《電磁波譜》PPT課件

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1、第 二 章 電 磁 波 譜 及 輻 射 基 本 定 律一 、 電 磁 波 譜1 電 磁 波 段 的 劃 分電 磁 輻 射 包 括 太 陽(yáng) 輻 射 、 地 球 大 氣 的 熱 輻射 和 無(wú) 線(xiàn) 電 輻 射 等 ， 它 的 波 長(zhǎng) 范 圍 很 廣 ,按 電 磁 波 的 頻 率 或 波 長(zhǎng) 劃 分 ：射 線(xiàn) 、 X射 線(xiàn) 、 紫 外 線(xiàn) 、 可 見(jiàn) 光 、 紅 外 線(xiàn) 、微 波 等 波 段 。 電 磁 波 譜 電 磁 波 譜 的 劃 分 (1)射 線(xiàn)放 射 性 元 素 蛻 變 時(shí) 產(chǎn) 生從 10-1110-4納 米能 量 很 高 ， 能 穿 透 非 常 稠 密 的 物 質(zhì) (2)X射 線(xiàn) (倫 琴

2、射 線(xiàn) ) 原 子 內(nèi) 部 的 電 子 從 激 發(fā) 態(tài) 恢 復(fù) 到 穩(wěn) 態(tài) 產(chǎn) 生 的 波 長(zhǎng) 短 ， 頻 率 較 高 0.004510-5微 米 能 穿 透 密 度 很 大 的 物 質(zhì) 可 用 它 的 這 種 特 性 研 究 物 質(zhì) 的 內(nèi) 部 結(jié) 構(gòu) 。 (3)紫 外 線(xiàn) (UV) 原 子 和 分 子 內(nèi) 部 電 子 狀 態(tài) 的 改 變 引 起 的 0.35-0.0045微 米 近 (0.25 0.40m) 遠(yuǎn) (0.01 0.25m) 頻 率 較 高 ， 各 種 物 質(zhì) 對(duì) 短 的 紫 外 線(xiàn) 波 都 有 強(qiáng) 烈 的 吸 收 。 近 紫 外 還 分 ： 對(duì) 大 多 數(shù) 人 沒(méi) 大 危 害

3、 的 UVA(0.32 0.40m)、 對(duì) 生 物 引 起 太 陽(yáng) 輻 射 傷 害 的 UVB(0.29 0.32m) 較 強(qiáng) 時(shí) 對(duì) 多 數(shù) 生 命 產(chǎn) 生 嚴(yán) 重 的 損 害 的 UVC(0.25 0.29m) 。 (4)可 見(jiàn) 光 譜 段 (VIS) 狹 窄 的 波 長(zhǎng) 間 隔 0.350.76微 米 對(duì) 人 眼 的 網(wǎng) 膜 施 以 一 種 特 殊 的 刺 激 而 引起 視 覺(jué) 短 紫 外 （ 紫 藍(lán) 綠 黃 橙 紅 ） 紅 外 長(zhǎng) 太 陽(yáng) 輻 射 的 主 要 范 圍 是 可 見(jiàn) 光 輻 射 。 (5)紅 外 線(xiàn) (IR) 0.76-1000微 米 分 子 原 子 的 振 動(dòng) 轉(zhuǎn) 動(dòng) 產(chǎn)

4、 生 短 （ 近 中 遠(yuǎn) ） 長(zhǎng) 熱 輻 射 、 溫 度 輻 射 (6)微 波 (MW) 由 物 質(zhì) 內(nèi) 部 分 子 的 轉(zhuǎn) 動(dòng) 引 起 的 1毫 米 -30厘 米 如 微 波 爐 、 天 氣 雷 達(dá) 10厘米 。 (7)無(wú) 線(xiàn) 電 波 大 于 300mm 電 磁 波 譜 各 譜 段 的 劃 分 常 沒(méi) 有 嚴(yán) 格 的 界 限 。 在 兩 譜 段 之 間 的 邊 界 是 漸 變 的 ， 在 某 些 文 獻(xiàn) 中 ， 其 劃 分 與 上 略 有 不 同 。 按 照 使 用 目 的 劃 分 :反 射 波 段 :0.38 3.0m譜 段 ， 這 一 波 段 的 輻 射 源 是 太 陽(yáng) ， 衛(wèi) 星 接

5、收 的 是 地 面 云 頂 對(duì) 太 陽(yáng) 輻 射 的 反 射 輻 射 ， 反 射 波 段 還 可 以 波 長(zhǎng) 分 為 反 射 可 見(jiàn) 光 譜 段 和 反 射 近 紅 外 譜 段 。 按 吸 收 物 質(zhì) 劃 分 :將 水 汽 吸 譜 段 稱(chēng) 之 為 水 汽 帶 ， 二 氧 化 碳 吸 收 譜 段 稱(chēng) 為 二 氧 化 碳 吸 收 帶 。 2 參 數(shù) 間 的 關(guān) 系 、 使 用 單 位 和 量 子 特 性 (1)電 磁 波 各 參 數(shù) 的 關(guān) 系 電 磁 波 譜 通 常 以 波 長(zhǎng) 和 頻 率 來(lái) 表 示 ， 真 空 中 存 在 關(guān) 系 : 是 波 長(zhǎng) ， f是 頻 率 ， c是 光 速 。 在 真

