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2.2辐射传输方程

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辐射传递理论partokb

第四章 海洋辐射传递理论 第一节 引言 海洋辐射传递,顾名思义,即为辐射在海水介质中受到散射与吸收所导致的辐射场变化。海洋光学辐射传递理论即是定量地研究辐射能通过海洋水体,受到多次散射和光谱吸收后,辐射场的空间分布及光谱分布的变化。 海洋辐射传递理论是海中能见度、对比度传输、水中图象传输、激光水中传输、海洋激光雷达、海面向上光谱辐射、海洋光学遥感、海水光学参数测量等应用研究的理论基础。它与近代光学技术、激光、光学遥感探测海洋的应用研究密切相关。因此海洋辐射传递理论是海洋光学基本理论和理论核心。辐射传递又是天体物理和大气光学的重要理论工具,因为电磁波(包括核辐射)与物质相互作用的研究是近代物理的重要组成部分,故辐射传递是近代物理的重要工具,因此海洋辐射传递的研究同时也具有更普遍的理论意义。 海洋辐射传递的基础问题大致可划分为: 1)经典问题也称为辐射传递正问题,即已知海中空间各点的固有光学性质和边界面的辐射场,求海中的辐射场分布。 2)第二类问题(又称“逆问题”),即已知海中辐射场分布,求海水固有光学性质的参数。它是遥测海表层光学参数的理论基础,也是光学遥感测定海中叶绿素、悬移质和有机溶解物的基础。 3)窄光束问题,主要是求解高方向性激光束在海中的传输。它是海洋激光雷达、激光水下--空中通讯应用的理论基础。 4)海洋--大气系统辐射传递问题,即在建立海洋--大气系统辐射传递模型基础上, 根据大气顶所接收到的辐射推算海表面辐射。 5)水下图象传输问题,研究水下目标通过水体后图象的模糊和变化,或归结为海中点扩展函数和光学传递函数理论问题。 按照大气光学、海洋光学中的辐射传递模型,辐射传递方程可写为 ?+-=πωθθβθ4''),()',(d r L cL dr dL (4-1) 这里,L 为辐亮度,c 为体积衰减系数,β为海洋水体的体积散射函数,图4.1为海洋中辐射传递物理模型的示意图。显然,方程(1)是一种微—积分方程,因为β函数的复杂性,方程难以解析求解。目前国际上对辐射传递问题的研究,主要有三种方法: 1、近代解析求解 2、分离坐标法(主要是球谐函数方法) 3、蒙特卡罗方法(Monte Carlo Method ) 这三种方法在国际上一直延用至今,比较有效的方法是蒙特卡罗方法,也是当前受人关注的方法。第一种方法一般作为理论条件下的研究,后两种方法都必须进行数值计算,计算量较大。这三种方法均未突破辐射传递积一微分方程所固有的解方程的困难,当前国际上海洋光学、大气物理、天体物理、中子迁移物理所进行的辐射传递研究几乎都徘徊于如何用数值模拟方法对方程直

大气辐射传输理论 第一章..

