陈兴峰
太阳辐射光谱和大气透过
2017-2-21 18:04
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以下图示来自网络搜索。

1 太阳发光

太阳是一颗恒星,恒星因自身热核反应向外发出电磁波(可包含可见光)。围绕着太阳转圈圈的各大行星及矮行星不发出光,主要是靠自身的固体、液体、气体反射太阳光。

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图 太阳光谱

从上图可以看出,太阳光的能量主要集中在可见光波段和短波红外,地球大气上界的太阳辐射光谱的99%以上在波长 0.15~4.0微米之间。大约50%的太阳辐射能量在可见光谱区(波长0.4~0.76微米),7%在紫外光谱区(波长<0.4微米),43%在红外光谱区(波长>0.76微米),最大能量在波长 0.475微米处。


2气体吸收

气体,比如二氧化碳、水蒸气,在某些特定波长可以对电磁波进行很强的吸收;然而在其他波长,却几乎没有吸收,强吸收的波长范围称为某气体的吸收谱线、吸收带或者吸收峰。

图 主要温室气体水蒸气(water vapor)和二氧化碳(carbon dioxide)的透过率


能够对太阳光谱进行吸收的气体有太阳外层大气气体、行星表面气体。

图 地球大气总的透过特性及氧气、臭氧、二氧化碳、水汽、二氧化氮吸收带


图 美国标准大气模式下的地球大气和气体透过率(在760nm波长处,似乎应为氧气吸收而非二氧化碳)



3颗粒物散射

固体和液体颗粒,悬浮在行星大气中,这种混合状态属于以气体为介质的溶胶,被称为气溶胶。

当溶质主要为液体颗粒,介质为气体,这种气溶胶就是雾。

气溶胶颗粒(包括气体介质和固液溶质颗粒)对入射光向所有方向反射,这种把光打散了之后反射的情况被称为散射。

图 太阳辐射光谱、6000k黑体辐射和地球表面接收到的太阳辐射


当太阳光从太空照射到地面时,会受到大气中介质和溶质两种颗粒物的散射:

一是固态液态颗粒物的散射,一般把粒子假定位球形。当然,对于相对规则的冰晶等颗粒,也可以假定位六棱柱体等来描述其散射;

二是气体分子在较短波长(比如450nm蓝色光)作为一种相对较大的颗粒物,对太阳光造成瑞利散射,也成为分子散射。


图 太阳辐射、5250k黑体辐射和地球海平面级别太阳光辐射光谱

图 地球大气的气溶胶和气体分子散射、气体吸收对太阳辐射的作用


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