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1、第二章电磁波谱及辐射基本定律,一、电磁波谱1电磁波段的划分电磁辐射包括太阳辐射、地球大气的热辐射和无线电辐射等，它的波长范围很广,按电磁波的频率或波长划分：射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波等波段。,电磁波谱,电磁波谱的划分,(1)射线放射性元素蜕变时产生从10-1110-4纳米能量很高，能穿透非常稠密的物质,(2)X射线(伦琴射线)原子内部的电子从激发态恢复到稳态产生的波长短，频率较高0.004510-5微米能穿透密度很大的物质可用它的这种特性研究物质的内部结构。,(3)紫外线(UV)原子和分子内部电子状态的改变引起的微米近(0.250.40m)远(0.010.25m)频率较高，各种
2、物质对短的紫外线波都有强烈的吸收。近紫外还分：对大多数人没大危害的UVA(0.320.40m)、对生物引起太阳辐射伤害的UVB(0.290.32m)较强时对多数生命产生严重的损害的UVC(0.250.29m)。,(4)可见光谱段(VIS)狭窄的波长间隔0.350.76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）红外长太阳辐射的主要范围是可见光辐射。,(5)红外线(IR)0.76-1000微米分子原子的振动转动产生短（近中远）长热辐射、温度辐射(6)微波(MW)由物质内部分子的转动引起的1毫米-30厘米如微波炉、天气雷达10厘米。(7)无线电波大于300mm,电磁波谱各谱段
3、的划分常没有严格的界限。在两谱段之间的边界是渐变的，在某些文献中，其划分与上略有不同。按照使用目的划分:反射波段:0.383.0m谱段，这一波段的辐射源是太阳，卫星接收的是地面云顶对太阳辐射的反射辐射，反射波段还可以波长分为反射可见光谱段和反射近红外谱段。按吸收物质划分:将水汽吸谱段称之为水汽带，二氧化碳吸收谱段称为二氧化碳吸收带。,2参数间的关系、使用单位和量子特性(1)电磁波各参数的关系电磁波谱通常以波长和频率来表示，真空中存在关系:是波长，f是频率，c是光速。在真空中c=2.9979250.000003108m.s-1。每秒约30万公里,(2)电磁波各谱段使用的单位电磁波波长单位的换算见
4、表。在日常使用中可见光波段的波长单位常用nm(纳米)和m(微米)；红外波段的波长单位常用m。,(3)电磁波的量子特性从量子观点看，电磁辐射可以看成是一粒一粒以光速c运动的粒子流，这些粒子称为光量子。(能量单位leV=1.610-19J)光量子的能量从光化学角度常用摩尔能量(单位：kcal)表示，由于光生物学是以光化学反应为基础的，大多数光化反应的活化能都在20100kcal.mol-1之间，所以由光量子能量的摩尔大小可以看出某波长的光能否产生光生化反应。,紫外光谱与可见光谱的能量,从上表看出，对于红外光的光量子能量往往不能进行光化学反应，这种光量子被生物组织吸收后，转换为热能，所以以红外光的生
5、物学效应主要是热效应。从可见光开始可以进行光生物学化学反应，波长越短，其热效应越小。,（4）吸收带和大气窗,通过大气的太阳辐射或地球大气系统辐射将被大气中某些气体所吸收，这些吸收随波长的变化很大，在某些波段的吸收很强，而在另一些波段的吸收则很弱，在这些吸收最弱的波段，太阳辐射和地球大气辐射可以象光通过窗户那样透过大气，这些波段称做大气窗。,吸收带和大气窗,大气窗区可见光0.55 0.75m近红外0.8 1.1m 1.45 1.80m短波红外3.55 3.75m热红外10 12m窗区内仍有少量吸收，如：弱吸收线、强吸收带的翼线，在可见光和近红外区尚有气溶胶的散射作用,业务上最常使用的卫星图象有如