6、空 中 c=2.997925 0.000003 108m.s-1。 每 秒 約 30萬(wàn) 公 里 (2)電 磁 波 各 譜 段 使 用 的 單 位 電 磁 波 波 長(zhǎng) 單 位 的 換 算 見(jiàn) 表 。 在 日 常 使 用 中 可 見(jiàn) 光 波 段 的 波 長(zhǎng) 單 位 常 用 nm(納 米 )和 m(微 米 )； 紅 外 波 段 的 波 長(zhǎng) 單 位 常 用 m。 (3)電 磁 波 的 量 子 特 性 從 量 子 觀 點(diǎn) 看 ， 電 磁 輻 射 可 以 看 成 是 一 粒 一 粒 以 光 速 c運(yùn) 動(dòng) 的 粒 子 流 ， 這 些 粒 子 稱(chēng) 為 光 量 子 。 (能 量 單 位 leV=1.6 10-1

7、9J) 光 量 子 的 能 量 從 光 化 學(xué) 角 度 常 用 摩 爾 能 量 (單 位 ： kcal)表 示 ， 由 于 光 生 物 學(xué) 是 以 光 化 學(xué) 反 應(yīng) 為 基 礎(chǔ) 的 ， 大 多 數(shù) 光 化 反 應(yīng) 的 活 化 能 都 在 20 100kcal.mol-1之 間 ， 所 以 由 光 量 子 能 量 的 摩 爾 大 小 可 以 看 出 某 波 長(zhǎng) 的 光 能 否 產(chǎn) 生 光 生 化 反 應(yīng) 。 紫 外 光 譜 與 可 見(jiàn) 光 譜 的 能 量 從 上 表 看 出 ， 對(duì) 于 紅 外 光 的 光 量 子 能 量 往 往 不 能 進(jìn) 行 光 化 學(xué) 反 應(yīng) ， 這 種 光 量 子 被

8、生 物 組 織 吸 收 后 ， 轉(zhuǎn) 換 為 熱 能 ， 所 以 以 紅 外 光 的 生 物 學(xué) 效 應(yīng) 主 要 是 熱 效 應(yīng) 。 從 可 見(jiàn) 光 開(kāi) 始 可 以 進(jìn) 行 光 生 物 學(xué) 化 學(xué) 反 應(yīng) ， 波 長(zhǎng) 越 短 ， 其 熱 效 應(yīng) 越 小 。 （ 4） 吸 收 帶 和 大 氣 窗 通 過(guò) 大 氣 的 太 陽(yáng) 輻 射 或 地 球 大 氣 系 統(tǒng) 輻 射 將 被 大 氣 中 某 些 氣 體 所 吸 收 ， 這 些 吸 收 隨 波 長(zhǎng) 的 變 化 很 大 ， 在 某 些 波 段 的 吸 收 很 強(qiáng) ， 而 在 另 一 些 波 段 的 吸 收 則 很 弱 ， 在 這 些 吸 收 最 弱 的

9、 波 段 ， 太 陽(yáng) 輻 射 和 地 球 大 氣 輻 射 可 以 象 光 通 過(guò) 窗 戶(hù) 那 樣 透 過(guò) 大 氣 ， 這 些 波 段 稱(chēng) 做 大 氣 窗 。 吸 收 帶 和 大 氣 窗 大 氣 窗 區(qū) 可 見(jiàn) 光 0.55 0.75m 近 紅 外 0.8 1.1m 1.45 1.80m 短 波 紅 外 3.55 3.75m 熱 紅 外 10 12m 窗 區(qū) 內(nèi) 仍 有 少 量 吸 收 ， 如 ： 弱 吸 收 線(xiàn) 、 強(qiáng) 吸 收 帶 的 翼 線(xiàn) ， 在 可 見(jiàn) 光 和 近 紅 外 區(qū) 尚 有 氣 溶 膠 的 散 射 作 用 業(yè) 務(wù) 上 最 常 使 用 的 衛(wèi) 星 圖 象 有 如 下 幾 種 ：

10、(a)可 見(jiàn) 光 圖 象 (VIS):可 見(jiàn) 光 和 近 紅 外 波 段 太 陽(yáng) 光 反 射 輻 射 的 圖 象 (波 長(zhǎng) 0.4-1.1um)： (b)紅 外 圖 象 (IR):地 一 氣 系 統(tǒng) 在 熱 紅 外 波 段 發(fā) 射 輻 射 的 圖 象 (波 長(zhǎng) l0-12um)： (c)水 汽 圖 象 (WV):水 汽 發(fā) 射 輻 射 的 圖 象 (波 長(zhǎng) 6-7um) (d)通 道 3圖 象 (3.7um):太 陽(yáng) 和 地 一 氣 系 統(tǒng) 重 疊 區(qū) 輻 射 的 圖 象 ， 有 時(shí) 稱(chēng) 這 一 波 段 為 “ 近 紅 外 ” 。 二 、 輻 射 基 本 定 理 （ 一 ） 、 輻 射 體 和

