讀書報告-大氣與輻射傳輸

大氣與輻射傳輸讀書報告李姍遲10212978自然地理大氣層結(jié)構(gòu)地球外轉(zhuǎn)圍的大氣圈并沒有一個確切的界限，只是離地面越高，空氣逐漸變得越稀薄，50%的質(zhì)量集中在30km以下的范圍內(nèi)。按照不同的特性，可以有不同的分層方法。比較常見的幾種分層法是：①根據(jù)熱狀態(tài)的特征，大氣分為對流層、平流層、中間層、熱層和逃逸層；②根據(jù)大氣成分隨高度分布的特征，分為均勻?qū)雍头蔷鶆驅(qū)?；③根?jù)大氣的電離特征，分為電離層和非電離層。電離層又可細分為D層、E層和F層。犬氣囲中溫啦、電子密鹿.憶啓組戍的取直分布按氣逞垂直分布分層一熱分層對流層對流層是大氣的最低層，其厚度隨緯度和季節(jié)而變化。在赤道附近為16-18km；在中緯度地區(qū)為10-12km，兩極附近為8-9km。夏季較厚，冬季較薄。這一層的顯著特點：一是氣溫隨高度升高而遞減，大約每上升100m，溫度降低0.6°C。貼近地面的空氣受地面發(fā)射出來的熱量影響而膨脹上升，上面冷空氣下降，故在垂直方向上形成強烈的對流，對流層也正是因此而得名；二是密度大，大氣總質(zhì)量的3/4以上集中在此層。在對流層中，因受地表的影響不同，又可分為兩層。在l-2km以下，受地表的機械、熱力作用強烈，通稱摩擦層，或邊界層，亦稱低層大氣，排人大氣的污染物絕大部分活動在此層。在1-2公里以上，受地表影響變小，稱為自由大氣層，主要天氣過程如雨、雪、雹的形成均出現(xiàn)在此層。對流層和人類的關(guān)系最密切，對電磁輻射傳輸有顯著影響。平流戻從對流層頂?shù)郊s50km的大氣層為平流層。在平流層下層，即30—35km以下，溫度隨高度降低變化較小，氣溫趨于穩(wěn)定，所以又稱同溫層。在30—35km以上，溫度隨高度升高而快速升高，平流層頂?shù)臏囟燃s與地面附近相等。平流層的特點：一是空氣沒有對流運動，平流運動占顯著優(yōu)勢；二是空氣比下層稀薄得多，水汽、塵埃的含量甚微，很少出現(xiàn)天氣現(xiàn)象；三是在高約15—35km范圍內(nèi)，有厚約20km的一層臭氧層，因臭氧具有吸收太陽光短波紫外線的能力，故使平流層的溫度升高；四是由于臭氧的全球分布不均且隨著季節(jié)而變，故平流層內(nèi)會產(chǎn)生季節(jié)性的強風環(huán)流。中間戻從平流層頂?shù)?0km高度稱為中間層。這一層空氣更為稀薄，溫度隨高度增加而降低。熱層從80km到約500km稱為熱層。這一層溫度隨高度增加而迅速增加，層內(nèi)溫度很高，晝夜變化很大，熱層下部尚有少量的水分存在，因此偶爾會出現(xiàn)銀白并微帶青色的夜光云。逃逸戻熱層以上的大氣層稱為逃逸層。這層空氣在太陽紫外線和宇宙射線的作用下，大部分分子發(fā)生電離；使質(zhì)子的含量大大超過中性氫原子的含量。逃逸層空氣極為稀薄，其密度幾乎與太空密度相同，故又常稱為外大氣層。由于空氣受地心引力極小，氣體及微?？梢詮倪@層飛出地球致力場進入太空。逃逸層是地球大氣的最外層，該層的上界在哪里還沒有一致的看法。實際上地球大氣與星際空間并沒有截然的界限。逃逸層的溫度隨高度增加而略有增加。均勻戻從地面到約90公里的空間，由于大氣溫度、氣壓、數(shù)密度的不均勻分布所產(chǎn)生的對流、湍流等混合作用，使得大氣各成分所占的體積百分比保持不變，稱為均勻?qū)?。均勻?qū)哟髿獾钠骄肿恿繛?8.966克/摩爾，為常數(shù)。非均勻?qū)蛹s90公里以上，由于氧分子的光化分解以及擴散作用，使大氣成分的體積百分比隨高度而變，平均分子量不再是常數(shù)，即為非均勻?qū)?。在約100公里或稍高處，大氣的分子重力擴散與湍流混合強度達到同樣量級，該高度被稱為湍流層頂。湍流層頂以上，大氣服從重力擴散平衡分布。電離層從60公里開始，一直到大氣層的上界，都存在有電子、正離子和少量的負離子。