02大气中的辐射.ppt

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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+

2、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原子光谱能级基态：能量最低激发态原子光谱跃迁辐射频率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

3、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9.6m的振动转动带比较重要。分子光谱—举例分子光谱—举例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

4、，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=667cm1，波长2=15m；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=2349cm1，波长3=4.3m。分子光谱—举例5.3.2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

5、）。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。

6、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Voigt线型函数。谱线参数基线或零线谱线的宽度：半宽度α——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sab粒子所吸收的辐射通量相当于

7、面积sab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（kab=Nsab）质量吸收系数（p81）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

8、。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0.1μm。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