北航大气辐射导论第03讲--大气中的光谱吸收

大气辐射传输理论基础大气辐射传输理论基础许东仪器科学与光电工程学院北京航空航天大学北京航空航天大学吸收线的形成吸收线的形成大气对光谱的吸收并不是连续的吸收线的形成吸收线的形成大气对光谱的吸收并不是连续的吸收线的形成吸收线的形成玻尔模型玻尔1913提出：电子的圆形轨道玻尔1913提出：电子的圆形轨道是量子化的，它们的角动量只能力某基本量的整数倍氢原子存在某一基本量的整数倍。氢原子存在某些不辐射的定态，仅当原子从能量为的态跃迁到具有较低能量为量为Ek的态跃迁到具有较低能量为Ej的态才发生辐射。最低能态称为原子的基态。原子的能态kjEEh吸收线的形成吸收线的形成玻尔模型玻尔进一步提出：电子角动量也是量子化的（选择定则）玻尔进步提出：电子角动量也是量子化的（选择定则）,1,2,2hLnn根据电子运动方程，可得到系统的总能态241Rh4222201,1,2,8HnRhcmeEnhnn可以推得发射线或吸收线的波数11R22HRjk吸收线的形成吸收线的形成11113Rn221143HRnn2232HRnn2112HRnn吸收线的形成吸收线的形成布拉蒲芬韩福莱曼系巴耳末系帕邢系布拉开系蒲芬德系韩福瑞系氢原子吸收谱线氢原子吸收谱线振动跃迁和转动跃迁振动跃迁和转动跃迁分子储存能量的方式平动能量：单个分子在x,y,z方向上的平均平动y动能等于KT/2，K为玻尔兹曼常数。转动能量：分子能够围转分子重心的轴旋转或转动能量：分子能够围转分子重心的轴旋转或绕转，因此分子具有转动能量。振动能量：组成分子的原子受某种类似弹簧的振动能量：组成分子的原子受某种类似弹簧的弹力的束缚，单个原子能够相于原子彼此间的平衡位置而振动因此分子具有振动能量平衡位置而振动，因此分子具有振动能量。电子能量：构成分子的原子的电子运动，分子有电能量具有电子能量。振动跃迁和转动跃迁振动跃迁和转动跃迁大气中常见的分子结构双原子分子ONNOH2O、O3等，它们的电荷分布不对称，具有恒定的电偶极矩。O2、N2等，它们的电荷分布是对双原子分子：O2、N2、NO线性分子：CO2、N2O称的。在辐射跃迁中，分子必须与电磁场耦合，才能够发生能量交换，这种耦合般是由分的电偶极不对称陀螺分子：H2O、O3这种耦合一般是由分子的电偶极矩产生的。CO2H2O2振动跃迁和转动跃迁振动跃迁和转动跃迁分子的振动跃迁对于非线性分子，有3N-6个振动模；对于线性分子，有3N-5个振动模。分子的转动跃迁分子的转动跃迁一个双原子分子和一个线性三原子分子具有两个相等的惯性矩和两个转动子具有两个相等的惯性矩和两个转动自由度不对称陀螺分子具有三个不等的惯性矩和三个转动自由度。更复杂的分子具有更多的转动自由度双原子分子的两个电子能态双原子分子的两个电子能态电离电势：如果电子能电离电势如果电子能获得一分特定的能量，则它可以从轨道上脱离。这一能量相对于基态而言叫作电离电势。振动跃迁和转动跃迁振动跃迁和转动跃迁转动能级10-3—10-4eV（极小值为1cm-1），远红外、微波振动能级10-1—10-2eV（通常大于600cm-1）近中红外于600cm1），近、中红外振动+转动，同振动能级，近、中红外电子能级跃迁1到几个eV（约电子能级跃迁1到几个eV（约104cm-1），紫外、可见光evrEEE电子的能级跃迁电子的能级跃迁玻尔模型电子角动量也是量子化的（选择定则）电子角动量也是量子化的（选择定则）,1,2,2hLnn根据电子运动方程，可得到系统的总能态241Rh4222201,1,2,8HnRhcmeEnhnn可以推得发射线或吸收线的波数11