。在海平面极潮湿的大气中，水蒸汽含量可高达2％，海平面的大气吸收大部分由水蒸汽产生。大气水蒸汽含量随高度增高而迅速减少，在12公里以上可忽略不计。
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