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1、第五章地面和大气中的辐射过程5.3 地球大气与辐射的相互作用重点:吸收光谱、散射特征、布格定律 相关物理量5.3.1 大气吸收的物理过程吸收:投射到介质上面的辐射能中的一部分被转变为物质本身的内能或其它形式的能量.大气中有各种气体成分及气溶胶粒子对辐射具有选择吸收的特性是分子和原子结构及其所处运动状态决定的。气体分子或原子内的电子能级跃迁、原子和分子的振动和转动等所发射和吸收的辐射谱是非连续性的,构成原子的线光谱和分子的带光谱。单个分子,当它处于某一特定运动状态时,其分子内部总能量E由三部分组成 E=Ee+Ev+Er(5.3.1)Ee:绕原子核转动的外层电子的动能和静电位能Ev:原子在其平衡位
2、置附近振动的能量Er:分子绕其质量中心转动的能量 分子光谱An electron some distance from a nucleus has a particular value of potential energyBased on distance from the nucleus and the size of the electric fieldIf you give the electron more energy,it gain potential energy and will move farther away from the nucleus!The opposite
3、is also true.When an electron gives up energy to move closer,it will be emitted as a photon of lightThe electron is not allowed a leisurely journey from one orbit to anotherIt“jumps”instantaneouslyAlso explains why some frequencies of light emitted by hydrogen are the sum of two other frequencies th
4、at are observed-eV sign for DE indicates emission(+eV for absorption)Visible lines in H atom spectrum are called the BALMER series(里德博等式)Ultra Violet LymanInfrared Paschen玻尔的原子理论给出这样的原子图像:电子在一些特定的可能轨道上绕核作圆周运动,离核愈远能量愈高;可能的轨道由电子的角动量必须是 h/2的整数倍决定;当电子在这些可能的轨道上运动时原子不发射也不吸收能量,只有当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时原子才发射或吸收能量
5、,而且发射或吸收的辐射是单频的,辐射的频率和能量之间关系由 Eh给出。玻尔的理论成功地说明了原子的稳定性和氢原子光谱线规律。玻尔的理论大大扩展了量子论的影响,加速了量子论的发展。1915年,德国物理学家索末菲(Arnold Sommerfeld,1868-1951)把玻尔的原子理论推广到包括椭圆轨道,并考虑了电子的质量随其速度而变化的狭义相对论效应,导出光谱的精细结构同实验相符。1916年,爱因斯坦(Albert Einstein,1879-1955)从玻尔的原子理论出发用统计的方法分析了物质的吸收和发射辐射的过程,导出了普朗克辐射定律。爱因斯坦的这一工作综合了量子论第一阶段的成就,把普朗克、
6、爱因斯坦、玻尔三人的工作结合成一个整体。Emission spectrum of H(cont.)Light BulbHydrogen LampQuantized,not continuous辐射频率f及波数与能量改变的关系是f和 为分子吸收或发射谱线的位置。这种谱线由有限个非常窄的吸收线或发射线组成,其间夹杂该分子不可能发射和吸收的光谱间隙。吸收光谱与发射光谱是一致的分子光谱实际分子的转动跃迁常伴随着振动跃迁发生.在一个振动带内有许多转动谱线,而转动和振动能量的变化又常伴随着电子能级跃迁.使相应的谱带更呈现出复杂的带系结构.分子光谱N2和O2分子:对称的电荷分布没有振动或转动谱。其吸收和发射
