第二章之二 太阳辐射及大气对辐射的影响-1

太阳发射的电磁辐射在地球大气顶层随波长的 分布称为太阳光谱。
5800k 的黑体辐射
极大值位于0.5μm左右。
太阳光谱辐射特点及其能量分布
1）近似于5800K的黑体辐射； 2）以短波辐射为主（太阳辐射总能量约40％集中于0.4－ 0.76um的可见光范围内）。
大气层外与海平面上所测太阳辐照度曲线不 一样？
3、大气对太阳辐射的散射作用
(1)大气散射的基本概念
定义:太阳光遇到大气中小微粒而使传播方向发生改变的 现象； 实质:波的衍射; 条件:当大气中分子或其它微粒的直径小于或相当于辐射 波长才发生; 结果:太阳原传播方向的辐射强度减弱,二次反射,增加了噪 声, 遥感图象质量下降.
3、大气对太阳辐射的散射作用 (2)大气散射的主要形式
① 瑞利（Rayleigh） 散射 ② 米氏散射 (Mie
scattering)
③ 非选择性散射
(nonselective scattering)
3、大气对太阳辐射的散射作用
(2)大气散射的主要形式
① 瑞利（Rayleigh） 散射
散射粒子的直径d大小比光波波长要小得多时
（d<λ/10) 所引起的散射称为瑞利散射。
(二 ) 大气窗口的主要波段 3、3.5 ~ 5.5μm 地物反射或发射波谱段 中红外波段； 地物反射光谱和发射光谱的混合光谱范围； 目前应用很少，只能用扫描方式。
三、 大气窗口
(二 ) 大气窗口的主要波段 4、8 ~ 14μm 热辐射光谱段
远红外波段，热辐射光谱； 窗口的透射率约为60—70%； 地物在常温下热辐射能量最集中的波段，对遥感地质
温度、空气密度、气 压随高度上升而下 降；对流强烈。
对太阳 辐射影 响最大 的大气 层
二、 大气层对太阳辐射的影响
2、大气对太阳辐射的吸收作用
(1)大气的吸收作用
由于大气分子对电磁波有选择性的吸收, 使太阳 的辐射能量转化为分子的内能,从而使对应的波 段的太阳辐射强度减弱的现象。
二、 大气层对太阳辐射的影响
臭氧: 吸收紫外线
近似太阳的辐射
大气吸收带
可见 光区
大大气气吸吸收收带带
整层大气吸收光谱略图
二、 大气层对太阳辐射的影响
1、大气层的结构 2、大气对太阳辐射的吸收作用 3、大气对太阳辐射的散收作用
二、 大气层对太阳辐射的影响
3、大气对太阳辐射的散射作用
(1)大气散射的基本概念 (2)大气散射的主要形式
一、 太阳辐射源
1.太阳常数
在日地平均距离（D）处（平均日地距离为 1.495985× 108km, 称为一个天文单位）通过与太 阳光束垂直的单位面积上单位时间的太阳 辐射能量称
为太阳常数。
可近似取:
θ
I0 = 1360 W/m2
I0 = 1353(±21) W/m2 (1976, NASA)
一、 太阳辐射源 1.太阳常数
二、 大气层对太阳辐射的影响
1、大气层的结构 2、大气对太阳辐射的吸收作用 3、大气对太阳辐射的散射作用 4、大气对太阳辐射的反射作用
二、 大气层对太阳辐射的影响
4、大气对太阳辐射的反射作用
z电磁波的反射现象发生在两种介质的交界面 .