6、下几种：(a)可见光图象(VIS):可见光和近红外波段太阳光反射辐射的图象(波长0.4-1.1um)：(b)红外图象(IR):地一气系统在热红外波段发射辐射的图象(波长l0-12um)：(c)水汽图象(WV):水汽发射辐射的图象(波长6-7um)(d)通道3图象(3.7um):太阳和地一气系统重叠区辐射的图象，有时称这一波段为“近红外”。,二、辐射基本定理,（一）、辐射体和辐射平衡根据物体的吸收或发射能力，通常将物体分为三类：1黑体黑体是指某一物体在任何温度下，对任意方向和任意波长的吸收率或发射率都等于l，这种物体称为黑体。或者说，在热力学定律允许的范围内，最大限度地把热能转变为辐射能的理想热
7、辐射体叫做黑体。,黑体是一个理想的热辐射体，在自然界并不存在，但是在实验室可以近似地制作它，在自然界的某些物体(如太阳)可以看作黑体。2灰体如果物体的吸收率与波长无关，且为小于l的常数，这种物体称灰体。,3选择性辐射体,如果物体的吸收率(或发射率)随波长而变，则这物体称做选择性辐射体。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于1，这些物体在这一波段可以近似看成黑体。,4发射率,如果将辐射体的辐射通量密度M与具有同一温度的黑体的辐射通量密度M作比值，即 由于辐射体发射的辐 射随波长而变，所以
8、发射率也是波长的函 数，写为,某些地面目标物的发射率(红外谱段),5辐射平衡与局地热力平衡,自然界的所有物体都在向四周放射辐射，同时也从周围吸收辐射能。如果一个物体在某一温度从外界得到辐射能，恰等于物体因辐射而失去的辐射能，则该物体的热辐射达到平衡，而温度保持不变，这一热辐射过程称做平衡热辐射或辐射平衡。,对于地球大气系统，它要受到太阳辐射和其他微粒流的作用，同时大气内存有温度梯度，所以大气中没有完全的热力平衡。但在所有热力不平衡系统中，在一个宏观小体积内建立平衡的时间要短得很多。从此出发，可设想大气中存在如下状态：在这个状态中，气体的每一体积元量犹如处在热力平衡状态中(对这个体积温度而言)，
9、这样的平衡称局地热力平衡。实际大气中，在50km以下可以认为大气处在局地热力平衡。,6、若干概念,（1）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（2）辐射通量 单位时间内发射、接收或传播的辐射，与面积大小有关。（3）辐射通量密度通过单位面积的辐射通量,（4）出射度辐射体表面射出的辐射通量密度（5）吸收率a、反射率r、透过率当辐射通过介质时，部分将透过，部分被吸收，部分被反射。三部分辐射的总和等于入射到介质的辐射能量。,吸收率反射率透过率,基尔霍夫定律,在任一给定温度下，辐射通量密度（M）与吸收率（）之比对任何材料都是一个常数，并等于该温度下黑体的辐射通量密度（M黑）
10、。结合发射率的定义，可进一步推导出=，即地物的发射率等于吸收率。,e,n,=,h,-,=,34,6,63,10,h,J,s,.,.,式 中h 称为普朗克常数,振子在辐射或吸收能量 时，从一个状态跃迁到另一个状态。在能量子假说基础上，普朗克得到了黑体辐射公式：,对于频率为的谐振子最小能量为,绝对黑体的辐射定律,B,hc,k,T,M,hc,e,t,l,l,l,p,l,(,),=,-,-,2,5,1,2,1,这一公式称为普朗克公式,它和实验符合得很好。,c 光速,k 玻尔兹曼恒量,e 自然对数的底,B,曲线下的面积等于绝对黑体在一,定温度下的辐射出射度,即：,B,B,M,M,T,T,d,(,),(,
11、),=,l,l,由实验及理论都可以得到,B,M,T,T,(,),=,s,4,斯忒藩玻尔兹曼定律,(,),T,M,B,(,),T,M,s,=,5.67,10,8,+,w.m,K,2,.,4,推导一 斯忒藩（Stefan)玻尔兹曼定律,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的黑体辐射亮度温度相等我们称黑体的温度Tb 为该物体的亮度温度。即每个向上辐射强度测值均可转换成一个温度值，这种方式所测得的温度称为“亮温”,亮度温度比实际温度低,物体的光谱发射率偏离1越远,则其亮度温度偏离真实温度就越大；反之，光谱发射率越接近于1,那么亮度温度就越接近于真实温度 在相同的温度与波长下，实际