在數(shù)百公里高度以下，根據(jù)電子密度隨高度分布，通常分為D層、E層和F層（F層白天分為F1層和F2層）。電離層有較大的晝夜、季節(jié)和緯度的變化。D層：離地面約50?90公里。白天，峰值密度ND和相應(yīng)高度hD的典型值分別為10mD mD厘米和85公里左右。無線電波中的短波在該層受到較大的吸收。太陽活動最高年的吸收幾乎是最低年的兩倍。一年之中，ND的夏季值大于冬季值，但在中緯地區(qū)，冬季有時會出現(xiàn)mD異常吸收。夜間，電離基本消失。E層：離地面約90?130公里。白天，峰值密度Ne及其相應(yīng)高度h口的典型值分別為mE mE10厘米和115公里。NE的晝夜、季節(jié)和太陽活動周期三種變化，大致符合簡單層理論公式，E分別于中午、夏季和活動高年達到最大值。夜間，NE下降，hE上升。E E

F層：離地面約130公里以上，可再分為F1和F2層。Fl層（離地面約130?210公里）：白天，峰值密度NF1及其相應(yīng)高度h的典型TOC\o"1-5"\h\zmF1 mF1值分別為2X10厘米和180公里。F1層峰形夜間消失，中緯度F1層只出現(xiàn)于夏季，在太陽活動高年和電離層暴時，F(xiàn)1層變得明顯。NF1和h閃的變化與E層類似。F1 F1F2層（離地面約210公里以上）：反射無線電信號或影響無線電波傳播條件的主要區(qū)域，其上邊界與磁層相接。白天，峰值密度NF2的典型值分別為10厘米；夜間，NF2F2 F2一般仍達5X10厘米。在任何季節(jié)，NF2的正午值都與太陽活動性正相關(guān)。h與太陽活動F2 F2性一般也有正相關(guān)關(guān)系，除赤道地區(qū)外，夜間值高于白天值。在F2層，地球磁場大氣各風系、擴散和其他動力學因素起著重要的作用，其形態(tài)變化不能用查普曼的簡單層理論來描述，于是F2層比起E層和F1層便有種種“異?！彼^日變化異常是指F2層電子密度的最大值不是出現(xiàn)在正午（通常是在本地時間13時至15時），同時"證2還具有半日變化分量，其最大值分別在本地時間上午10?11時和下午22?23時。季節(jié)異常是指F2層正午的電子密度在冬季要比夏季高。赤道異常是指F2層電子密度并不在赤道上空最大，它明顯地受地磁場控制，其地理變化呈“雙峰”現(xiàn)象，在磁緯±20度附近達到最大值。在高緯度地區(qū)，可觀測到許多與帶電粒子沉降有關(guān)的異?，F(xiàn)象。其中，最為重要的是F層“槽”，這是地球背陽面上從極光圈開始朝向低緯寬約5?10度的低電子密度的帶區(qū)。400冬季夏季300F200E冬季105104面上從極光圈開始朝向低緯寬約5?10度的低電子密度的帶區(qū)。400冬季夏季300F200E冬季105104 丿\I—j- <—* 1 L>—0時 6日12日18出 落地方時間圖2電離層各層峰值密度Nnx及相應(yīng)離度月迅的平均晝夜變化（中緯度地區(qū)）100「5x10,0日6 12 18日24時出 落地方時間氣溶膠氣溶膠（aeroso1）是在氣體和重力場中具有一定穩(wěn)定性，沉降速度小的固態(tài)或液態(tài)質(zhì)粒的混合系統(tǒng)。大氣中懸浮的大量固態(tài)和液態(tài)微粒，包括灰塵、煙塵、鹽晶、水晶和水滴等，統(tǒng)稱為氣溶膠。分散性氣溶膠：是固態(tài)或液態(tài)物質(zhì)經(jīng)粉碎、噴射，形成微小粒子，分散在大氣中形成的氣溶膠。凝聚性氣溶膠：是由氣體或蒸汽（其中包括固態(tài)物升華而成的蒸汽）遇冷凝聚成液態(tài)或固態(tài)微粒，而形成的氣溶膠。氣溶膠的尺度范圍粒度：10-3um（分子團） 101um（塵粒、云滴），跨5個數(shù)量級；質(zhì)量：與粒度相應(yīng)，質(zhì)量跨15個數(shù)量級；

