六、大气效应及其纠正

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1、六、大气效应及其纠正大气是介于星载传感器与地球表层之间的一层有多种气体及气溶胶组成的介质层，当电磁波由地球表层传至传感器时，大气是必经的通道。大气对电磁波的作用基本可以归纳为两种物理过程，即吸收与散射，对环境遥感来说，大气的吸收与散射作用均可使电磁波受到削弱，因此消除大气对电磁波属性量的影响、恢复其在地球表层的本来面目，就成为定量遥感不可逃避的问题，但从另一个角度看，无论是置于地面的传感器还是星载的传感器，当它接收到从大气作用后的电磁波时，它必然带有大气的特征信息，因此我们可以设法从中反演出表层大气属性的参数来，本来的目的是就上述方面的问题，展开必要的讨论。介绍近十多年来，在这两方面所取得的最

2、新成果。§1.大气的组成，结构特征及其基本物理过程1.1.大气的组成大气是由多种气体及气溶胶所组成的混合物，大气的气体成份可分为常定成份与可变成份两部分，其组成比例如图*所示目前的大气成份结构是经历了长期的历史演变而成的，大体上经历了三个不同的历史发展阶段，第一代大气主要由氢、氦、氖构成，是恒星爆炸中混时原始氢云里的物质，第二代大气是由火山喷发而形成的氧、二氧化碳、甲烷、氨和水汽，由于不存在臭氧，太阳紫外线辐射畅行无阻，直接把水汽分解为氢和氧，氧分子的出现使生命活动有了可能，随着绿色植物不断增长，长时间的光合作用一方面把水和二氧化碳转化为有机物质，另一方面为大气制造了大量的氧气。大气中的氮气对

3、早磁波的作用都在紫外光以外的范围内，而真正对电滋波传播起重要的吸收作用的是一些非常定的少量气体，其中作用最为显著的有臭氧（O3）、二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和水汽（H2O）。大气中的臭氧主要由太阳短波辐射使氧分子分解为单个氧原子，单个氧原子再与氧分子结合形成臭氧（O3），所以臭氧主要分布在10—50km的中层大气中，极大值出现在20—25km处，对流层中的臭氧含量不到总量的十分之一，臭氧总含量有明显的地域分布特征及季节变化，在赤道上空臭氧含量最少，在高纬度地区60°—70°区域内达到极大值，见图*，臭氧浓度的垂直分布为图*所示图*展示了由雨云卫星7号探测到的臭氧总量纬度平均值（60°N

4、—70°S）随时间的变化。174从中可以明显地看到臭氧含量的季节性变化及逐年递减趋势，这种递减趋势的形成是与人类活动和向大气压中大量排放氮氧化物与氟氯烃等气体有关。大气中的二氧化碳（CO2）含量相对稳定，其体积百分比含量约为0.0322%，二氧化碳含量较少，但它对红外波段，特别是以15Mm为中心形成了一个13—17Mm的强吸收率，正是这一特性使二氧化碳成为探测大气温度廓线的重要手段，并可以说明它不随高度而变，签于地表的代表性温度为300K，所以地表以长波辐射形式向太空散发热量，混合在大气中的CO2强烈地吸收着来自地表的热辐射，由于大气温度在对流层中是随高度递增减的，那么CO2以比地表较低的温度

5、向太空辐射热量，这就构成了一个辐射能量的差距（吸收多，支出少），这个差距增加地—气系统的温度，就是我们常把二氧化碳（CO2）气体称之为温室气体（greenhonesgee）之缘故，与二氧化碳具有类似作用的温室气体还有甲烷（CH4）等，大气中的二氧化碳含量随着工业化的进程而急剧地增加，通过对冰川中气泡成份的分析图*展示了工业化以来大气中二氧化碳含量增长的趋势。二氧化碳含量具有季节性变化，图*为本底测量让，所测的二氧化碳含量的年期变化。二氧化碳含量在南北两半球之间分布是不均一的，北半球明显地大于南半球，图*为二氧化碳含量季节变化幅度与纬度的关系175大气中的水汽（H2O）是由广大水面蒸发而来，通过

6、植被的蒸腾作用而进入大气的水汽含量，特别在大陆地区也是不可忽视的，从大气的辐射效应角度看，水汽活跃成份分别为大气气溶胶与云。无论从空间尺度还是时间尺度分析，大气中水汽含量的变化都是极大的，地球上最湿润的地区与最干燥地区水汽含量可以相差5个数量级，同一地点水汽含量的振动幅度与其平均值相当，表*描述了不同纬度大气平均水汽密度高度分析状况。从该表中我们可以了解到水汽时空变化的主要特点，而水汽对可见光，红外以及微波波段都有其表帜性的吸收波段，因此水汽对电磁的吸收与发射是大气效应纠正的重要内容，也是探测大气中水汽含量垂直分布的基本依据，大气气流胶是大气的重要组成部分，大气气溶-3胶是指悬浮于地球大气之中

7、具有一定稳定性的，沉降速度小的，尺度在10Mm到10Mm的液态及固体粒子，鉴于气溶胶粒子来源的不同，造成它的构成成份之差别，因而它的变介电常数不尽相同，对电磁波的吸收散射作用判别较大，故大气气溶胶可分为不同类型，比如海洋型、大陆乡村型、城市型等，由于地球重力作用气流溶胶颗粒密度随高度呈指数衰减，由于气溶胶颗粒尺度与可见光波长相当，故它对光的散射作用属于米氏（Mie）散射类型与分子散射（等雪散射）有