11、 輻 射 平 衡 根 據(jù) 物 體 的 吸 收 或 發(fā) 射 能 力 ， 通 常 將 物 體 分 為 三 類(lèi) ： 1 黑 體 黑 體 是 指 某 一 物 體 在 任 何 溫 度 下 ， 對(duì) 任 意 方 向 和 任 意 波 長(zhǎng) 的 吸 收 率 或 發(fā) 射 率 都 等 于 l， 這 種 物 體 稱(chēng) 為 黑 體 。 或 者 說(shuō) ， 在 熱 力 學(xué) 定 律 允 許 的 范 圍 內(nèi) ， 最 大 限 度 地 把 熱 能 轉(zhuǎn) 變 為 輻 射 能 的 理 想 熱 輻 射 體 叫 做 黑 體 。 黑 體 是 一 個(gè) 理 想 的 熱 輻 射 體 ， 在 自 然 界 并 不 存 在 ， 但 是 在 實(shí) 驗(yàn) 室 可 以

12、近 似 地 制 作 它 ， 在 自 然 界 的 某 些 物 體 (如 太 陽(yáng) )可 以 看 作 黑 體 。 2 灰 體 如 果 物 體 的 吸 收 率 與 波 長(zhǎng) 無(wú) 關(guān) ， 且 為 小 于 l 的 常 數(shù) ， 這 種 物 體 稱(chēng) 灰 體 。 3 選 擇 性 輻 射 體如 果 物 體 的 吸 收 率 (或 發(fā) 射 率 )隨 波 長(zhǎng)而 變 ， 則 這 物 體 稱(chēng) 做 選 擇 性 輻 射 體 。在 自 然 界 中 絕 大 多 數(shù) 物 體 是 選 擇 性 輻 射 體 。不 少 選 擇 性 輻 射 體 在 某 些 波 長(zhǎng) 間 隔 內(nèi) 的 吸收 率 隨 波 長(zhǎng) 變 化 很 小 ， 可 以 近 似 看 作

13、 灰 體 。在 紅 外 波 段 ， 不 少 物 體 的 吸 收 率 近 似 于 1，這 些 物 體 在 這 一 波 段 可 以 近 似 看 成 黑 體 。 4 發(fā) 射 率如 果 將 輻 射 體 的 輻 射 通 量 密 度 M與 具 有 同一 溫 度 的 黑 體 的 輻 射 通 量 密 度 M作 比 值 ， 即 由 于 輻 射 體 發(fā) 射 的 輻 射 隨 波 長(zhǎng) 而 變 ， 所 以 發(fā) 射 率 也 是 波 長(zhǎng) 的 函 數(shù) ， 寫(xiě) 為 某 些 地 面 目 標(biāo) 物 的 發(fā) 射 率 (紅 外 譜 段 ) 5 輻 射 平 衡 與 局 地 熱 力 平 衡 自 然 界 的 所 有 物 體 都 在 向 四 周

14、 放 射 輻 射 ， 同 時(shí) 也 從 周 圍 吸 收 輻 射 能 。 如 果 一 個(gè) 物 體 在 某 一 溫 度 從 外 界 得 到 輻 射 能 ， 恰 等 于 物 體 因 輻 射 而 失 去 的 輻 射 能 ， 則 該 物 體 的 熱 輻 射 達(dá) 到 平 衡 ， 而 溫 度 保 持 不 變 ， 這 一 熱 輻 射 過(guò) 程 稱(chēng) 做 平 衡 熱 輻 射 或 輻 射 平 衡 。 對(duì) 于 地 球 大 氣 系 統(tǒng) ， 它 要 受 到 太 陽(yáng) 輻 射 和 其 他 微 粒 流 的 作 用 ， 同 時(shí) 大 氣 內(nèi) 存 有 溫 度 梯 度 ， 所 以 大 氣 中 沒(méi) 有 完 全 的 熱 力 平 衡 。 但 在

15、 所 有 熱 力 不 平 衡 系 統(tǒng) 中 ， 在 一 個(gè) 宏 觀 小 體 積 內(nèi) 建 立 平 衡 的 時(shí) 間 要 短 得 很 多 。 從 此 出 發(fā) ， 可 設(shè) 想 大 氣 中 存 在 如 下 狀 態(tài) ： 在 這 個(gè) 狀 態(tài) 中 ， 氣 體 的 每 一 體 積 元 量 猶 如 處 在 熱 力 平 衡 狀 態(tài) 中 (對(duì) 這 個(gè) 體 積 溫 度 而 言 )， 這 樣 的 平 衡 稱(chēng) 局 地 熱 力 平 衡 。 實(shí) 際 大 氣 中 ， 在 50km以 下 可 以 認(rèn) 為 大 氣 處 在 局 地 熱 力 平 衡 。 6、 若 干 概 念 （ 1） 輻 射 能 電 磁 波 攜 帶 的 能 量 或 物 體