R22HRjk振动跃迁和转动跃迁振动跃迁和转动跃迁分转动态的量限制分子转动态的量子限制1/212hLJJ量子化的转动能级2J转动量子数子化的转动能级21/8JEBhcJJBhIc转动常数-选择定则I转动惯量选择定则相邻谱线间隔为2B(cm-1)1J相邻谱线间隔为2B(cm)转动跃迁的能量很小，纯转动频谱只出现在远红外区和微波区振动跃迁和转动跃迁振动跃迁和转动跃迁分振动态的量化分子振动产生个振荡电偶分子振动态的量子化1kkEh分子振动产生一个振荡电偶极矩，它足以提供振动跃迁和转动跃迁的能量。因此，2vkkkEhk振动量子数，表示简正模这两种跃迁同时存在，最终的能级等于各种跃迁能量的总和。转动/振动耦合能态的量子化11vJkkEBhcJJh因为振动跃迁的能量远大于转动跃迁，同时由于许多转动能级是活跃的所以组合选择定则,2vJkk1动能级是活跃的，所以组合跃迁的频谱是振动波数周围的一组密集转动谱线。振动跃迁不会单独发生而11R0QkJ支支振动跃迁不会单独发生，而是耦合着许多转动跃迁。这种耦合造成了一组谱线，称为在中红外频谱中的振转带0Q1PJ支支为在中红外频谱中的振转带。振动跃迁和转动跃迁振动跃迁和转动跃迁CO15吸收带(0110→0000)CO215um吸收带(0110→0000)振动跃迁和转动跃迁振动跃迁和转动跃迁讨论上述讨论的振动和转动者是对谐振子刚性转子而言的，这里的选，择定则为因为振子的非谐性，跃迁不同于跃迁，高能1,1Jv10v21v因为振子的非谐性，跃迁不同于跃迁，高能态谱带并不具有与基态谱带相同的频率；非谐性也改变了谐振子的选择定则从而使量子数的所有整数变10v21v21v10v非谐性也改变了谐振子的选择定则，从而使量子数的所有整数变化都成为容许的。两个不同振动量子数的同时变化则产生了频率等与简正模频率的两个不同振动量子数的同时变化则产生了频率等与简正模频率的和或差的组合带或差频带，它们的跃迁概率通常比基本跃迁小。谱线增宽谱线增宽问题：由原子/分子的能态跃迁发射的辐射是单色，但实际上从未观测到过单色发射辐射，什么原因？原因：外界对原子和分子的影响，以及发射中的能量损耗发射中的能量损耗造成的振子振动的阻尼（自然增宽）吸收分子之间以及吸收与不吸收分子之间相互碰撞产生扰动（碰撞增宽）各种分子和原子之间的热运动速度差异造成的多普勒效应（多谱勒增宽）自然增宽与碰撞增宽和多普勒增宽相比可以忽略不计在高层大气中碰撞增宽和多普勒增宽共同起作用在低层大气中（20km以下）由于气压效应，碰撞增宽起主导作用谱线增宽谱线增宽压致增宽（碰撞增宽）洛仑兹廓线0220SkSf0k吸收系数，吸收系数是归一化的理想单色光的波数二分之极大值处谱线的半宽f二分之一极大值处谱线的半宽是气压的函数，也是温度的函数谱线的形状因子000=1013nTppTphPa标准气压和标准吸收谱线的洛兹线型是大气中0-fSkdS谱线的形状因子线强000=10132731/21phPaTKn标准气压和标准温度时的半宽随分子类型在范围变动吸收谱线的洛兹线型是大气中红外辐射传输的理论基础100.010.1cm的取值范围约为，且随谱线而变化谱线增宽谱线增宽多普勒增宽多普勒廓线20expDDSk1/2022DDDKTmc与洛仑兹廓线相比多普勒/ln2Dmc谱线半宽与洛仑兹廓线相比，多普勒廓线在中心区要强得多，在翼区要弱得多多普勒谱线半宽与绝对翼区要弱得多温度的平方根成正比谱线增宽谱线增宽沃伊特廓线大约20-50km高度范围内，需要综合考虑碰撞增宽和多普勒增宽，00vDfffd202/3222011expDDd沃伊特廓线满足归一化条件001vfd气体的吸收系数气体的吸收系数问题问题分子的储能方式有哪几种？