7、谱由电子轨道跃迁造成,位于紫外和可见光辐射区。分子光谱举例H2O分子的原子呈三角形分布,是极性分子,有三种振动方式。这三种振动过程都引起电偶极距变化,产生吸收和发射,而转动和振动态的结合使得水汽的吸收谱十分复杂。其中第一、三种为伸缩振动,第二种是弯曲振动。O3分子的原子也呈三角形分布,有三种振动方式,其中9.6m的振动转动带比较重要。CO2分子是以C原子为中心,O原子位于两侧的线型对称分子,也有三种振动方式,但没有转动带。第一种方式是对称振动,因正、负电荷中心仍然重合,不产生电偶极距变化,故不吸收和发射辐射;第二种是弯曲振动,电偶极距发生了变化,因而产生极强的吸收和发射,波数为2=667,波长
8、2=15m;第三种是反对称振动,电偶极距也发生了变化,故也有强烈的吸收和发射,波数为3=2349 cm1,波长3=4.3m。Physical Causes of the Greenhouse Effect5.3.2 大气吸收光谱谱线增宽谱线增宽1、自然增宽:没有任何外界因素作用,谱线本身也必然具有一定的宽度,这是由于能级具有一定的宽度造成的(测不准原理)。2、压力加宽(碰撞加宽)在对流层和平流层大气中,由于分子、原子或离子处于不断的无规则运动中,频繁碰撞的结果导致发射辐射的位相发生无规则变化,而使谱线加宽。压力加宽与T、P有关,由于大气压力的变化比温度的变化大得多,碰撞加宽的谱线宽度随压力的变
9、化是主要的谱线增宽3、Doppler增宽由作热运动的分子发射辐射的Doppler频移引起。分子不停地向各个方向以不同速度作无规则运动,即使每个分子所发射的辐射频率相同,但因相对速度的原因使不同运动速度的分子的辐射之间有一定的频率差异,从而引起辐射谱线有一定程度的增宽。与T有关,与P无关谱线增宽谱线增宽在实际大气中,谱线的Doppler加宽和压力加宽同时存在。在大气低层(30km以下),谱线加宽主要由压力加宽效应决定;在大气高层(50km以上),Doppler加宽主要在平流层上层和中间层相当厚的一层大气中,压力加宽与Dopplar加宽同等重要:Doppler-Lorentz混合线型,称为Voig
10、t线型函数。谱线参数基线或零线谱线的宽度:半宽度极大值的1/2处之间的一半,它主要是压力和温度的函数谱线形状线强形状因子吸收系数单个粒子的吸收截面ab 粒子所吸收的辐射通量相当于面积ab从入射辐射场中所截获的辐射通量。体积吸收系数单位体积中各粒子吸收截面之和(ka=Nab)质量吸收系数(p81)单位体积中各粒子吸收截面之和;单位质量的吸收物质(1cm2气柱中)吸收了原辐射能的份数(5.3.19)加宽作用使得吸收带中谱线互相重叠,在每一波数处的吸收系数k实际多使用一波数间隔内的平均值吸收系数分子吸收足够的辐射能分裂为原子;不稳定的原子结合成较稳定的分子释放多余的辐射能光化反应所要求的辐射波谱可以
11、为连续谱,只要其中的波长短到使一个光子所提高的化学能足以造成分子的光解。其它能量转化为原子的动能,使气体的温度增高。地球大气中,大多数光化反应需要有紫外辐射和可见光辐射。光化反应任何原子都能被波长非常短的辐射所电离。具有足够能量的光子把电子从绕原子核旋转的外层轨道上剥离开来,这种过程称为光致电离。也象光化反应那样,光致电离要求辐射具有低于一定的临界能量波长的连续波。引起电离的辐射波长通常小于0.1m。光致电离选择性吸收太阳短波辐射:H2O、O2、O3地气长波辐射:H2O、CO2、O3气体吸收对大气辐射平衡的重要性取决于:一是吸收线的强度二是吸收气体的含量及其空间分布。5.3.2 大气吸收光谱5
12、.3.2 大气吸收光谱 H2O吸收约20%的太阳能量几乎覆盖长波辐射整个波段6.3m振动带大于12m转动带5.3.2 大气吸收光谱H2OH2O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。液态水:吸收带与气态对应,波段向长波方向移动。5.3.2 大气吸收光谱O2主要在小于0.25m的紫外区:舒曼-龙格(Schumann-Runge)吸收带赫兹堡(Herzberg)带因小于0.25m的太阳辐射能量不到0.2%,而且O2在可见光波段的两吸收带较弱,所以对太阳辐射的削弱不大。5.3.2 大气吸收光谱5.3.2 大气吸收光谱 O3强吸收在的紫外区:哈特来(Hartley)带最强哈金斯(H