數(shù)濃度：跨14個數(shù)量級。尺度范圍并無嚴限制，下限限于儀器感應(yīng)最小尺度；上限限于顆粒穩(wěn)定性，半徑大于50um的云滴或固體顆粒在空氣中沉降速度大，穩(wěn)定性差，故不作為氣溶膠處理。表：氣溶膠形態(tài)及其主要形成特征形蠱粒徑仙形成特征主要效應(yīng)輕霧(mist)水闔X0訛縄過程觥空氣0(fog)<10勲怨me鮒甌有般fig響人灘廃紛塵(dust)>1機械粉陰揚塵」煤賤翻成帰煙塵（際）凰刪i0.01^1瞰辣升華等過影響詣見度（氣）程廠旦跚陶分散煙(Eidro)固體船<1膵勰雜過程躺覬島訓人Hl(smog)Ms固粒<1沁程池叛應(yīng)閹瓏腹辦人啊克(sect)固備?-0,5豔過程、升華過鼠冷窺程靈(haze)M固粒<1蘇過焉化報應(yīng)鹼小時有財也氣溶膠的三種模結(jié)構(gòu)愛根核模：rv0.05um積聚模：0.05umvrv2um粗粒子模：r>2um圖：氣溶膠的粒徑分布及源和匯大氣散射大氣散射(atmosphericscattering),電磁波同大氣分子或氣溶膠等發(fā)生相互作用，使入射能量以一定規(guī)律在各方向重新分布的現(xiàn)象。其實質(zhì)是大氣分子或氣溶膠等粒子在入射電磁波的作用下，所帶電荷作受迫振動，并以此為中心向四周輻射出與入射波頻率相同的子波，即散射波。散射波能量的分布同入射波的波長、強度以及粒子的大小、形狀和折射率有關(guān)。尺度參數(shù)與散射類型散射的性質(zhì)和強度取決于微粒的半徑r與電磁波長九兩者之間的關(guān)系。引入散射尺度參數(shù)x：x=2ra7九。式中：r一微粒半徑；九一電磁波長。x的值大小決定了散射的性質(zhì)：瑞利散射一xWO.l。主要由大氣分子引起，散射強度與入-4成正比。前向散射與后向散射對稱，大小相等。米氏散射一O.lvxW3。主要由大氣中的氣溶膠(煙、塵，水溶性粒子和小水滴等)弓I起。散射強度與入o—入-3成正比。散射的方向主要是前向散射。無選擇散射一x>3。主要由大氣中的云、霧、雨滴及較粗粒沙塵等引起。散射強度與波長無關(guān)。這種非選擇性的散射使云霧呈白色，也即漫反射。主要是向前散射，散射能量集中于前向，后向散射能量遠小于前向。同一粒子對不同波長而言，往往采用不同的散射處理方法,如直徑l微米的云滴對可見光的散射是米散射；但對微波，卻可作瑞利散射處理。大氣吸收輻射能在氣體中傳輸，一部分輻射能會被氣體吸收成變?yōu)闅怏w內(nèi)能，使傳輸?shù)妮椛淠芟魅酰@一現(xiàn)象稱為大氣吸收。輻射傳輸路徑上吸收氣體的數(shù)量稱為光學質(zhì)量。大氣主要氣體及相應(yīng)吸收帶在紫外——微波之間，具明顯吸收作用的主要是o3、o2、co2和h2o；此外n2o、ch4對電磁輻射也有吸收，多種成份吸收特定波和的電磁波，形成相應(yīng)的吸收帶。O3：主要集中于20—30km高度的平流層。它是由高能的紫外輻射與大氣中的氧分子(O2)相互作用生成的。O3除了在紫外(0.22—0.32卩m)有個很強的吸收帶外，在0.6mm附近有一

寬的弱吸收帶，在遠紅外9.6mm附近也有個強吸收帶。雖然O3在大氣中含量很低，只占O.Ol—O.l%，但O3對地球能量平衡起重要作用，O3的吸收阻礙了低層大氣的輻射傳輸。CO2:主要分布于低層大氣。其在大氣中的含量僅占0.03%左右，人類的活動使之含量有所增加。CO2在中一遠紅外區(qū)段（2.7、4.3、14.5mm附近）均有強吸收帶。其中最強的吸收帶出現(xiàn)在13-17.5mm的遠紅外段（長波輻射的主要波段）。H2O：這里不包括固態(tài)水中的水滴。水汽一般出現(xiàn)在低空，它的含量隨時間、地點的變化很大（約從0.1—3%），而且水汽的吸收輻射是所有其它大氣組分的吸收輻射的幾倍。最重要的吸收帶在2.5—3.0ym,5.5—7.0gm和〉27.0卩m（在這些區(qū)段，水汽的吸收可超80%）。在微波波段水汽在0.94mm、1.63mm及1.35mm外有三個吸收峰。術(shù)比i"