16、 發(fā) 射 的 全 部 能 量 用 來(lái) 量 度 輻 射 做 物 理 功 的 本 領(lǐng) （ 2） 輻 射 通 量 單 位 時(shí) 間 內(nèi) 發(fā) 射 、 接 收 或 傳 播 的 輻 射 ， 與 面積 大 小 有 關(guān) 。 （ 3） 輻 射 通 量 密 度 通 過(guò) 單 位 面 積 的 輻 射 通 量 dd F d S 2/w m （ 4） 出 射 度 輻 射 體 表 面 射 出 的 輻 射 通 量 密 度 （ 5） 吸 收 率 a、 反 射 率 r、 透 過(guò) 率 當(dāng) 輻 射 通 過(guò) 介 質(zhì) 時(shí) ， 部 分 將 透 過(guò) ， 部 分被 吸 收 ， 部 分 被 反 射 。 三 部 分 輻 射 的 總和 等 于 入 射

17、 到 介 質(zhì) 的 輻 射 能 量 。 吸收率反射率透過(guò)率 基 爾 霍 夫 定 律在 任 一 給 定 溫 度 下 ， 輻 射 通 量 密 度 （ M） 與 吸 收率 （ ） 之 比 對(duì) 任 何 材 料 都 是 一 個(gè) 常 數(shù) ， 并 等 于該 溫 度 下 黑 體 的 輻 射 通 量 密 度 （ M黑 ） 。結(jié) 合 發(fā) 射 率 的 定 義 ， 可 進(jìn) 一 步 推 導(dǎo) 出 = ， 即地 物 的 發(fā) 射 率 等 于 吸 收 率 。 黑MM e nh - 346 63 10h J s. .式 中 h 稱(chēng) 為 普 朗 克 常 數(shù)振 子 在 輻 射 或 吸 收 能 量 時(shí) ， 從 一 個(gè) 狀 態(tài) 躍 遷到

18、另 一 個(gè) 狀 態(tài) 。 在 能 量 子 假 說(shuō) 基 礎(chǔ) 上 ， 普 朗 克 得 到 了 黑體 輻 射 公 式 ： 對(duì) 于 頻 率 為 的 諧 振 子 最 小 能 量 為 絕 對(duì) 黑 體 的 輻 射 定 律 B hck TM hc etl ll p l( , ) - -2 5 12 1這 一 公 式 稱(chēng) 為 普 朗 克 公 式 ,它 和 實(shí) 驗(yàn) 符 合 得 很 好 。c 光 速k 玻 爾 茲 曼 恒 量e 自 然 對(duì) 數(shù) 的 底 B 曲 線(xiàn) 下 的 面 積 等 于 絕 對(duì) 黑 體 在 一定 溫 度 下 的 輻 射 出 射 度 即 ：B BM MT T d( ) ( ) l l由 實(shí) 驗(yàn) 及 理

19、論 都 可 以 得 到BM TT( ) s 4斯 忒 藩 玻 爾 茲 曼 定 律( )TM B ( )TMs= 5.67 10 8+ w.m K2. 4 推 導(dǎo) 一 斯 忒 藩 （ Stefan)玻 爾 茲 曼 定 律0 亮 度 溫 度 Tb如 果 物 體 發(fā) 射 的 輻 射 亮 度 （ 輻 射 強(qiáng) 度 ） 與溫 度 為 Tb的 黑 體 輻 射 亮 度 溫 度 相 等 我 們 稱(chēng)黑 體 的 溫 度 Tb 為 該 物 體 的 亮 度 溫 度 。即 每 個(gè) 向 上 輻 射 強(qiáng) 度 測(cè) 值 均 可 轉(zhuǎn) 換 成 一 個(gè)溫 度 值 ， 這 種 方 式 所 測(cè) 得 的 溫 度 稱(chēng) 為 “ 亮溫 ” 亮 度

20、 溫 度 比 實(shí) 際 溫 度 低 ,物 體 的 光 譜 發(fā) 射 率 偏 離 1越 遠(yuǎn) ,則其 亮 度 溫 度 偏 離 真 實(shí) 溫 度 就 越 大 ； 反 之 ， 光 譜 發(fā) 射 率越 接 近 于 1,那 么 亮 度 溫 度 就 越 接 近 于 真 實(shí) 溫 度 在 相 同 的 溫 度 與 波 長(zhǎng) 下 ， 實(shí) 際 物 體 的 熱 輻 射 總 比 黑 體 輻射 小 ； 而 在 具 有 相 同 熱 輻 射 的 條 件 下 ， 黑 體 溫 度 必 然低 于 實(shí) 際 物 體 的 實(shí) 際 溫 度 亮 度 溫 度 是 用 衛(wèi) 星 測(cè) 到 的 輻 射 能 的 值計(jì) 算 出 來(lái) 的 (使 用 輻 射 定 律 )