13、uggins)带较弱可见光区:查普尤(Chappuis)带较弱O3层吸收太阳辐射的2%平流层温度高的原因红外区:4.7m、9.6m、14.1m较强吸收带5.3.2 大气吸收光谱5.3.2 大气吸收光谱1932年:严济慈采用照相光度术,精确测定了臭氧在全部紫外区域(215-345纳米)的吸收系数,并发现了若干新光带。国际臭氧委员会把严济慈精确测定的吸收系数定为标准值,各国气象学家用以每日测定高空臭氧层厚度的变化,长达30年之久。5.3.2 大气吸收光谱 CO2大于2m的红外区:较强中心:2.7m、4.3m、15m15m最重要5.3.2 大气吸收光谱紫外波段O2、O3把0.29m以下的紫外辐射几乎
14、全部吸收 可见光波段只有非常少量的吸收红外波段主要是水汽的吸收,其次是CO2和CH4。14m以外的辐射不能透过大气传向外空。5.3.2 大气吸收光谱大气透明窗或大气光谱窗8 12m大气的吸收很弱地表的温度约300K,与这个温度相对应的黑体辐射能量主要集中在10m这一范围,通过窗区,地面发出的长波辐射可顺利地被发送到宇宙空间。5.3.2 大气吸收光谱0.29整层大气的吸收光谱整层大气的吸收光谱11km11km高度以上大气的吸收光谱高度以上大气的吸收光谱整层大气整层大气中不同气体成份的吸收光谱中不同气体成份的吸收光谱太阳和地球的黑体辐射太阳和地球的黑体辐射14气体分子以及气溶胶粒子内含有多个分立的
15、电子和质子,当电磁波照射到粒子上后,使正负电荷中心产生偏移,构成电偶极子或多极子,并在电磁波激发下作受迫振动,向各方向发射次生电磁波。这种次生电磁波就是散射辐射。特点:散射波长和原始波相同,并且与原始波有固定的位相关系。散射和吸收不同:(1)它不产生分子内能状态的变化,应以电磁波理论和物质的电子理论来解释(Mie理论);吸收是因能态发生变化而产生的,需要用量子理论来解释。(2)散射不是选择性的,它在电磁波谱的各个波长上都会发生,因而是全波段的。5.3.3 大气对辐射的散射Scattering-ExamplePurely absorbingWith ScatteringLambert-Beer
16、Law does not apply here!Need to calculate true pathlength of lightPhoton pathlength LPhoton pathlength=LL1.散射过程的分类定义无量纲尺度参数当1时:Rayleigh散射,也称分子散射。如空气分子对短波辐射的散射。当0.1 50:几何光学:折射。如大雨滴对可见光的折射、反射。1散射过程的分类1散射过程的分类1散射过程的分类一个粒子的散射截面sc,表示当有辐照度为E的辐射射入时,将把Esc的能量散射到四面八方,而使入射波的能量减少Esc。若单位体积中有N个相同的颗粒,则总散射掉的辐射能为 EN
17、sc。单位体积中各个粒子散射截面之和称为单位体积的散射削弱系数ks 2散射削弱系数对于不同大小的气溶胶散射粒子:大气对辐射的散射削弱作用的大小取决于两个因素,即单位体积中散射颗粒物的多少以及每个散射粒子的散射截面散射截面、散射系数与粒子尺度参数a和复折射(指数)率m有关2散射削弱系数2散射削弱系数复折射指数(m=n-ik)of a particle is defined by its chemical composition.n is responsible for scattering.k is responsible for absorption.If k is equal to 0 at
18、 a given wavelength thus a particle does not absorb radiation at this wavelength.Some refractive indices of atmospheric aerosol substances at l=0.5 mm.SubstancenkWater1.3330Hematite2.61.0Elemental carbon1.960.66Organic carbon1.550NaCl(s)1.5440H2SO4(aq)1.530NH4HSO4(s)1.530(NH4)2SO4(s)1.520SiO21.550NO