大气辐射传输理论 引言 学科定义: 1、大气辐射学研究辐射能在地球-大气系统内传输和转换的规律及其应用,属大气物理学的一个分支。大气辐射学是天气学、气候学、动力气象学、应用气象学、大气化学和大气遥感等学科的理论基础之一。 2、地球-大气系统的辐射差额是天气变化和气候形成及其演变的基本因素,可以说辐射过程与动力过程的作用共同决定了地球的气候环境。 学习、研究的意义 辐射是地气系统与宇宙空间能量交换的唯一方式 数值天气预报中需要定量化考察大气辐射过程 辐射传输规律是大气遥感的理论基础 气候问题——辐射强迫 近年来人类活动造成的地球大气气候变迁成为大气科学研究热点,其原因也在于人类活动所排放的某些物质会改变地球大气中的辐射过程所致。 大气辐射学主要研究内容: 一、地-气系统辐射传输的基本物理过程和规律,包括 1、太阳的辐射(97%E在0.3~3μm波段内,λ m=0.5μm附近); 2、地-气系统辐射(绝大部分E在4~80μm波段内,λ m=10μm附近); 3、不同地表状态云、气溶胶、水汽、臭氧、二氧化碳等对辐射传输的影响。 二、大气辐射学还要研究辐射传输方程的求解。 辐射传输方程:是描述辐射传播通过介质时与介质发生相互作用(吸收、散射、发射等)而使辐射能按一定规律传输的方程,在地球大气条件下,求解非常复杂,只能在一些假定下求得解析解,因此辐射传输方程的求解,一直是大气辐射学研究的重要内容。 三、另外,对辐射与天气、气候关系的研究也是大气辐射学的重要内容,它是从地-气系统辐射收支的角度,来研究天气和气候的形成以及气候变迁问题的。 相关内容: 许多复杂的物理动力气候学问题中,涉及到海洋、极冰、陆地表面的辐射和热状况,大气中的云、气溶胶、二氧化碳等因子在辐射过程中对气候所造成的影响,以及这些过程和大气辐射过程之间复杂的相互作用和反馈关系。 第一章用于大气辐射的基本知识 第一节辐射的基本概念 太阳辐射和地球大气辐射虽具有不同的特性,其本质是相同的,它们都是电磁辐射。电磁辐射是以波动和粒子形式表现出的一种能量传送形式。 1.1.1电磁波及其特性 一、波:波是振动在空间的传播。有横波和纵波的形式之分。 二、机械波:机械振动在媒质中的传播,如声波、水波和地震波。 三、电磁波(ElectroMagnetic Spectrum):变化电场和变化磁场在空间的传播。 四、电磁辐射: 电磁能量的传递过程(包括辐射、吸收、反射和投射)称为电磁辐射。 五、电磁波的特性: 1、电磁波是横波 2、在真空中以光速传播 3、电磁波具有波粒二相性: 波动性:表现在电磁辐射以波动方式在大气中传播,并发生反射、折射、衍射和偏振等效应。也就是说电

遥感辐射传输模型

遥感辐射传输模型 姓名:张超 学院:地球科学与环境工程学院 专业:遥感科学与技术 班级:遥感一班 提交时间:2015年5月10日 大气订正是遥感技术的重要组成部分,主要包括大气参数估计和地表反射率反演两个方面。如果获得了大气特性参数,进行大气订正就变得相对容易,但是

获得准确的大气特性参数通常比较困难。通常有两类方法用辐射传输方程计算大气订正函数:一种是直接的方法,对于大气透过率函数和反射率函数,通过对模型的积分来得到;另一种是间接的方法,他不是直接计算所需要的大气订正函数,而是通过辐射传输模型输出的表观反射率,结合模型输入的参数来求解。大气订正方法有很多,比如:基于图像特征的相对订正法、基于地面线形回归模型法、大气辐射传输模型法和复合模型法等。它是利用电磁波在大气中的 辐射传输原理建立起来的模型对遥感图像进行大气订正的方法。 其中,大气辐射传输模型(Atmospheric Radiative Transfer Model)法是较常用的大气订正方法,它用于模拟大气与地表信息之间耦合作用的结果,其过程可以描述为地表光谱信息与大气耦合以后,在遥感器上所获得的信息,其中考虑了光子与大气相互作用机理,物理意义明确,具有很高的反演精度。 大气辐射传输原理 电磁辐射在介质中传输时,通常因其与物质的相互作用而减弱。辐射强度的减弱主要是由物质对辐射的吸收和物质散射所造成的,有时也会因相同波长上物质的发射以及多次散射而增强,多次散射使所有其它方向的一部分辐射进入所研究的辐射方向。当电磁辐射为太阳辐射,而且忽略多次散射产生的漫射辐射时,光谱辐射强度的变化规律可以表述为[1] (1)式中,IΛ是辐射强度, s是辐射通过物质的厚度,ρ是物质密度,KΛ表示对波长λ辐射的质量消光截面。令在s=0 处的入射强度为Iλ(0),则在经过一定距离s1后,其出射强度可由式(1)积分得到 (2)假定介质是均匀的,则kλ与距离s无关,因此定义路径长度 (3)则式(2)可表示为 (4)上式就是比尔定律,也称朗伯定律。它指出,通过均匀消光介质传输的辐射强度按简单的指数函数减 弱,该指数函数的自变量是质量消光截面和路径长度的乘积。它不仅适用于强度

一维辐射传递方程的谱方法求解

分类号密级 UDC 学位论文 一维辐射传递方程的谱方法求解 作者姓名:张大伟 指导教师:李本文 教授 东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室 申请学位级别:硕士学科类别:工学 学科专业名称:工程热物理 论文提交日期:2008年2月22日论文答辩日期:2008年2月25日学位授予日期:2008年3月 答辩委员会主席:王恩刚 教授 评阅人:陈海耿(东北大学教授) 聂宇宏(江苏科技大学副教授) 东北大学 2008年2月

