什么是红外辐射大气衰减
红外辐射在大气中传播时,由于大气中各种成分的吸收和散射而引起的辐射功率的逐渐衰减。
大气是一种具有非常高的时空变易性的吸收物质和散射物质。因此,这种衰减过程是极其复杂的,它与辐射传播过程中的温度、压力、大气的性质、粒子的大小和所使用的波长,甚至与地形都有关系。只有知道这些因素的变化,才能准确获得红外辐射在大气中的衰减情况。因此,为了解决某些实际的应用问题,需要实地、适时地进行衰减测量。
大气中各种气体分子吸收红外辐射,使辐射能转变为其他形式的能量;同时,大气中的尘埃和水滴等粒子又将辐射散射到四面八方,因而在前进路程中的辐射功率也要减小。
由于大气的吸收,红外辐射在前进路程上的功率按指数式衰减(假定是平行光束, 没有发散问题)。若x=0处的辐射功率为I0,在路程x处的辐射功率为I,则
α为辐射功率衰减到一半所需的距离的倒数,称为吸收系数,与波长有关。同样,由于大气的散射,红外辐射功率的衰减也可写成
β为散射系数,也与波长有关。因此,对于一定的波长,红外辐射的大气衰减规律为
式中κ=α+β,称为大气的衰减系数。
实际上,红外辐射在大气中传播时,主要的吸收来自水汽,其次来自二氧化碳。表列出水汽和二氧化碳的较强吸收带。这些带间的空隙形成了一些所谓天体辐射的“红外窗口”,其中最宽的是在8~13微米处(其中9.5微米附近有臭氧的吸收)。17~22微米是半透明窗口。22微米以后直到1毫米处,由于水汽的严重吸收,对天体的红外辐射是完全不透明的。但是,在海拔较高,空气干燥的地方,22微米以后的红外辐射也有较高的透过率。例如,在海拔3.5公里的高度处,测量结果见表。
大气对红外辐射的散射,主要取决于大气中所包含的各种粒子的大小。对于空气分子(粒子很小),其散射量反比于辐射波长的4次方;而尘埃,水滴等的散射量大致与波长的1.3次方成反比。
图为海平面上约1.83公里水平路程(有17毫米可降水分)的大气透射比曲线。
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