兰州大学《卫星气象学》第3章气象卫星遥感大气的基本原理课件.ppt

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1、卫星气象学电子版（第一版）第三章气象卫星遥感大气的基本原理3.1电磁波谱和辐射度量3.2辐射基本定律及传输方程3.3太阳短波辐射在大气中的传输3.4长波辐射在大气中的传输3.5卫星接收到的辐射章节内容气象卫星遥感地球大气的温度、湿度、云雨演变等气象要素,是通过探测地球大气系统发射或反射的电磁波而实现的。因此，电磁辐射是气象卫星遥感的基础。3.1电磁波谱和辐射度量不同波长的电磁波有不同的物理特性，因此可以用波长来区分辐射，并给以不同的名称，称之为电磁波谱。紫外线：UV-C(0.150-0.28)UV-B(0.28-0.315),UV-A(0.315-0.4),

2、unit:um红外线：近红外(0.7-2.5)，远红外(2.5-1000)；微波：1mm到1m波段。与大气辐射能量传输有关的电磁波谱大多数都位于紫外光和微波之间3.1.1电磁波谱电子跃迁可见光宇宙射线r射线紫外线X射线可见光红外线亚毫米波毫米波分米波厘米波微波超短波短波中波长波无线电波迟缓电振荡光谱区1nm1m1cm1m波长310223102031018310163101431012310103108310631043102频率(Hz)近红外中红外远红外1.515750m紫蓝青绿黄橙红0.400.430.450.500.570.600

3、.630.76m分子振动转动电离电磁振荡太阳地球大气辐射产生机制电磁波谱射线：波长10-11-10-4nm产生：放射性元素蜕变；特征：具有很高的能量，几兆电子伏特x射线：波长10-5-0.0045m产生：原子内部的电子从激发态恢复到稳态；特征：波长短，频率高能穿透密度很大的物质。紫外线：波长10-5-0.35m产生：原子和分子内部的电子状态改变；特征：频率较高，各种物质对短的紫外线有吸收。可见光：波长0.35-0.76m产生：原子内部的电子状态；特征：对人眼有特殊的刺激。红外线：波长0.76-1000m产生：分子、原子的振动转动；特征：与温度有关。微

4、波：波长1mm-30cm。大于30cm的波称无线电波产生：内部分子的转动引起的。=c,E=hv=hc/l1、电磁波谱基本公式：E：能量(joules,orj)h：普朗克常数(6.63x10-34j–s)v：频率(1/sors-1)c：真空中的光速(m/s)l：波长(m)2、电磁波各参数的关系和使用单位参数：波长波数（单位长度内含有的波数，波长的倒数）f频率c光速=3108米/秒。c=f波在真空中的速度。n=/n波在介质的波长。V=fn波在介质中的速度。n=(r/r)1/2介质折射指数。r介电常数,r导磁率。关系：f=cf=C/=

5、c/f=1/=f/c单位：1千兆赫(GHz)=103兆赫(MHz)=106千赫(KHz)=109赫(Hz)1米(m)=102厘米(cm)=103毫米(mm)=106微米(m)=109纳米(nm)从量子的观点看，电磁辐射可以看作是一粒一粒以光速c运动的粒子流，这些粒子称为光量子，每一光量子具有的能量为Q=hf(Q能量，h普朗克常数)电磁辐射看成是粒子，就一定有质量m和动量p。m=Q/c2=hf/c2p=mc=h/=hf/c电磁辐射的发射或吸收是由于物质内原子或分子的能量状态发生改变引起的，若物质中原子的状态由高能级EJ跃迁到低能级EI，便发出辐射；若从E

6、JEI便要吸收辐射。发出或吸收辐射时光量子的频率f=(EJ–EI)/h电磁辐射既有波动特性，也有粒子特性。波长较长的可见、红外线波动性表现明显；波长较短的r、x射线，其粒子性表现明显。3、电磁波的量子特性3.1.2描述辐射的基本物理量预备知识：通量的概念：单位时间内通过某一表面的辐射能（传递速率）平方反比定律：表示辐射能通过空间传播方式的原则，表示光的强度与到光源的距离的平方成反比。立体角概念：锥体所拦截的球面积σ与半径r的平方之比，单位为球面度（sr:Steradians）。那么立体角如何计算？？？（长方形面积微元求解公式）辐射场物理量包括：辐射能；辐射功

7、率；辐射强度；辐射通量密度；辐亮度，等。辐射能Q：焦耳、热力学卡（1k=4.1840J）辐射功率φ（或RadiantFlux辐射通量W）单位时间内通过任意表面的辐射能量，单位J/s辐射强度I：点辐射源在某方向上单位立体角内传送的辐射通量当表示面元接受的E时，又称辐照度（Irradiance）；表示从物体表面发射出的E，又称辐出度、辐射度、辐射能（Emittance）。辐射通量密度E(RadiantFluxDensity)单位时间通过单位面积的辐射功率，单位为W/m2。设面元为dA，则E为：◆辐亮度L（辐射率,Radiance）：单位立体角、单位时间、单位面积所

8、通过的辐射能量，单位为Wm-2sr-1