A Dissertation in Engineering Thermophysics SPECTRAL METHOD FOR SOLVING ONE-DIMENSIONAL RADIATIVE TRANSFER EQUATION by Zhang Dawei Supervisor: Professor Li Benwen Northeastern University February 2008

独创性声明 本人声明,所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外,不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果,也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名: 日期: 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定:即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 (如作者和导师不同意网上交流,请在下方签名;否则视为同意。) 学位论文作者签名:导师签名: 签字日期:签字日期:

第十三章课后习题答案教学文案

第十三章 热力学基础 13 -1 如图所示,bca 为理想气体绝热过程,b1a 和b2a 是任意过程,则上述两过程中气体作功与吸收热量的情况是( ) (A) b1a 过程放热,作负功;b2a 过程放热,作负功 (B) b1a 过程吸热,作负功;b2a 过程放热,作负功 (C) b1a 过程吸热,作正功;b2a 过程吸热,作负功 (D) b1a 过程放热,作正功;b2a 过程吸热,作正功 分析与解 bca ,b1a 和b2a 均是外界压缩系统,由?=V p W d 知系统经这三个过程均作负功,因而(C)、(D)不对.理想气体的内能是温度的单值函数,因此三个过程初末态内能变化相等,设为ΔE .对绝热过程bca ,由热力学第一定律知ΔE =-W bca .另外,由图可知:|W b2a |>|W bca |>|W b1a |,则W b2a <W bca <W b1a .对b1a 过程:Q =ΔE +W b1a >ΔE +W bca =0 是吸热过程.而对b2a 过程:Q =ΔE +W b2a <ΔE +W bca =0 是放热过程.可见(A)不对,正确的是(B). 13 -2 如图,一定量的理想气体,由平衡态A 变到平衡态B ,且它们的压强相等,即p A =p B ,请问在状态A 和状态B 之间,气体无论经过的是什么过程,气体必然( ) (A) 对外作正功 (B) 内能增加 (C) 从外界吸热 (D) 向外界放热

分析与解 由p -V 图可知,p A V A <p B V B ,即知T A <T B ,则对一定量理想气体必有E B >E A .即气体由状态A 变化到状态B,内能必增加.而作功、热传递是过程量,将与具体过程有关.所以(A)、(C)、(D)不是必然结果,只有(B)正确. 13 -3 两个相同的刚性容器,一个盛有氢气,一个盛氦气(均视为刚性分子理想气体).开始时它们的压强和温度都相同,现将3J 热量传给氦气,使之升高到一定的温度.若使氢气也升高同样的温度,则应向氢气传递热量为 ( ) (A) 6J (B) 3 J (C) 5 J (D) 10 J 分析与解 当容器体积不变,即为等体过程时系统不作功,根据热力学第一定律Q =ΔE +W ,有Q =ΔE .而由理想气体内能公式T R i M m E Δ2 Δ= ,可知欲使氢气和氦气升高相同温度,须传递的热量 ? ?? ? ?????? ??=e e e 222e 2H H H H H H H H /:i M m i M m Q Q .再由理想气体物态方程pV =mM RT ,初始时,氢气和氦气是具有相同的温度、压强和体积,因而物质的量相同,则3/5/:e 2e 2H H H H ==i i Q Q .因此正确答案为(C). 13 -4 有人想像了四个理想气体的循环过程,则在理论上可以实现的为 ( )