云
z反射现象主要发生在云层顶部，云量越多、云层 越厚， 反射越强。 z大气反射削弱了电磁波到达地面的强度。因此应尽 量选择无云的天气接收遥感信号。
(2) 太阳辐射出射度—单位面积单位时间射出的能量, 故应该是太阳总辐射通量与太阳表面积之比,即
M=E/ 4πr02 , 式中 r0为太阳的线半径, 代入已知参数可求 得M=6.28 x 107 w/m2
一、 太阳辐射源 2.太阳光谱
太阳发射的电磁辐射能量（太阳光谱的 辐照度）在地球大气顶层随波长的分布称 为太阳光谱。
例:已知日地平均距离为一个天文单位,一个天文单位约为1.496 x 1011m, 太阳的线半径约为6.96 x 105km
1. 根据太阳常数I0计算太阳的总辐射通量E; 2. 根据总辐射通量E计算太阳的辐射出射度.
解: (1) 已知太阳常数I0 = 1360 W/m2 故 E= 4πr2 x I0, 式中r为日地平均距离,把上述参数 代入此式,可求得E=3.82 x 1026 w
反射 30%
吸收 17%
大气大层气层
吸收 17%
313% 1%
地球
散射 22%
散射 22%
太阳辐射经大气层衰减图
大气窗口
可见光 红外光
大气对不同电磁波的吸收与大气窗口
2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响
一、 太阳辐射源 二、 大气层对太阳辐射的影响 三、 大气窗口
三、 大气窗口
(一 )、 大气窗口的基本概念 (二 )、把太大阳气辐窗射口通的过主大要气波层段未被反射、吸收和散射 的那些透射率高的波段范围，称为大气窗口。
3、大气对太阳辐射的散射作用
(2)大气散射的主要形式
② 米氏散射
当微粒的直径d与辐射光的波长接近时（λ/3 < d≤
λ）所发生的散射称为米氏散射。散射系数与波长的负
二次方成正比,即：
λ γ (λ) ∝
1
2
米氏散射的特点
z 主要由大气中的微粒,如烟、尘土、小水滴及气 溶胶等引起；
z 大气中云、雾等悬浮粒子的大小与0.76-15 μ m的红外线的波长差不多，因此，云、雾对红 外线的米氏散射是不可忽视的。
有用； 适于夜间成像. 通过扫描仪和热辐射计来获得地物发
射的电磁波信息。
北京及周边地区卫星遥感城市热岛特征
三、 大气窗口
(二 ) 大气窗口的主要波段
5、0.05 ~ 300cm 的微波波段
属于发射光谱范围； 窗口不受大气干扰，完全透明，透射率可达100%， 是全天候的遥感波段,而且是主动遥感方式； 常用的波段为0.8cm，3cm, 5cm, 10cm。
散射系数
λ γ (λ ) ∝
1
4
即: 瑞利散射的散射系数与波长的负四次方成正比。
瑞利散射与波长的关系
λ γ (λ ) ∝
1
4
渐强 瑞利散射 渐弱
瑞利散射的特点:
波长越短，大气的散射能力越强； 主要由大气分子引起，所以又称为分子散射; 由于大气散射，天空呈现蓝色（why?)； 不同地区上空大气的瑞利散射能力是变化的(why?)； 紫外区不适于进行遥感(why?)。
三、 大气窗口
(二 ) 大气窗口的主要波段
2、1.3 ~ 2.5μm 地物反射波谱段
窗口位于近红外波段的中段，属于地物反射光谱； 透射率近80%； 不能用胶片摄影，只能用光谱仪和扫描仪来记录地物的电磁波 信息。 在某些波段对区分岩石蚀变有较好的效果。因此在遥感地质应 用方面很有潜力。
三、 大气窗口
2、大气对太阳辐射的吸收作用
(2)大气吸收作用的特点 大气分子吸收光谱越强,对应波段到达地面的 太阳辐射越弱. 大气中不同分子对太阳光谱的吸收率不同 .
吸收带主要位于紫外和红外区，对可见光区基 本上是透明的.