21、亮 度 溫 度 10.3-12.5微 米 等 效 黑 體 溫 度 TBB Black BodyTemperature 在 無(wú) 云 或 少 云 區(qū) TBB是 地 表 黑 體 輻 射 溫 度 ,值 較 高 TBB高 值 區(qū) 常 與 高 氣 壓 系 統(tǒng) 相 對(duì) 應(yīng) 在 云 區(qū) 里 TBB是 云 頂 的 輻 射 溫 度 ,值 較 低 TBB低 值 區(qū) 一 般 為 云 區(qū) 尤 其 是 夏 季 和 熱 帶 地 區(qū) 冬 季 高 緯 地 區(qū) 和 青 藏 高 原 地 表 溫 度 很 低 (等 于 或 低 于 云 頂 ) 難 以 區(qū) 分 無(wú) 云 區(qū) 和 中 低 云 區(qū) 推 導(dǎo) 二 以 下 定 律 都 在 熱 力

22、平 衡 條 件 下 成 立 維 恩 位 移 定 律 b= 2.897 10-3 m*K 當(dāng) 黑 體 的 溫 度 升 高 時(shí) ， 最 大 輻 射 值 朝 短 波 方 向 移 動(dòng) 太 陽(yáng) 6000K ， 最 大 輻 射 波 長(zhǎng) 0.47微 米 地 球 256K ， 最 大 輻 射 波 長(zhǎng) 10微 米T m b= K 標(biāo) 標(biāo)各 種 溫 度 下 黑 體 的 光 譜 發(fā) 射 輻 照 度 絕 對(duì) 黑 體 溫 度 與 最 大 輻 射 所 對(duì) 應(yīng) 波 長(zhǎng) 的 關(guān) 系 可 根 據(jù) 維 恩 -位 移 定 律 計(jì) 算 不 同 溫 度 絕 對(duì) 黑 體 的 最 大 輻 射 所對(duì) 應(yīng) 的 波 長(zhǎng) 長(zhǎng) 度 。 自 然 界

23、一 般 物 體 不 是 黑 體 ,但 在 某 一 確 定 溫 度 T時(shí) ,物 體 最 強(qiáng)輻 射 所 對(duì) 應(yīng) 的 波 長(zhǎng) 也 可 以 用 維 恩 位 移 公 式 進(jìn) 行 近 似 計(jì) 算 。 在 氣 象 衛(wèi) 星 遙 感 中 反 照 率 的 定 義 ： 自 某 物 體 返 回 空 間 的 太 陽(yáng) 總 輻 射 能 與 投射 到 該 物 體 的 總 的 輻 射 能 之 比 。 太 陽(yáng) 輻 射 在 大 氣 中 的 傳 輸 特 性 太 陽(yáng) 是 一 個(gè) 巨 大 的 火 球 直 徑 約 139.14萬(wàn) 公 里 是 地 球 直 徑 的 104倍 太 陽(yáng) 離 地 球 的 平 均 距 離 為 1.495 108公 里

24、 太 陽(yáng) 常 數(shù) 是 指 在 不 考 慮 大 氣 在 平 均 日 -地 距 離 處 ， 垂 直 于 太 陽(yáng) 入 射 的 表 面 上 接 收 到 的 太 陽(yáng) 輻 照 度 。 地 球 表 面 測(cè) 量 到 的 太 陽(yáng) 輻 射 光 譜 曲 線(xiàn) 是 波 長(zhǎng) 的 函 數(shù) 。 太 陽(yáng) 輻 射 能 主 要 集 中 于 0.3-3微 米 ， 輻 照 度 最 大 值 位 于 0.47微 米 。 大 約 1/4的 太 陽(yáng) 輻 射 能 在 小 于 0.47波 段 太 陽(yáng) 輻 射 能 總 數(shù) 的 46%在 0.4-0.76可 見(jiàn) 光 波 段 。 地 面 覆 蓋 物 對(duì) 太 陽(yáng) 輻 射 的 反 射 土 壤 粒 子 減 小

25、 反 照 率 增 大 葉 綠 素 在 0.45和 0.67強(qiáng) 吸 收 綠 色 植 物 0.55和 0.76-1.1強(qiáng) 反 射 水 在 1.4和 1.9強(qiáng) 吸 收 太 陽(yáng) 輻 射 在 大 氣 中 的 衰 減 假 如 到 達(dá) 大 氣 上 界 的 太 陽(yáng) 輻 射 定 為 100%，而 實(shí) 際 上 最 后 到 達(dá) 地 球 表 面 的 太 陽(yáng) 輻 射卻 只 有 47%， 這 是 什 么 原 因 造 成 的 ？ 表 現(xiàn) 形 式 ： 大 氣 對(duì) 太 陽(yáng) 輻 射 的 吸 收 (臭 氧 、 水 汽 ) 大 氣 對(duì) 太 陽(yáng) 輻 射 的 反 射 (云 ) 大 氣 對(duì) 太 陽(yáng) 輻 射 的 散 射 (分 子 、 氣 溶