南华物理练习第13章答案

第十三章 早期量子论和量子力学基础 练 习 一 一. 选择题 1. 内壁为黑色的空腔开一小孔,这小孔可视为绝对黑体,是因为它( B ) (A) 吸收了辐射在它上面的全部可见光; (B) 吸收了辐射在它上面的全部能量; (C) 不辐射能量; (D) 只吸收不辐射能量。 2. 一绝对黑体在温度T 1 = 1450K 时,辐射峰值所对应的波长为λ1,当温度降为725K 时,辐射峰值所对应的波长为λ2,则λ1/λ2为( D ) (A) 2; (B) 2/1; (C) 2 ; (D) 1/2 。 3. 一般认为光子有以下性质( A ) (1) 不论在真空中或介质中的光速都是c ;(2) 它的静止质量为零;(3) 它的动量为h ν/c 2; (4) 它的动能就是它的总能量;(5) 它有动量和能量,但没有质量。 以上结论正确的是 ( A ) (A) (2)(4); (B) (3)(4)(5); (C) (2)(4)(5); (D) (1)(2)(3)。 4. 已知某单色光照射到一金属表面产生了光电效应,若此金属的逸出电势是U 0(使电子从 金属逸出需做功eU 0),则此单色光的波长λ必须满足:(A ) (A) 0hc eU λ≤ ; (B) 0 hc eU λ≥; (C) 0eU hc λ≤; (D) 0eU hc λ≥。 二. 填空题 1. 用辐射高温计测得炉壁小孔的辐射出射度为2 2.8W/cm 2,则炉内的温度为 1.416×103K 。 2. 设太阳表面的温度为5800K ,直径为1 3.9×108 m ,如果认为太阳的辐射是常数,表面积保持不变,则太阳在一年内辐射的能量为 1.228×1034 J ,太阳在一年内由于辐射而损失的质量为1.3647×1017 kg 。 3. 汞的红限频率为1.09×1015 Hz ,现用λ=2000?的单色光照射,汞放出光电子的最大初速度0v =5 7.7310 m/s ? ,截止电压U a = 1.7V 。 4. 如果入射光的波长从400nm 变到300nm ,则从表面发射的光电子的遏止电压增大(增大、减小)。 三. 计算题 1. 星星可以看作绝对黑体,今测得太阳辐射所对应的峰值波长λm1=5500?,北极星辐射所对应的峰值波长λm2=0.35μm ,求太阳的表面温度T 1和北极星的表面温度T 2 . 解:由:T b m λ= 3103 1 11026.510 550010897.2?=??== --m b T λ

【辐射传输】名词解释

2-3立体角(Ω)被定义为锥体所拦截的球面积(σ)与球半径(r)平方的比值。单位:球面度(sr) 2-7辐射通量:单位时间通过某一表面的辐射能量。也称功率。 2-8辐射通量密度:单位时间、单位面积上所通过的能量。 2-9辐射量度:单位时间、单位立体角垂直于辐射方向的单位面积上所通过的能量。在一些参考书上也称为辐射强度。2-13二项性反射分布函数:反射方向辐射亮度与入射方向辐射通量密度的比值。 2-14二项性反射率因子:反射方向辐射亮度与理想漫反射体在该方向的反射辐射亮度之比。 2-14理想漫反射体:100%反射且各向同性(朗伯体) 2-15反照率:一般定义为目标物的反射辐射通量密度与入射辐射通量密度的比值。 2-15黑空反照率(Black-Sky Albedo):将BRDF在所有反射方向上进行积分。有时也称方向-半球反射率等。 2-15白空反照率(White-Sky Albedo):将黑空反照率在所有入射方向上进行积分。有时也称为双半球反射率等。 2-16宽波段反照率就被定义为在一定波长范围内的地表上行辐射通量密度与下行辐射通量密度的比值 2-17黑体:完全的吸收体和发射体。 2-33基尔霍夫定律:在热力学平衡条件下,某介质的单色发射率等于它的单色吸收率。 2-36散射(Scattering)是这样一种物理过程:位于电磁波路径上的粒子,通过这种过程从入射波中连续地提取能量,并且将此能量向各方向重新辐射出去。 2-36吸收(Absorption):粒子将电磁辐射的能量变成自己的能量。 2-36消光(Extinction):表示介质对光的移除,使其能量衰减。消光= 散射+ 吸收。 2-40消光截面:表示粒子由初始光束中所移除的能量大小。当对粒子而言时,截面的单位是面积(cm2),因此,以面积计的消光截面(extinctioncrosssection)等于散射截面与吸收截面之和。 2-43热点:即与太阳入射方向正好相同的观测方向附近有一个反射峰值。 2-54光学厚度为空间某一点(高度为z)到大气层顶(高度为∞)的消光系数的垂直积分。 2-58大气气溶胶是指悬浮在大气中的固体和液体微粒。气溶胶粒径范围通常在10–3~10μm。 BRDF(Bidirectional Reflectance Distribution Function,即双向反射分布函数) 双向反射率分布函数(BRDF)的物理意义是:来自方向地表辐照度的微增量与其所引起的方向上反射辐射亮度增量之间的比值。 灰体:物体在任何温度下所有各波长的辐射强度与绝对黑体相应波长的辐射强度比值不变,这种物体叫作灰体。 比辐射率:物体在温度T,波长λ处的辐射出射度M1(T,λ)与同温度,同波长下的黑体辐射出射度M2(T,λ)的比值。 亮度温度:被测物体亮度是在有效波长λ=0.65μm与标准灯丝亮度平衡时所测定的温度,当物体的光谱辐射率λε与温度为Tb的黑体光谱辐射率相同时,黑体的温度Tb称为该物体的亮度温度Ts。 消光:消光(Extinction)是天文学中观测者用来描述被观测的天体发射的光线被路途中的物质(气体和尘埃)吸收和散射的状态。 漫反射,是投射在粗糙表面上的光向各个方向反射的现象。 比尔定律:(朗伯—比尔定律) 朗伯(Lambert)定律阐述为:光被透明介质吸收的比例与入射光的强度无关;在光程上每等厚层介质吸收相同比例值的光。 光学厚度,指在计算辐射传输时,单位截面积上吸收和散射物质产生的总衰弱,是无量纲量。 BRDF、BRF、普朗克定律、斯-玻定律、维恩位移定律、基尔霍夫定律、灰体、比辐射率、亮度温度、消光、漫反射、比尔定律、光学厚度 散射的分类与特点(解释自然现象) 地表反射的类型与特点(解释自然现象) 计算题:黑体辐射定律、比尔定律推导