12、物体的热辐射总比黑体辐射小；而在具有相同热辐射的条件下，黑体温度必然低于实际物体的实际温度 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地区和青藏高原地表温度很低(等于或低于云顶)难以区分无云区和中低云区,推导 二 以下定律都在热力平衡条件下成立维恩位移定律 b=2.897 10-3 m*K当黑体的温度升高时，最大辐射值朝短波方向移动太阳60
13、00K，最大辐射波长0.47微米地球256K，最大辐射波长10微米,K标 标,各种温度下黑体的光谱发射辐照度,绝对黑体温度与最大辐射所对应波长的关系,可根据维恩-位移定律计算不同温度绝对黑体的最大辐射所对应的波长长度。自然界一般物体不是黑体,但在某一确定温度T时,物体最强辐射所对应的波长也可以用维恩位移公式进行近似计算。,在气象卫星遥感中反照率的定义：自某物体返回空间的太阳总辐射能与投射到该物体的总的辐射能之比。太阳辐射在大气中的传输特性太阳是一个巨大的火球直径约139.14万公里是地球直径的104倍太阳离地球的平均距离为1.495108公里,太阳常数,是指在不考虑大气在平均日-地距离处，垂直
14、于太阳入射的表面上接收到的太阳辐照度。地球表面测量到的太阳辐射光谱曲线是波长的函数。太阳辐射能主要集中于0.3-3微米，辐照度最大值位于0.47微米。大约1/4的太阳辐射能在小于0.47波段太阳辐射能总数的46%在可见光波段。,地面覆盖物对太阳辐射的反射土壤粒子减小反照率增大叶绿素在0.45和0.67强吸收绿色植物0.55和强反射水在1.4和1.9强吸收,太阳辐射在大气中的衰减,假如到达大气上界的太阳辐射定为100%，而实际上最后到达地球表面的太阳辐射却只有47%，这是什么原因造成的？表现形式：大气对太阳辐射的吸收(臭氧、水汽)大气对太阳辐射的反射(云)大气对太阳辐射的散射(分子、气溶胶),（
15、三）大气气体的长波吸收,1大气吸收气体成分和温室气体 辐射与地球大气的相互作用表现为大气中各种吸收气体对辐射的吸收、反射、透射和它自身发射辐射。这种相互作用与大气中气体成分的含量和分布有密切的关系。下表给出了大气中各气体成分的含量。从中看出，大气中的氧、氮和氩等恒定气体的含量在99.99以上，它们的体积比到80km以上没有变化。,大气各气体成分的含量,大气对太阳辐射的吸收作用,臭氧大量吸收紫外线,二氧化碳、水汽吸收红外线,特点：选择性吸收。大气对太阳辐射中能量最强的可见光吸收得很少，大部分 可见光能够透过大气到达地面,大气的吸收效应,主要起因于大气中某些气体分子如CO2、H2O、O3、O2等对
16、电磁辐射的选择吸收作用。在辐射波谱的红外区和微波区，被吸收的辐射能将转化为热能，其衰减程度与辐射波长、大气的温度、压强及吸收气体含量有关。,大气的吸收作用,氧气：小于0.2 m；0.155为峰值。高空遥感很少使用紫外波段的原因。臭氧：数量极少，但吸收很强。两个吸收带；对航空遥感影响不大。水汽：吸收太阳辐射能量最强的介质。到处都是吸收带。主要的吸收带处在红外和可见光的红光部分。因此，水汽对红外遥感有极大的影响。二氧化碳：量少；吸收作用主要在红外区内。可以忽略不计。,大气对太阳辐射的反射作用：,参与 的大气成分：,特点：,大气对太阳辐射的散射作用：,参与的大气成分：,云层、尘埃,无选择性,空气分子
