[理学]辐射基础知识.ppt

气象卫星相关的辐射基本原理 电磁辐射是气象卫星遥感的基础 一、电磁波谱 电磁波：是能量的一种，凡是能够释出能量的物体，都会释出电磁波。（高于绝对零度） 电磁波谱：为了对各种电磁波有个全面的了解，人们按照波长或频率的顺序把电磁波排列起来，这就是电磁波谱 电磁波跟水波声波等一样 电磁波谱 γ 射线 放射性元素蜕变时产生 从10-11—10-4纳米 能量很高，能穿透非常稠密的物质 Χ射线 原子内部的电子从激发态恢复到稳态产生的 有较高的频率 0.0045—10-5微米 能穿透密度很大的物质 紫外线 原子和分子内部电子状态的改变引起的 0.35—0.0045微米 频率较高 各种物质对短的紫外线波都有强烈的吸收 可见光 狭窄的波长间隔 0.35—0.76微米 对人眼的网膜施以一种特殊的刺激而引起视觉 短紫外（紫蓝绿黄橙红）红外长 红外线 0.76—1000微米 分子原子的振动转动产生 短（近中远）长 在红外线照射下，组织温度升高 ，热辐射、温度辐射 微波 1毫米-30厘米 微波炉、天气雷达10厘米 无线电波 大于30厘米 在气象卫星遥感中，主要采用 可见光波段(0.35-0.76微米) 红外波段(0.76-1000微米) 微波波段(1mm-30cm) （图像） 微波1.58厘米探测有云时的洪水 AMSU-A微波反演可降水总量 (1)与波相关的几个量电磁波在真空中的传播速度是2.997925±0.000003×1010cm/s3 × 108m/s每秒30万公里 电磁波的量子特性 从量子观点看：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 光谱—任何物体只要其温度大于0K都会发出电磁辐射。 电磁辐射能量的大小与波长成反比，波长越短，能量越大。 与能量相关的几个量 辐射能 电磁波携带的能量或物体发射的全部能量 用来量度辐射做物理功的本领 辐射通量(j/s,w) 单位时间内通过某一表面的辐射能 表示了辐射能传递的时间速率 辐射通量密度(wm-2) 通过单位面积的辐射通量 辐照度 投入到平表面上的辐射通量密度 出射度(辐出度,辐射率) 辐射体表面射出的辐射通量密度 电磁辐射包括太阳辐射、热辐射、无线电波等，它的波长范围很广从10-10微米（宇宙射线）到1010微米（无线电波） 电磁辐射包括 太阳辐射 热辐射 无线电波等 太阳高度角：是指太阳光的入射方向和地平面之间的夹角 太阳方位角 ：太阳方位角即太阳所在的方位，指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线（南向）的夹角 当辐射通过介质时，部分将透过，部分被吸收，部分被反射（散射）。三部分辐射的总和等于入射到介质的辐射能量。 辐射定律（基本辐射定律） 黑体 如果某一物体在任何温度下，对任意方向和任意波长，其吸收率（或发射率）都等于1 灰体 　如果物体的吸收率与波长无关，且为小于1的常数 选择性辐射体 物体的吸收率（或发射率）随波长而变 在自然界中绝大多数物体是选择性辐射体 不少选择性辐射体在某些波长间隔内的吸收率随波长变化很小，可以近似看作灰体在红外波段，不少物体的吸收率近似为1，可看做黑体 发射率（比辐射率） 　将辐射体的辐射通量密度与具有同一温度的黑体的辐射通量密度作比值 其值介于0与1之间 辐射平衡如果一个物体在某一温度从外界得到辐射能量，恰等于物体因辐射而失去的能量，则物体的热辐射达到平衡，使温度保持不变 大气中没有完全的热力平衡局地热力平衡设想大气中存在如下状态气体的每一体积元处在热力平衡状态中（对这个体积温度而言） 以下定律都在热力平衡条件下成立 当黑体的温度升高时，最大辐射值朝短波方向移动太阳6000K，最大辐射波长0.47微米地球256K，最大辐射波长10微米维恩位移定律 黑体的全波长辐射本领与绝对温度的4次方成正比黑体温度只要有很小的变化，就会引起辐射很大的变化对于用辐射精确推算温度十分有利斯帝芬-波耳兹曼定律 一物体在一定温度下发射某一波长的辐射则该物体在同一温度下吸收这种波长的辐射基尔霍夫定律 一物体是好的吸收体也是好的发射体反之亦然基尔霍夫定律 亮度温度Tb 如果物体发射的辐射亮度（辐射强度）与温度为Tb的黑体辐射亮度相等黑体的温度Tb 叫做该物体的亮度温度 亮度温度比实际温度低 亮度温度是用卫星测到的辐射能的值计算出来的(使用辐射定律) 亮度温度10.3—12.5微米等效黑体温度TBBBlack BodyTemperature 在无云或少云区TBB是地表黑体辐射温度,值较高TBB高值区常与高气压系统相对应 在云区里TBB是云顶的辐射温度,值较低TBB低值区一般为云区尤其是夏季和热带地区 冬季高纬