26、 膠 ) （ 三 ） 大 氣 氣 體 的 長(zhǎng) 波 吸 收 1 大 氣 吸 收 氣 體 成 分 和 溫 室 氣 體 輻 射 與 地 球 大 氣 的 相 互 作 用 表 現(xiàn) 為 大 氣 中 各 種 吸 收 氣 體 對(duì) 輻 射 的 吸 收 、 反 射 、 透 射 和 它 自 身 發(fā) 射 輻 射 。 這 種 相 互 作 用 與 大 氣 中 氣 體 成 分 的 含 量 和 分 布 有 密 切 的 關(guān) 系 。 下 表 給 出 了 大 氣 中 各 氣 體 成 分 的 含 量 。 從 中 看 出 ， 大 氣 中 的 氧 、 氮 和 氬 等 恒 定 氣 體 的 含 量 在 99.99 以 上 ， 它 們 的 體

27、 積 比 到 80km以 上 沒(méi) 有 變 化 。 大 氣 各 氣 體 成 分 的 含 量 大 氣 對(duì) 太 陽(yáng) 輻 射 的 吸 收 作 用地 面高層大氣平流層對(duì)流層 臭 氧 大 量 吸 收 紫 外 線(xiàn)二 氧 化 碳 、 水 汽 吸 收紅 外 線(xiàn) 特 點(diǎn) ： 選 擇 性 吸收 。大 氣 對(duì) 太 陽(yáng) 輻 射中 能 量 最 強(qiáng) 的 可見(jiàn) 光 吸 收 得 很 少 ，大 部 分 可 見(jiàn) 光 能夠 透 過(guò) 大 氣 到 達(dá)地 面 大 氣 的 吸 收 效 應(yīng) 主 要 起 因 于 大 氣 中 某 些 氣 體 分 子 如 CO 2 、 H2O 、 O 3 、 O 2等 對(duì) 電 磁 輻 射 的 選 擇 吸收 作 用

28、。 在 輻 射 波 譜 的 紅 外 區(qū) 和 微 波 區(qū) ， 被 吸 收的 輻 射 能 將 轉(zhuǎn) 化 為 熱 能 ， 其 衰 減 程 度 與輻 射 波 長(zhǎng) 、 大 氣 的 溫 度 、 壓 強(qiáng) 及 吸 收 氣體 含 量 有 關(guān) 。 大 氣 的 吸 收 作 用A. 氧 氣 ： 小 于 0.2 m； 0.155為 峰 值 。 高 空 遙感 很 少 使 用 紫 外 波 段 的 原 因 。B. 臭 氧 ： 數(shù) 量 極 少 ， 但 吸 收 很 強(qiáng) 。 兩 個(gè) 吸 收 帶 ；對(duì) 航 空 遙 感 影 響 不 大 。C. 水 汽 ： 吸 收 太 陽(yáng) 輻 射 能 量 最 強(qiáng) 的 介 質(zhì) 。 到 處都 是 吸 收 帶

29、。 主 要 的 吸 收 帶 處 在 紅 外 和 可 見(jiàn)光 的 紅 光 部 分 。 因 此 ， 水 汽 對(duì) 紅 外 遙 感 有 極大 的 影 響 。D. 二 氧 化 碳 ： 量 少 ； 吸 收 作 用 主 要 在 紅 外 區(qū) 內(nèi) ?？?以 忽 略 不 計(jì) 。 大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的反射作用：參與 的大氣成分：特點(diǎn)：大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的散射作用：參與的大氣成分：云層、塵埃無(wú)選擇性空氣分子和氣溶膠粒子特點(diǎn)：具有選擇性 大 氣 的 散 射 效 應(yīng) 主 要 起 因 于 大 氣 中 懸 浮 的 氣 溶 膠 粒 子 ， 如 塵 埃 、水 滴 、 冰 晶 等 對(duì) 電 磁 輻 射 的 散 射 作 用 ， 它 將 使輻 射

30、 在 大 氣 中 傳 輸 時(shí) 改 變 方 向 ， 散 射 過(guò) 程 中 輻射 能 量 將 在 空 間 重 新 分 配 ， 分 配 方 式 與 輻 射 波長(zhǎng) 、 粒 子 尺 度 和 形 狀 以 及 粒 子 的 折 射 率 有 關(guān) 。 大 氣 的 散 射 作 用 散 射 作 用：太 陽(yáng) 輻 射 在 長(zhǎng) 波 過(guò) 程 中 遇 到 小微 粒 而 使 傳 播 方 向 改 變 ， 并 向 各 個(gè) 方 向 散 開(kāi) 。改 變 了 電 磁 波 的 傳 播 方 向 ； 干 擾 傳 感 器 的 接 收 ；降 低 了 遙 感 數(shù) 據(jù) 的 質(zhì) 量 、 影 像 模 糊 ， 影 響 判 讀 。 大 氣 散 射 集 中 在 太