什么时中红外频谱中的振转带？造成原子和分子辐射谱线增宽都有哪些原因相应的谱线形状表达式是什么因？相应的谱线形状表达式是什么？地球大气的结构地球大气的结构地球大气的结构地球大气的结构大气的热力结构大气的热力结构1960年国际大地测量和地球物理联合会（IUGG）规定球物理联合会（IUGG）规定地球大气的垂直轮廓分成四个层次：对流层、平流层、中间层、热层。对流层。温度随高度降低，从288K降低到220K，典型直减率6.5K/km。对流层的热力学状态主要由地表至大热力学状态主要由地表至大气的辐射平衡以及能量对流输送造成。地球大气的结构地球大气的结构大气的热力结构平流层。对流层顶至20km左右为等温层；由此向上温度逐渐增加到270K。平流层的热力学状态主要由臭氧层的热力学状态主要由臭氧对太阳辐射通量的吸收以及及二氧化碳的红外辐射发射两者决定。中间层。在50km-85km范围内，大气温度随高度降低围内，大气温度随高度降低热层。85km以上到几百千米，温度从500K可变化到2000K，取决于太阳活动。外逸层。位于热层之上。地球大气的结构地球大气的结构大气的其它分层术语大气的其它分层术语低层大气（对流层）中层大气（平流层和中中层大气（平流层和中间层）高层大气（80k以上）高层大气（80km以上）大气层最低1km左右的层次明显地与对流层的层次明显地与对流层的其它层次不同，与地表发生强烈而重要的相互发生强烈而重要的相互作用。这一层称为行星边界层。边界层。标准大气标准大气人们根据大量高空探测的数据和理论，规定了一种特性随高度平均分布的最接近实际大气的大气模式，称为“标准大大气”。这个标准大气，除相隔多年做修正外，不允许经常变动。美国1976年标准大气（USSA-1976）它给出了中等太阳活动期间，由地面到1000km的理想化、静态的中纬度平均大气。这个标准大气的32km以下与50km以下部分，分别和国际民用航空组这个标准大气的以下与以下部分，分别和国际民用航空组织标准大气及国际标准化组织的标准大气相同。我国有关部门将此标准大气与我国60个台站的30km以下的气球探空我国有关部门将此标准大气与我国60个台站的30km以下的气球探空资料进行比较后，认为与45°N的实际大气十分接近，低纬度地区有较大偏差有较大偏差。美国1976年标准大气美国1976年标准大气美国1976年标准大气美国1976年标准大气AFGL标准大气模型AFGL标准大气模型地球大气的成分和结构地球大气的成分和结构大气的化学成分大气的化学成分地球大气的化学成分地球大气的化学成分大气的化学成分大气的化学成分恒定气体含量按体积比直到高度基本不变到60km高度基本不变。CO2↑0.4%/年NH↑12%/年NH4↑1-2%/年O3主要出现在15-30km高度范围（臭氧层）最高度范围（臭氧层），最大浓度出现在20-25km高度范围具体取决于纬度度范围，具体取决于纬度和季节。地球大气的化学成分地球大气的化学成分地球大气的化学成分地球大气的化学成分地球大气的化学成分地球大气的化学成分地球大气的化学成分地球大气的化学成分大气的化学成分大气的化学成分H2O是大气中的主要辐射和动力要素50%的水气集中动力要素。50%的水气集中在850hPa以下，90%集中在500hPa以下。水气含量变化呈现双峰形式，最大值出现在南北半球亚热带约700hPa高度以下的气层中，在赤道地区和约60˚以上的高纬度地区变化量很小平流层含地区变化量很小。平流层含水量很小，约3-4ppm。地球大气的化学成分地球大气的化