北航大气辐射导论第04讲 大气中的热辐射传输

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1、大气辐射传输理论基础许东xud@dong@bbduaa.edu.cn仪器科学与光电工程学院北京航空航天大学振动跃迁和转动跃迁分子储存能量的方式平动能量：单个分子在x,y,z方向上的平均平动动能等于KT/2，K为玻尔兹曼常数。转动能量：分子能够围转分子重心的轴旋转或绕转，因此分子具有转动能量。振动能量：组成分子的原子受某种类似弹簧的弹力的束缚，单个原子能够相于原子彼此间的平衡位置而振动，因此分子具有振动能量。电子能量：构成分子的原子的电子运动，EEEevr分子具有电子能量。振动跃迁和转动跃迁分子的振动跃迁对于非线性分子，有3N-6个振动模；对于线性分子，

2、有3N-5个振动模。分子的转动跃迁一个双原子分子和一个线性三原子分子具有两个相等的惯性矩和两个转动自由度不对称陀螺分子具有三个不等的惯性矩和三个转动自由度。更复杂的分子具有更多的转动自由度分子能级跃迁分子能级跃迁H2O的主要吸收带CO215um吸收带(0110→0000)100→000、001→000、020→000谱线增宽问题：由原子/分子的能态跃迁发射的辐射是单色，但实际上从未观测到过单色发射辐射，什么原因？原因：外界对原子和分子的影响，以及发射中的能量损耗发射中的能量损耗造成的振子振动的阻尼（自然增宽）吸收分子之间以及吸收与不吸收分子之间相互碰撞产生

3、扰动（碰撞增宽）各种分子和原子之间的热运动速度差异造成的多普勒效应（多谱勒增宽）自然增宽与碰撞增宽和多普勒增宽相比可以忽略不计在高层大气中碰撞增宽和多普勒增宽共同起作用在低层大气中（20km以下）由于气压效应，碰撞增宽起主导作用谱线增宽压致增宽（碰撞增宽）洛仑兹廓线SkS2f020k吸收系数，吸收系数是归一化的理想单色光的波数0二分之一极大值处谱线的半宽pTn0是气压的函数，也是温度的函数0pT0f0谱线的形状因子00标准气压ph=1013Pa和标准温度TK273时的半宽Skd

4、S0线强-n随分子类型在1/21范围变动吸收谱线的洛兹线型是大气中1的取值范围约为0.010.1cm，0红外辐射传输的理论基础且随谱线而变化谱线增宽线强QTrefexpc2ET/11/expc2/TSTSTrefQTexpcET2/ref1expcT2/refTK296refc第二辐射常数2总配分函数：QTgexpcET2/E跃迁低能态能量谱线跃迁频率谱线增宽洛仑兹线型半宽nairairpT,,airp

5、TrefrefTref/TnairTrefpT,,,airpTpprefrefsselfpTprefrefsTpp压强；吸收气体的分压s谱线的碰撞偏移prefp线型1pT,fT,,,p22pT,ppref吸收系数kT,,pSTf,,,Tp辐射传输方程辐射通过介质强度的减弱dIkIds介质的密度k对辐射波长的质量消光截面辐射通过介质强度的增加dIjds

6、j由多次散射和发射产生，与质量消光截面有相同的物理意义辐射通过介质后强度总的变化dIkIdsj+dsdI普遍辐射传输方程：IJkds定义源函数：Jj/k辐射传输方程比尔-布格-朗伯定律简化条件略去地球-大气系统的发射辐射的贡献略去多次散射产生的漫射辐射dI辐射传输方程简化为：Ikdss1出射强度为：IsI10expkds0单色透过率s定义到的光学厚度为0s11TIsI1/0expkdss010,sk10ds单色吸收率对于无散射介质A

7、1T则：Tsexp0,1逐线积分法对于一个给定的波数和气体成分，它对透射比的贡献系由N条谱线的吸收系数产生。NNCO4.3um吸收带(0001→0000)光学厚度：jkud,ju2ujj11jN1,2,,是第条谱线吸收系数的j指标吸收系数可按线强和线型表示为NkpT,,STfpTjj,j1单色透过率：Texp逐线积分法NN定义到的光学厚度为0skudu1光学厚度：,jjus1jj110,sk1ds0jN