31、陽(yáng) 輻 射 能 量 最 強(qiáng) 的 可 見(jiàn)光 區(qū) 。 因 此 ， 散 射 是 太 陽(yáng) 輻 射 衰 減 的 主 要 原 因 。 三 種 散 射 作 用1.瑞利散射： 當(dāng) 微 粒 的 直 徑 比 輻 射 波 長(zhǎng) 小 得 多 時(shí) ，此 時(shí) 的 散 射 稱(chēng) 為 瑞 利 散 射 。 散 射 率 與 波 長(zhǎng) 的 四 次 方 成 反 比 ， 因 此 ， 瑞 利 散射 的 強(qiáng) 度 隨 著 波 長(zhǎng) 變 短 而 迅 速 增 大 。 紫 外 線(xiàn) 是紅 光 散 射 的 30倍 ， 0.4微 米 的 藍(lán) 光 是 4微 米 紅 外線(xiàn) 散 射 的 1萬(wàn) 倍 。 瑞 利 散 射 對(duì) 可 見(jiàn) 光 的 影 響 較 大 ， 對(duì) 紅 外

32、 輻 射 的影 響 很 小 ， 對(duì) 微 波 的 影 響 可 以 不 計(jì) 。 多 波 段 中 不 使 用 藍(lán) 紫 光 的 原 因 ： 2.米氏散射： 當(dāng) 微 粒 的 直 徑 與 輻 射 波 長(zhǎng) 差 不 多時(shí) 的 大 氣 散 射 。 云 、 霧 的 粒 子 大 小 與 紅 外 線(xiàn) 的 波 長(zhǎng) 接 近 ，所 以 云 霧 對(duì) 對(duì) 紅 外 線(xiàn) 的 米 氏 散 射 不 可 忽 視 。3.無(wú)選擇性散射： 當(dāng) 微 粒 的 直 徑 比 輻 射 波 長(zhǎng) 大得 多 時(shí) 所 發(fā) 生 的 散 射 。 符 合 無(wú) 選 擇 性 散 射 條件 的 波 段 中 ， 任 何 波 段 的 散 射 強(qiáng) 度 相 同 。 水 滴 、 霧

33、 、 塵 埃 、 煙 等 氣 溶 膠 常 常 產(chǎn) 生 非選 擇 性 散 射 。 云 霧 為 什 么 通 常 呈 現(xiàn) 白 色 ？ 單 次 散 射 與 多 次 散 射 2 地 球 大 氣 的 發(fā) 射 光 譜 和 吸 收 光 譜太 陽(yáng) 入 射 至 地 球 的 輻 射 通 量 平 均 約 為342Wm-2， 其 中 地 球 大 氣 系 統(tǒng) 將 入 射 到 地 氣系 統(tǒng) 的 太 陽(yáng) 輻 射 的 31 反 射 回 宇 宙 ， 而 吸 收余 下 的 部 分 ， 其 中 大 部 分 被 地 球 表 面 所 吸 收(235Wm-2)。在 大 氣 、 陸 地 和 海 洋 混 合 層 ，輻 射 能 轉(zhuǎn) 變 為 化

34、學(xué) 、 熱 能 (增 加 自 身 的 溫 度 )、動(dòng) 能 ， 作 為 驅(qū) 動(dòng) 天 氣 和 氣 候 的 能 量 。 同 時(shí) 又以 自 身 的 溫 度 向 宇 宙 發(fā) 射 紅 外 輻 射 。 地 氣 系統(tǒng) 的 平 均 溫 度 為 250K 左 右 ， 發(fā) 射 的 輻 射 光 譜位 于 紅 外 譜 段 。 地 表 輻 射 收 支 出 (四 )地 表 輻 射 參 數(shù) 和 衛(wèi) 星 接 收 到 的 輻 射 1.地 表 面 對(duì) 大 氣 輻 射 的 作 用 將 入 射 至 地 表 的 輻 射 反 射 回 大 氣 層 ； 吸 收 部 分 入 射 輻 射 ； 發(fā) 射 熱 輻 射 ； 傳 輸 入 射 輻 射 。 這

35、 些 作 用 控 制 了 通 過(guò) 大 氣 的 輻 射 場(chǎng) 。 2.衛(wèi) 星 接 收 到 的 輻 射 在 地 球 大 氣 系 統(tǒng) 中 各 自 然 表 面 以 及 大氣 本 身 的 輻 射 過(guò) 程 是 一 個(gè) 十 分 復(fù) 雜 的 問(wèn)題 ， 它 涉 及 到 各 輻 射 源 的 特 性 和 物 體 和 氣體 的 吸 收 、 發(fā) 射 、 透 射 、 目 標(biāo) 物 反 射 、 粒子 散 射 和 透 射 等 諸 多 方 面 的 特 性 。 地 球 大氣 系 統(tǒng) 作 為 一 個(gè) 整 體 ， 它 一 方 面 要 接 受 入射 的 太 陽(yáng) 輻 射 ， 另 一 方 面 又 要 反 射 太 陽(yáng) 輻射 和 以 其 自 身

36、的 溫 度 發(fā) 射 紅 外 輻 射 。 在 衛(wèi) 星 的 視 場(chǎng) 范 圍 內(nèi) 測(cè) 量 到 輻 射 主 要 有 ： 地 表 、 云 層 發(fā) 出 的 紅 外 輻 射 ； 大 氣 中 吸 收 氣 體 發(fā) 射 的 紅 外 輻 射 ； 地 面 、 云 面 反 射 的 大 氣 向 下 的 紅 外 輻 射 ； 地 面 和 云 面 反 射 太 陽(yáng) 輻 射 ； 大 氣 分 子 、 氣 溶 膠 等 對(duì) 太 陽(yáng) 輻 射 的 散 射 輻 射 。 （ 五 )衛(wèi) 星 云 圖 的 增 強(qiáng) 處 理 衛(wèi) 星 云 圖 的 增 強(qiáng) 處 理 是 對(duì) 灰 度 或 輻 射 值 進(jìn) 行 處 理 ， 通 過(guò) 灰 度 變 換 ， 將 人 眼 不