基于自然边界条件求解辐射传输方程的方法_金蒙

第44卷 第9期 2011年9月 天 津 大 学 学 报 Journal of Tianjin University V ol.44 No.9Sep. 2011 收稿日期:2010-10-12;修回日期:2010-12-06. 基金项目:国家自然科学基金资助项目(30870657,30970775);国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2006CB705700);国 家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2009AA02Z413);天津市自然科学基金资助项目(09JCZDJC18200, 10JCZDJC17300). 作者简介:金 蒙(1980— ),男,博士研究生,kingman1980@https://www.doczj.com/doc/6517731148.html,. 通讯作者:高 峰,gaofeng@https://www.doczj.com/doc/6517731148.html, . 基于自然边界条件求解辐射传输方程的方法 金 蒙1,高 峰1, 2,马文娟1,杨 芳1,赵会娟1,2 (1. 天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津 300072; 2. 天津市生物医学检测技术与仪器重点实验室,天津 300072) 摘 要:基于零内向流边界条件的辐射传输方程是目前被广泛采用的描述有限组织体中光子传播过程的模型.由于生物组织体及其周围介质之间折射率的差异,零内向流边界条件无法准确模拟光子到达边界时的传播过程,从而导致了实际应用中对光学参数的重建存在明显误差.为解决这一问题,建立了考虑边界内反射效应的自然边界条件下的辐射传输方程模型,发展了一种结合立体角元离散法和有限差分法的自然边界条件稳态辐射传输方程求解算法,并通过与蒙特卡洛模拟结果的对比验证了该算法的正确性. 关键词:辐射传输方程;有限差分方法;边界条件;扩散光学层析成像 中图分类号:Q63 文献标志码:A 文章编号:0493-2137(2011)09-0816-07 A Finite Difference Method to Solve Radiative Transfer Equation with Natural Boundary Condition JIN Meng 1,GAO Feng 1, 2,MA Wen-juan ,YANG Fang 1,ZHAO Hui-juan 1 ,2 (1. School of Precision Instrument and Opto-Electronics Engineering ,Tianjin University ,Tianjin 300072,China ; 2. Tianjin Key Laboratory of Biomedical Detecting Techniques and Instruments ,Tianjin 300072,China ) Abstract :The radiativ e transfer equation (RTE )with the inflow-zero boundary condition is currently increasingly adopted as a univ ersally applicable photon-migration model in the tissues. Howev er ,since biological tissues hav e normally different refractive indexes from the surroundings such as air ,this inflow-zero boundary condition can not accurately model the behavior of photons that hit the boundary ,leading to large errors in retrieval or image recon-struction of the optical properties. To overcome the limitations ,the natural boundary condition that takes into account the internal reflection effect should be considered. A joint discrete-ordinate and finite-difference solution to the steady-state RTE with the natural boundary condition is proposed and validated by comparison with the Monte-Carlo simula-tions. Keywords :radiative transfer equation ;finite difference method ;boundary condition ;diffuse optical tomography 扩散光学层析成像(diffuse optical tomography ,DOT )是一种新兴的无创功能成像模态[1-5],其基本原理是:使用波长范围在650~900nm 的近红外光“扫描”组织体,通过测量组织体表面上的光强分布来重建组织体内部的光学参数图像.DOT 的成像对象是反映组织体病生理功能信息的光学参数(吸收和散射系数),具有灵敏度和特异性高、安全廉价以及实时 性强等多重优点,因此在新生儿的脑血氧监测、乳腺 肿瘤的早期检测和基于小动物疾病模型的分子成像[5-7] 等领域具有广泛的重要应用前景.DOT 研究广泛采用基于模型的图像重建方法(model-based image reconstruction scheme )[8],其中扩散方程(diffusion equation ,DE )和辐射传输方程(radiative transfer equation ,RTE )为目前应用的2种主要光子输运正向