17、和气溶胶粒子,特点：,具有选择性,大气的散射效应,主要起因于大气中悬浮的气溶胶粒子，如尘埃、水滴、冰晶等对电磁辐射的散射作用，它将使辐射在大气中传输时改变方向，散射过程中辐射能量将在空间重新分配，分配方式与辐射波长、粒子尺度和形状以及粒子的折射率有关。,大气的散射作用,散射作用：太阳辐射在长波过程中遇到小微粒而使传播方向改变，并向各个方向散开。改变了电磁波的传播方向；干扰传感器的接收；降低了遥感数据的质量、影像模糊，影响判读。大气散射集中在太阳辐射能量最强的可见光区。因此，散射是太阳辐射衰减的主要原因。,三种散射作用,瑞利散射：当微粒的直径比辐射波长小得多时，此时的散射称为瑞利散射。散射率与波
18、长的四次方成反比，因此，瑞利散射的强度随着波长变短而迅速增大。紫外线是红光散射的30倍，0.4微米的蓝光是4微米红外线散射的1万倍。瑞利散射对可见光的影响较大，对红外辐射的影响很小，对微波的影响可以不计。多波段中不使用蓝紫光的原因：,米氏散射：当微粒的直径与辐射波长差不多时的大气散射。云、雾的粒子大小与红外线的波长接近，所以云雾对对红外线的米氏散射不可忽视。无选择性散射：当微粒的直径比辐射波长大得多时所发生的散射。符合无选择性散射条件的波段中，任何波段的散射强度相同。水滴、雾、尘埃、烟等气溶胶常常产生非选择性散射。云雾为什么通常呈现白色？,单次散射与多次散射,2地球大气的发射光谱和吸收光谱,太
19、阳入射至地球的辐射通量平均约为342Wm-2，其中地球大气系统将入射到地气系统的太阳辐射的31反射回宇宙，而吸收余下的部分，其中大部分被地球表面所吸收(235Wm-2)。在大气、陆地和海洋混合层，辐射能转变为化学、热能(增加自身的温度)、动能，作为驱动天气和气候的能量。同时又以自身的温度向宇宙发射红外辐射。地气系统的平均温度为250K左右，发射的辐射光谱位于红外谱段。,地表辐射收支出,(四)地表辐射参数和卫星接收到的辐射,1.地表面对大气辐射的作用将入射至地表的辐射反射回大气层；吸收部分入射辐射；发射热辐射；传输入射辐射。这些作用控制了通过大气的辐射场。,2.卫星接收到的辐射,在地球大气系统中
20、各自然表面以及大气本身的辐射过程是一个十分复杂的问题，它涉及到各辐射源的特性和物体和气体的吸收、发射、透射、目标物反射、粒子散射和透射等诸多方面的特性。地球大气系统作为一个整体，它一方面要接受入射的太阳辐射，另一方面又要反射太阳辐射和以其自身的温度发射红外辐射。,在卫星的视场范围内测量到辐射主要有：地表、云层发出的红外辐射；大气中吸收气体发射的红外辐射；地面、云面反射的大气向下的红外辐射；地面和云面反射太阳辐射；大气分子、气溶胶等对太阳辐射的散射辐射。,（五)卫星云图的增强处理,卫星云图的增强处理是对灰度或辐射值进行处理，通过灰度变换，将人眼不能发现的目标物细微结构清楚地表示出来。例如对于积雨
21、云团，在一般的云图上只表现为白亮的一片，通过增强处理后可将云顶的结构显示出来，从而进一步判断积雨云的活动状况。图像的增强分为反差增强和分层增强。,1、反差增强反差增强又称为对比度增强，它是使原来两个灰度差异很小的像素点，扩大其灰度范围，即突出像点间的灰度差异，使黑的更黑，白的更白，从而区别它们。2、分层增强分层增强是将图像上各灰度值，按其需要将其合并或分解成若干等级间隔，对每个间隔赋予一个灰度值，这样每一个像素的灰度由其本身落入那个间隔的、所给定的灰度值来确定。,3、增强红外云图增强红外云图已广泛应用于卫星云图分析业务中，它是一种半定量资料，大大地提高了卫星云图的使用价值，尤其在强雷暴、暴雨和
22、台风的分析中更是显示了它的优越性。为了提高云图的增强效果，通常将反差增强与分层增强这两者结合同时进行。,习题,1、电磁辐射包括哪些辐射？按频率划分，电磁波划分为哪些波段？2、简述可见光谱段特征。3、红外线的一般特征是什么？简述红外线可细分的谱段及其对应波长。4、简述可见光和红外光的光量子特征。5、简述黑体、灰体、选择性辐射体的异同。,6、什么叫辐射平衡？什么叫局地热力平衡？7、简述辐射定理主要内容。8、什么叫亮度温度？简述亮度温度与实际 温度的异同。9、简述卫星轨道按倾角分类的种类及用途。10、简述极轨和静止卫星轨道的优缺点。11、卫星探测分辨率和参数有哪些？12、简述卫星云图图像的增强处理内容。,
