大气辐射

当温度不是绝对零度时,大气中的气体(主要是氧和水汽)、水滴(云、雨和雾)和冰滴(主要在冰云中)均会辐射电磁能,并产生热辐射噪声。在微波波段,这种热辐射噪声的特性通常用亮度温度来表征,亮度温度与热力学温度之比称为发射率。

分子中的电子从高能态跃迁到低能态时放出电磁能,形成辐射。分子吸收入射电磁能,使电子从低能态跃迁到高能态,形成吸收。一种分子具有的能态数是一定的。因此,它的辐射频谱和吸收频谱相同。根据基尔霍夫定律,发射率等于吸收系数。在气体中,分子密度小,碰撞只使谱线加宽,仍是离散的。但在固体或液体中,分子密度很大,碰撞使谱线混在一起而形成连续谱,在所有的频率上均有吸收和辐射。

在实际的大气传输过程中,因吸收和散射而损失一部分能量;另一方面,大气辐射又使总能量增加。求解描述这个过程的传输方程(忽略散射),即可得到观测点上的亮度温度T

式中光学厚度公式 符号T(公式 符号)和α(公式 符号)分别为沿路径公式 符号点上的温度和吸收系数。在散射影响可忽略的情况下,只要T(公式 符号)和α(公式 符号)采用相应的具体数值,大气气体、雨、云和雾的亮度温度均可采用上式求得。晴天时α(公式 符号)是气体和水汽吸收系数之和;其他天气时,α(公式 符号)是气体吸收系数与云、雨或雾的吸收系数之和。当波长较短或水滴较大时,则不可忽略散射的影响。这时,计算云和雨亮度温度的公式复杂得多。

假若大气是球面分层,用Tm代替T(公式 符号),则在天顶角θ方向上的亮度温度可简化为

TTm[1-exp(-τ0secθ)]

式中公式 符号为天顶方向上的光学厚度;Tm为平均辐射温度。亮度温度的一般变化规律是:当 τ0一定时,天顶方向上T 最小,水平方向上T 最大;τ0增大时,T值也增大,但T 值不会超过Tm值。晴天和天顶角不太大时,均可看到在氧和水汽谱线附近出现亮度温度的峰值。

大气辐射噪声会对接收系统,特别是对噪声系数很低的系统造成有害的影响。但在大气无源微波遥感中,却能利用大气辐射噪声的各种特性,测量大气的温度分布、水汽密度分布和云中含水量等大气参数。

参考文章