第13章 波动光学基础

第十三章 波动光学基础 光是电磁波 电磁波, 又称电磁辐射, 是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式传递能量和动量, 其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面. 电磁辐射的载体为光子, 不需要依靠介质传播, 在真空中的传播速度为光速. 电磁辐射可按照频率分类, 从低频率到高频率, 主要包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X 射线和伽 马射线. 人眼可接收到的电磁辐射, 波长大约在380至780纳米之间, 称为可见光. ()u x t E E -=ωcos 0 ()u x t H H -=ωcos 0 波速, εμ 1 = u ;平均能流密度, 202 1E I = 电磁波首先由詹姆斯·麦克斯韦于1865年预测出来, 而后由德国物理学家海因里希·赫兹于1887年至1888年间在实验中证实存在. 麦克斯韦推导出电磁波方程, 一种波动方程, 这清楚地显示出电场和磁场的波动本质. 因为电磁波方程预测的电磁波速度与光速的测量值相等, 麦克斯韦推论光波也是电磁波. 波的叠加 非相干叠加 21I I I += 相干叠加 ??++=cos 22121I I I I I

杨氏双缝实验 干涉加强(明纹)d D k x 22λ ±=, ,2,1,0=k 干涉相消(暗纹)()d D k x 212λ +±=, ,2,1,0=k 相邻明/暗条纹间距D x d λ?= 光程与光程差 在传播时间相同的条件下, 把光在介质中传播的路程折合为光在真空中传播的路程 光程 nr x = 光程差1122r n r n -=δ 薄膜等厚干涉(牛顿环, 劈尖干涉) 2 cos 22λ γδ+ =d n 明纹条件 2 2λ δk ±=, ,2,1,0=k 暗纹条件 ()2 12λ δ+±=k , ,2,1,0=k 单缝的夫琅禾费衍射 明纹条件 2 2sin λ ?k a ±=, ,2,1=k 暗纹条件 ()2 12sin λ ?+±=k a , ,2,1=k

大气辐射传输理论 第三章..