19、TE:hematite(赤铁矿赤铁矿)is a mineral that is a main light absorbing components of mineral dust.2散射削弱系数2散射削弱系数Imaginary part of the refractive indexes of some aerosol materialsNote:Main absorbing species in the SW are black carbon(Soot)and Hematite(dust),but in the LW various species have high imaginary p
20、arts of the refractive index.But overall absorption(i.e.,absorption coefficients)is also controlled by particle size.2散射削弱系数(1)瑞利散射(1)瑞利散射散射削弱系数与波长的4次方成反比,波长越短,分子散射削弱越强。例题 计算蓝光与红光的散射削弱系数之比。Lord Rayleigh(John William Strutt 1842-1919)英国物理学家1871:Rayleigh Scattering光学声学电学热力学1904 Nobel Prize(1)瑞利散射(2)米散
21、射(大颗粒散射)假设:粒子是球体;介质均匀球状粒子的散射特性取决于粒子的相对尺度数a和粒子介质复折射指数m。米散射理论是球状粒子散射的通用理论散射效率因子:粒子的散射截面与粒子几何截面之比(2)米散射(大颗粒散射)(2)米散射(大颗粒散射)假论一般大气条件下粒子是独立散射的,则单位体积中粒子的总散射截面就是各粒子散射截面之和,即得到散射系数Gustav Mie(1868-1957)德国物理学家1908:Mie theory(2)米散射(大颗粒散射)小结:瑞利散射和米散射瑞利散射的基本特征:散射光强度和波长的4次方成反比,这也是天空为什么是蓝色的原因。散射光强度和粒子体积的平方成正比。当入射光为
22、自然光时,前后向散射呈对称分布。散射光有很高的偏振度。米散射的主要特点:随着粒子尺度数a的增大,前向散射光在总散射光中的比值迅速增大,这就是所谓米效应。前向散射光基本上不改变入射光的偏振状态,当入射光是自然光时,前向散射光也是非偏振的。散射光偏振度最大的方向出现在散射角为85 120之间。在吸收不强时,散射效率Qsc随x的增大呈振动状态变化,最后趋向于2,即散射截面是几何截面的二倍。但当吸收增强时,Qsc曲线上的振动消失了。散射截面随波长而变。当a很小时,和瑞利散射一样,与波长四次方成反比;当a增大时,逐渐变为和n (0 n 4);最后当a相当大时,和波长无明显关系。Nitrogen Diox
23、ide HazeNitrogen Dioxide Plume5.3.4 辐射能在介质中的传输1.布格-朗伯(Beer-Bouguer-Lambert)定律1.Beer-Bouguer-Lanbert lawPierre Bouguer1698-1758versatile French scientist best remembered as one of the founders of photometry,the measurement of light intensities.1.Beer-Bouguer-Lanbert law August Beer(1825-1863)German mathematician,chemist,physicist2.辐射传输的有关物理量(1)光学厚度2.辐射传输的有关物理量(1)光学厚度2.辐射传输的有关物理量(2)光学质量 辐射传输路径上气体的质量2.辐射传输的有关物理量(2)光学质量 标准状态下厚度2.辐射传输的有关物理量(3)单色透射率和单色吸收率辐射通过一段大气路径后,辐射通量密度之比常将整层大气在垂直方向的透过率称为透明系数2.辐射传输的有关物理量透射率函数光谱间隔内的平均透过率习题 P120 习题8 习题9
限制150内