吸收
太阳
Hale Waihona Puke Baidu辐射
紫外 可 红外
的主
见 光
要物 质
大气吸收谱
紫外 可 红外 见 光
吸收紫外线
太阳常数与到达水平面上的太阳辐射强度之间的关系：
Ф =I·S=I0·S’=I0.sinｈ·S
I=I0.sinｈ= I0.cosθ
h-太阳高度角（太阳入射光与地平面
的夹角）
θ-天项距或天顶角（太阳入射光与地
平面垂线的夹角）
θ C I0
h S‘
A S IB
为什么用到太阳常数？
z太阳常数在一定程度上代表了垂直到达大 气上界的太阳辐射强度； z利用太阳常数可求得到达水平面上的太阳 辐射强度。
大气窗口
大气窗口与遥感波段设计
本节重点
z太阳光谱的概念 z大气中吸收电磁波的主要物质及其吸收特点 z大气散射的不同类型及其特点,如何运用大气散 射的性质来解释一些日常现象 z大气窗口的概念及其意义
3、大气对太阳辐射的散射作用
(2)大气散射的主要形式 ③ 非选择性散射
当质点d直径大于电磁波波长时（d >λ）, 散射率与波 长没有关系, 即：
γ (λ) = 1
例：云雾为白色, 城市地区由于污染物、尘埃增多，故天空呈灰白色。;
3、大气对太阳辐射的散射作用
总结
z大气的散射强度与波长密切相关,不同波段散射类型 不一样; z太阳的电磁波谱包括电磁辐射的各波段，因此在同 一天气状况下会出现各种类型的散射; z波 长 越 长 ， 散 射 强 度 越 小 ， 所 以 微 波 有 最 小 的 散 射，最大透射，而被称为具有穿云透雾的能力。
大气成分
二、 大气层对太阳辐射的影响
1、大气层的结构 2、大气对太阳辐射的吸收作用 3、大气对太阳辐射的散射作用 4、大气对太阳辐射的反射作用
大气层结构
反射短波 反射中长波
主要作用是反射地面发射的无线电 波，对遥感所用波段（比无线电波 短得多）的辐射不受影响
无明显对流、存 在臭氧层吸收紫 外线而升温
大气窗口
大气吸收区
三、 大气窗口
(一 )、 大气窗口的基本概念 (二 )、 大气窗口的主要波段
三、 大气窗口
(二 ) 大气窗口的主要波段
1、0.3 ~ 1.3μm 的地物反射波谱段
包括紫外（0.3 ~0.38μm）、可见光全部（0.40 ~ 0.76μm） 和部分近红外波段（0.76 ~ 1.3μm）； 电磁波的透射率高（达90%以上）。可采用摄影方式和扫描 方式成像； 摄影成像的最佳波段，卫星传感器扫描成像的常用波段。
吸收红外线
吸收可见光、 红外直至微波
大气吸收电磁辐射的主要物质是：水、二氧化碳和臭氧。
二、 大气层对太阳辐射的影响
2、大气对太阳辐射的吸收作用 (3) 大气中不同物质对辐射的吸收作用
水：分为气态水和液态水 水汽: 吸收可见光、红外直至微波 液态水: 对太阳辐射的吸收相当强，主要在长波方向。
二氧化碳: 主要在红外区。1.35－2.85um 之间有3个 弱吸收带，2.7，4.3， 14.5 um 为强吸收带。
5800k 的黑体辐射
2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响 一、 太阳辐射源 二、 大气层对太阳辐射的影响 三、 大气窗口
二、 大气层对太阳辐射的影响
1、大气层的结构 2、大气对太阳辐射的 吸收 作用 3、大气对太阳辐射的 散射 作用 4、大气对太阳辐射的 反射 作用
二、 大气层对太阳辐射的影响
1、大气层的结构
上节回顾
电磁波谱 辐射通量密度– 辐照度、辐射出射度 黑体 斯谛芬-玻尔兹曼定律—黑体总辐射出射度与温度的关系 维恩位移定律—黑体辐射光谱中最强辐射的波长与温度的 关系 基尔霍夫定律– 对于一般物体，如何根据其吸收率计算其总 的辐射出射度
2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响
大气层
一、 太阳辐射源 二、 大气层对太阳辐射的影响 三、 大气窗口