第三章 太阳辐射在大气中的吸收和散射 第一节 地球大气的成分和结构 为了描述地球大气与太阳辐射的相互作用,我们首先来了解一下大气的结构和成分。 3.1.1热力结构 ? 为了确定与太阳光吸收 和散射有关的大气区域,我们首先给出标准大气的垂直温度廓线: 大气的分层命名通常由它的热力状态导出 ? 对流层-对流层顶的高度随纬度和季节变化(低纬17~18km ,中11~12km ,高8~9km);集中了整个 大气质量的3/4和全部的水汽;天气现象都发生在这一层。 ? 平流层-高达50km ;气层稳定;T 最初微升,30km 以上随Z 的升高增加很快,达270~290K 。 这主要是由于O3 吸收紫外辐射所致;水汽很少,能见度很高。 ? 中层-高达80~85km ;T 随Z 升高而递减得很快;有强烈的湍流混合和光化学反应。 ? 热层-高达500~600km ;T 随Z 上升而迅速增加,可达1000~2000K ,所以称热层;由于波长小于 0.175微米的太阳紫外辐射,被热层气体吸收所致。温度是分子运动速度的一个度量;温度一日间有显著变化;热层处于高度电离状态。 ? 外层-热层顶以上是外层,这一层可能一直延伸到约1600km 的高空,并且逐步融合到行星空间去。 由于地球引力场的束缚力很小,一些高速运动的空气质粒不断向星际空间逃逸,又称外逸层。 ? 电离层-从距离约60km 开始向上延伸。在远距离无线电通讯中起着重要作用。与太阳活动密切相 关。 ? 磁层-500km 以上的高空。受太阳风的作用,看起来像彗星状。 ? 行星边界层:大气层的最低1km 左右的层次明显与对流层的其他高度不同,它与地表发生强烈而重要 的相互作用,这一层称为行星边界层。 3.1.2 化学成分 恒定成分变化成分成分 体积比(%) 成分 体积比(%) Nitrogen (N 2)Oxygen (O 2)Argon (Ar) Carbon dioxide (CO 2)Neon (Ne)Helium (He)Krypton (Kr)Xenon (Xe) Hydrogen (H 2)Methane (CH 4) Nitrous oxide (N 2O)b Carbon monoxide (CO)b 78.08420.9480.934 0.036 18.18 ×10-45.24 ×10-41.14 ×10-40.089 ×10-40.5 ×10-41.7 ×10-40.3 ×10-40.08 ×10-4 Water vapor (H2O)Ozone (O3) Sulfurdioxide (SO2)b Nitrogendioxide (NO2)b Ammonia (NH3)b Nitric oxide (NO)b Hydrogensulfide (H2S)b (HNO3) Chlorofluorocarbons (CFCI3, CF2C12 CH3CCI3, CC14, etc.) 0 ~0.04 0 ~12 ×10-40.001 ×10-40.001 ×10-40.004 ×10-40.0005 ×10-40.00005 ×10-4微量Trace

【珍藏】大气辐射传输校正模型(5S,modtran,acorn)

【珍藏】大气辐射传输校正模型(5S,modtran,acorn) 在遥感的实际应用中~常用很多简化的手段~如假设地面为朗伯面~排除云的存在~采用有关标准大气模式及大气气溶胶模式等~一次产生了许多不同类型的大气辐射传输模型~主要分为两类~ 1,采用大气的光学参数 2,直接采用大气物理参数如lowtran、modtran等大气辐射近似计算模型~而且还增加了多次散射计算 1. 5s模型 该模型的代码模拟计算海平面上的均匀朗伯体目标的反射率~并假定大气吸收作用与散射作用可以耦合~就像吸收粒子位于散射层的上面一样~则大气上层测量的目标反射率可以表示为~ 海平面处朗伯体的反射率 大气透过率 分子、气溶胶层的内在反射率 有太阳到地表再到传感器的大气透过率 S为大气的反射率 大气传输辐射校正模型,3 modtran 该模型是由美国空军地球物理实验室研制的大气辐射模拟计算程序~在遥感领域被广泛应用于图像的大气校正。

,1lowtran7是一个光谱分辨率20cm~的大气辐射传输实用软件~它提供了6 种参考大气模式的温度、气压、密度的垂直廓线~水汽、臭氧、甲烷、一氧化碳、一氧化二氮的混合比垂直廓线~其他13种微量气体的垂直廓线~城乡大气气溶胶、雾、沙尘、火山喷发物、云、雨的廓线~辐射参量,如消光系数、吸收系数、非对称因子的光谱分布,~以及地外太阳光谱。 lowtran7可以根据用户的需要~设置水平、倾斜、及垂直路径~地对空、空对地等各种探测几何形式~适用对象广泛。lowtran7的基本算法包括透过率计算方法~多次散射处理和几何路径计算。 1, 多次散射处理 lowtran 采用改进的累加法~自海平面开始向上直至大气的上界~全面考 虑整层大气和地表、云层的反射贡献~逐层确定大气分层每一界面上的综 合透过率、吸收率、反射率和辐射通量。再用得到的通量计算散射源函数~用二流近似解求辐射传输方程。 2, 透过率计算 该模型在单纯计算透过率或仅考虑单次散射时~采用参数化经验方法计算 带平均透过率~在计算多次散射时~采用k,分布法 3, 光线几何路径计算 考虑了地球曲率和大气折射效应~将大气看作球面分层~逐层考虑大气折 射效应 由于lowtran直接使用大气物理参数~因而需要按照下列方法计算出与 lowtran使用的大气物理参数相对应的大气光学参数179页 4.modtran辐射传输模型 ,1modtran可以计算0到50000cm的大气透过率和辐射亮度~它在440nm到无限

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