红外物理与技术

红外辐射在大气中传输时，主要有以下几种因素使之衰减：

(1) 在$0.2\mu m$ ~ $0.32\mu m$的紫外光谱范围内，臭氧的生成和分解的平衡程度，在光的衰减中起着决定性作用。

(2) 在紫外和可见光谱区域中，由氮分子和氧分子所引起的瑞利散射是必须考虑的。

(3) 粒子散射或米氏散射。

(4) 大气中某些元素的原子的共振吸收，这主要发生在紫外及可见光谱区域内。

(5) 分子的带吸收。大气中的某些分子具有与红外光谱区域相应的振动——转动共振频率，同时还有纯转动光谱带，因而能对红外辐射产生吸收。

6.1地球大气的基本组成(崔浩天)（谢泽钧补）

氮、氧、氩这三种气体在大气中含量最多。由于它们都是相同原子组成的双原子分子，没有固定电偶极矩，所以都不吸收红外线。 但它们的含量最大，是构成大气压强的主要因素，所以它们是影响其他组分红外吸收谱线宽度的主要因素，而且又是使可见光产生瑞利散射的主要辐射源。

成分：

大气每单位体积中大约有78%的氮气和21%的氧气，另外还有不到1%的氩（$Ar$)、二氧化碳（$C{O}_2$）、一氧化碳（$CO$）、一氧化二氮（$N_{2}O$）、甲烷($C{H}_4$)、臭氧（$O_3$）、水汽（$H_{2}O$）。除氮气和氧气外的其他气体统称为微量气体。

6.2 大气的气象条件(崔浩天)（谢泽钧补）

大气的气象条件，是指大气的各种特性，诸如大气的温度、压强、湿度、密度等，以及它们随时间、地点、高度的变化情况。

6.2.1 大气温度

根据大气层内垂直方向的温度分布及运动特点，可将地球大气分成对流层、平流层、中间层、暖层及散逸层。

(1)对流层：

强烈的对流运动，在高、低层之间有质量和热交换

特征：有强烈的对流运动，在层内大气温度随着高度线性地降低，其温度递减率为0.65摄氏度/100m。

(2)平流层：

平流层也称同温层，气流平稳。臭氧对太阳辐射强烈吸收。它没有强烈的上下对流运动，因此气流平稳，远程的喷气式客机通常在此层内飞行，温度随高度的增加而增加

(3)中间层：

也被称为高空对流层，温度随高度的增高而迅速下降

(4)暖层：

由于强烈的太阳紫外线和宇宙射线的照射，存在几个电离层，使短波无线电远距离传输成为可能。温度随高度的增加而迅速上升

(5)散逸层：

大气层和星际空间的过渡带，某些高速运动的空气分子一旦被撞击出去后，就很难再回到地球，不断散逸到宇宙空间。

6.2.2 大气压强

某处大气压强等于它上面空气质量所施的压强。

随着高度增加，大气压强将降低。

6.2.3 大气密度 （谢泽钧）

设在高空$z$处的大气压强$p(z)$和大气温度$T(z)$，由理想气体状态方程可知，高度z处的大气密度$n(z)$ 为：

$$n(z)=\frac{p(z)}{kT(z)}$$

另，在标准大气压下，$p_0=1$大气压，$T_0=273.16K$

6.3大气中的主要吸收气体(崔浩天)（谢泽钧补）

6.3.1水蒸气

水蒸气在大气中，尤其在低层大气中含量较高，是对红外辐射传输影响较大的一种组分。在大气组分中，水是唯一能以固、液、气三种状态同时存在的成分。 $水的固态和液态对红外辐射主要起散射作用，而气态的水蒸气分子对红外辐射有着强烈的选择性吸收$。

水蒸气的分布：

水蒸气是由地面水分蒸发后送到大气中的气体。由于大气中的垂直交换作用，使水蒸气向上传播，而随着离蒸发源距离的增大，水蒸气的密度变小。 此外，低温及凝结过程也影响大气中水蒸气的含量。由于这些因素的作用大气中水蒸气密度随高度增加而迅速减少。几乎所有水蒸气都分布在对流层以下。

6.3.2二氧化碳

二氧化碳是大气中的固定组分，是三种最重要的红外吸收分子中唯一一种在大气中近似均匀混合的气体。 和水蒸气比较，二氧化碳含量随高度的减少要比水蒸气慢得多。因此，$在低空，水蒸气的吸收对红外辐射的衰减起主要作用；而在高空，水蒸气的吸收退居次要地位，二氧化碳的吸收变得更重要了$。

6.3.3臭氧

大气吸收太阳光中紫外辐射的作用，既能成为臭氧的形成条件，又能成为臭氧的破坏条件。

6.4大气的主要散射粒子(崔浩天)

除了吸收气体外，大气中还有一些悬浮的粒子对辐射造成衰减，如空气分子、气溶胶等。

气溶胶是指悬浮在气体中的小粒子，其尺度范围为$10^{-3}\mu m$~$10\mu m$。气溶胶可分为吸湿性气溶胶(如海盐)、非吸湿性气溶胶(如尘埃)两种。 它们包括云、雾、雨、冰晶、尘埃、碳粒子、烟、盐晶粒以及微小的有生命的机体。

6.5 大气辐射传输的一般规律(崔浩天)（谢泽钧补）

$a^{\prime }(\lambda )$和${\mu }_s^{\prime }(\lambda )$称为吸收截面和散射截面。

朗伯——比尔定律：

$$P_{\tau \lambda }(x)=P_{i\lambda }(0)exp-[a^{\prime }(\lambda )n_a+{\mu }_s^{\prime }(\lambda )n_{\mu }]x$$

该定律表明：在距离表面为x的介质内透射的辐射功率，将随介质内的吸收元和散射源的浓度的增加而以指数规律衰减。

6.6 大气的吸收衰减（谢泽钧）

确定给定大气路程上分子吸收所决定的大气透射率的方法有如下几种：

1. 根据光谱线参数的详细知识，一条谱线接一条谱线地做理论计算

2. 根据带模型，利用有效的实验测量或以实际谱线资料为依据，进行理论计算

3. 在所要了解的大气路程上直接测量

4. 在实验室内模拟大气条件下的测量

6.6.1 大气的选择吸收（谢泽钧）

一氧化碳在$4.8\mu m$处有一个吸收带；甲烷在$3.2\mu m$和$7.8\mu m$处各有一个吸收带；$7.8\mu m$

处也可以观察到一氧化二氮的吸收带，然而一氧化二氮最强的吸收带位于$4.7\mu m$处；臭氧有三个吸收带，其中$4.8\mu m$很弱，所以有的文献只写有另外两个吸收带。此外，二氧化碳和水蒸气两种气体是研究大气吸收的重要对象。二氧化碳在$2.7\mu m,4.3\mu m,15\mu m$处有三个强吸收带；另水蒸气有更多的吸收带（P149）

大气红外吸收的特点是：

具有一些离散的吸收带，而每一吸收带内都是由大量的、而且有不同程度重叠的各种强度光谱线组成的。这些谱线重叠的程度与谱线的半宽度有直接关系，并且还与谱线的间隔有关系，当然与谱线的实际线型也是有关的。谱线的半宽度是与气压、温度等气象条件有关的。至于谱线的位置以及谱线的强度分布，则与吸收分子的种类有关。