[科普中国]-红外遥测

大气红外吸收带吸收带

气体分子吸收和发射辐射具有强烈的选择性，在某些波长区间内，吸收系数很大，称为吸收带；在吸收带以外，吸收系数很小或实际上等于零（不吸收）。吸收带又由许多谱线所组成，按分子光谱的量子力学理论可以知道，气体分子在红外去的吸收主要是由组成分子的原子之间的振动和转动能级跳跃所形成，称为振转光谱。只有转动能级跳跃的光谱，称为转动光谱，常发生在波长较长的远红外区及微波区，而只有电子能级跳跃的光谱常在紫外或很短的可见光区。1

主要红外吸收带位置（1）氮气：只在4.2μ附近有非常微弱的吸收；

（2）氧气：有中心在1.2683μ的近红外吸收带；中心在0.5厘米吸收带及0.25厘米吸收谱线；0.7620μ、0.6901μ以及0.6313μ吸收带；紫外区有许多强吸收带；

（3）二氧化碳：有中心在15μ附近及4.3μ的基本振转吸收带，都很强；还有10μ带（很弱）、5μ带、2.7μ带、2.0μ带、1.6μ带、1.4μ带；

（4）水汽：在红外直至微波区都有许多吸收带，其中6.25μ基本振转带，波长大于10μ的转动带，2.7μ带、3.2μ带、0.94μ带、1.1μ带、1.38μ带、1.87μ带以及可见光波长为0.847-0.544μ吸收带，还有微波区中心在1.348厘米等吸收线。

（5）臭氧：在中心波数为1043厘米的强吸收带（基本振转带），还有不强或很弱的吸收带；此外，在可见光区有0.45-0.74μ吸收带，在紫外区有强吸收带，中心在0.2553μ，在微波区有很多弱吸收线。

（6）甲烷：有7.66μ强吸收带，以及3.85-1.67μ一系列不强的吸收带；

（7）一氧化碳：吸收带在2.35μ以及4.7μ。1

关于遥测的问题为了达到实用的目的，需研究下述理论问题：

可能性该方法是否包含有被遥测量的信息？

遥测方程是否有唯一和稳定的解？1

有效信息量对于给定的一组通道，在所要求的精度范围内最多能求出几个独立的参数？1

最优通道应怎样选择通道，使得有效信息量最大？

对于所提出的遥测目标而言，遥测结果是否是最优的？1

反演法找到有效而实用的求解遥测方程的方法。1

误差分析给出遥测结果的精度。

上述问题是相互紧密联系着的。要解答这些问题，就得对大气遥测方程做深入的物理和数学的分析，必须针对我们的具体问题，分析矛盾的特殊性，应用和发展合适的数学工具和分析方法。1

气象卫星的红外遥测方法气象卫星上除了用电视照相机拍摄云的照片以外，还用红外遥测方法测量云、气温、水汽含量、臭氧、辐射能等重要的气象参数。

测量地面表面温度和云层分布红外辐射如同可见光和无线电波一样，都是由一些物质发射出在物质空间中传播的电磁波，它所包括的波长范围，大概在0.75微米到10厘米之间。红外辐射的强度与发射体的发射本领和温度有关，在同温度下，“黑体”发射最强，它只与温度有关（对一定波段的红外辐射而言）。地球上陆面、水面、雪面、冰面以及一定厚度的云层，都可以近似看做黑体，因此从卫星上测得了它们放射的红外辐射强度，就可以推测出其温度。但是这要求辐射在通过一两千公里的大气层从地表面（或云面）向上传输时不应该因被大气中吸收而衰减，这只在几个特定的谱段才能满足，这些谱段又叫做大气窗。现在常用的是10.5—12.5微米大气窗。卫星上的扫描辐射仪就是利用这个谱段测得地表面和云层表面温度的。为了得到一张与白天电视云图相似的云图，可以采用专门的转换技术实现，在这种云图上，白色的区域表示冷区（云区等），黑色的区域表示暖区（地表面等）。2

测量气温和测量地表面温度相反，为测量各高度上的气温，需选用大气中吸收红外辐射的波段。目前所用的是二氧化碳15微米带（也可以使用二氧化碳4.3微米带），在这个带中，二氧化碳对红外辐射有强烈的吸收作用。

大气密度随高度减小很快，一定厚度的薄层空气，其高度越低，辐射物质越多，放射的辐射量也越大。但另一方面，发自较低层的辐射，将要穿过其上较厚的大气层才能到达卫星上，故受到的削减很大；反之，发自高层的辐射只需穿过其上较薄的大气层，削减较少。综合这两方面的结果，到达卫星上的辐射要以大气中间某层的贡献最大，这层也叫作有效辐射层。有效辐射层的高度主要随吸收气体的吸收强弱而改变，对于吸收强的谱段，对应的有效辐射层就越高，反之就越低。因而只要选取具有不同吸收率的一组窄通道（谱段）来分别测量达到卫星上的辐射，就可以推算出各高度上的温度，由此可以得到从地面到平流层的温度垂直分布。2

测水汽含量气温既可由上述方法测得，只需加测几个在水汽吸收带内波段的射出辐射量，可同时测出大气各高度上的水汽含量。所用的波段有6.7微米吸收带，20-50微米吸收带及中心在1.35厘米的吸收谱线。在对流层中，气温向上递减。对于某一确定的波长来说，一定量的水汽如处在高空，由于温度低，向上辐射就少，处在低空；若温度高，则辐射量大。所以根据卫星上测得的辐射强弱，可确定大气层中哪层较为潮湿，利用具有不同吸收率的一组水汽通道，就可以测出各层水汽含量。

目前，利用6.7微米水汽吸收带可以测得对流层上半部水汽含量的水平分布，并转换成图像，这对预报天气系统的发展是很有帮助的。2

测臭氧含量如果在臭氧9.6微米吸收带内的一些通道内进行测量辐射，就可以测得臭氧含量。原理与测量水汽相同，一般只能测得气柱内臭氧的总氧量。

测量辐射能收支在卫星上携带各种辐射仪，可以直接测量出各地区的地球和大气的射出辐射（长波辐射）和反射的太阳辐射，又可对准太阳测出太阳的摄入辐射（太阳常数），由此可以直接得到地气系统的辐射能收支和变化。

利用红外遥测法获得全球气象资料是切实可行的方法，近年来在测量温度、水汽、臭氧等方面已经成功，精度也较高。目前正准备把这种探测方法应用于业务卫星上去，以获得每天天气分析和预报中需要的资料。但是红外遥测法也有一定的局限性，主要是在垂直方向上不能测出细微结构，并且对云的影响也无法排除，更不能测出云内含水量和降水分布，只有采用其他波段（微波波段）才能克服这个缺点。另外，气压和风也无法由红外遥测法得到。2