37、 能 發(fā) 現(xiàn) 的 目 標(biāo) 物 細(xì) 微 結(jié) 構(gòu) 清 楚 地 表 示 出 來(lái) 。 例 如 對(duì) 于 積 雨 云 團(tuán) ， 在 一 般 的 云 圖 上 只 表 現(xiàn) 為 白 亮 的 一 片 ， 通 過(guò) 增 強(qiáng) 處 理 后 可 將 云 頂 的 結(jié) 構(gòu) 顯 示 出 來(lái) ， 從 而 進(jìn) 一 步 判 斷 積 雨 云 的 活 動(dòng) 狀 況 。 圖 像 的 增 強(qiáng) 分 為 反 差 增 強(qiáng) 和 分 層 增 強(qiáng) 。 1、 反 差 增 強(qiáng) 反 差 增 強(qiáng) 又 稱(chēng) 為 對(duì) 比 度 增 強(qiáng) ， 它 是 使 原 來(lái) 兩 個(gè) 灰 度 差 異 很 小 的 像 素 點(diǎn) ， 擴(kuò) 大 其 灰 度 范 圍 ， 即 突 出 像 點(diǎn) 間 的 灰

38、度 差 異 ， 使 黑 的 更 黑 ， 白 的 更 白 ， 從 而 區(qū) 別 它 們 。 2、 分 層 增 強(qiáng) 分 層 增 強(qiáng) 是 將 圖 像 上 各 灰 度 值 ， 按 其 需 要 將 其 合 并 或 分 解 成 若 干 等 級(jí) 間 隔 ， 對(duì) 每 個(gè) 間 隔 賦 予 一 個(gè) 灰 度 值 ， 這 樣 每 一 個(gè) 像 素 的 灰 度 由 其 本 身 落 入 那 個(gè) 間 隔 的 、 所 給 定 的 灰 度 值 來(lái) 確 定 。 3、 增 強(qiáng) 紅 外 云 圖 增 強(qiáng) 紅 外 云 圖 已 廣 泛 應(yīng) 用 于 衛(wèi) 星 云 圖 分 析 業(yè) 務(wù) 中 ， 它 是 一 種 半 定 量 資 料 ， 大 大 地 提

39、高 了 衛(wèi) 星 云 圖 的 使 用 價(jià) 值 ， 尤 其 在 強(qiáng) 雷 暴 、 暴 雨 和 臺(tái) 風(fēng) 的 分 析 中 更 是 顯 示 了 它 的 優(yōu) 越 性 。 為 了 提 高 云 圖 的 增 強(qiáng) 效 果 ， 通 常 將 反 差 增 強(qiáng) 與 分 層 增 強(qiáng) 這 兩 者 結(jié) 合 同 時(shí) 進(jìn) 行 。 習(xí) 題 1、 電 磁 輻 射 包 括 哪 些 輻 射 ？ 按 頻 率 劃 分 ， 電 磁 波 劃 分 為 哪 些 波 段 ？ 2、 簡(jiǎn) 述 可 見(jiàn) 光 譜 段 特 征 。 3、 紅 外 線(xiàn) 的 一 般 特 征 是 什 么 ？ 簡(jiǎn) 述 紅 外 線(xiàn) 可 細(xì) 分 的 譜 段 及 其 對(duì) 應(yīng) 波 長(zhǎng) 。 4、 簡(jiǎn)

40、述 可 見(jiàn) 光 和 紅 外 光 的 光 量 子 特 征 。 5、 簡(jiǎn) 述 黑 體 、 灰 體 、 選 擇 性 輻 射 體 的 異 同 。 6、 什 么 叫 輻 射 平 衡 ？ 什 么 叫 局 地 熱 力 平 衡 ？ 7、 簡(jiǎn) 述 輻 射 定 理 主 要 內(nèi) 容 。 8、 什 么 叫 亮 度 溫 度 ？ 簡(jiǎn) 述 亮 度 溫 度 與 實(shí) 際 溫 度 的 異 同 。 9、 簡(jiǎn) 述 衛(wèi) 星 軌 道 按 傾 角 分 類(lèi) 的 種 類(lèi) 及 用 途 。 10、 簡(jiǎn) 述 極 軌 和 靜 止 衛(wèi) 星 軌 道 的 優(yōu) 缺 點(diǎn) 。 11、 衛(wèi) 星 探 測(cè) 分 辨 率 和 參 數(shù) 有 哪 些 ？ 12、 簡(jiǎn) 述 衛(wèi) 星 云 圖 圖 像 的 增 強(qiáng) 處 理 內(nèi) 容 。