[科普中国]-大气辐射

简介

大气辐射的方向既有向上的，也有向下的。大气辐射中向下的那一部分，刚好和地面辐射的方向相反，所以称为大气逆辐射。云多、空气湿度大，大气中含有水汽、二氧化碳越多，吸收的地面辐射越多，大气辐射越强。

大气吸收了地面辐射以后，又以辐射方式向外发射辐射。大气发出的长波辐射与大气温度有关，与天空云量有关。Paltridge(1970)发现云量每增加1/10，大气长波辐射就会增加6W/m2。当天空全部被云遮蔽后，地面获得的辐射中，大约有30%是来自大气长波辐射。在比较晴朗的天空，大气长波辐射也主要是由大气中的水汽、二氧化碳及少量臭氧发射的。

原理当温度大于绝对零度时，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。

大气的辐射特点﹙1﹚大气对短波辐射吸收很少，能让大量的太阳短波透射到达地面，而对地面辐射是极少能透射的。

（2）大气对长波辐射的吸收非常强烈，吸收作用不仅与吸收物质的分布有关，而且还与大气的温度、压强等有关。大气在整个长波辐射段，除8～12μm段外，其余的吸收率基本都接近1.8～12μm处透射率最大，所以这一波段被称为“大气窗口”。这个波段的辐射，正好位于地面辐射能力最强处，所以地面辐射有20%的能量透过这一窗口射向宇宙空间。

（3）大气成分中的水汽、液态水、二氧化碳及臭氧是长波辐射主要吸收者，它们对长波辐射的吸收均具有选择性。

﹙4﹚大气辐射一部分逸到宇宙中，大约有62～64%投向地面，投向地面的这部分大气辐射称为大气逆辐射。

（5）大气辐射为红外线长波辐射。

作用及影响大气逆辐射会使地面增温，而地面增温又能加强地面辐射。

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。

大气长波辐射的经验公式如果能知道它们的温度，就可以直接用斯蒂芬波尔兹曼公式计算出大气长波辐射量，但这非常困难。因此许多科学家研究出了一些采用气象台站百叶箱内的空气温度，直接估算大气长波辐射的经验公式。

理论根据：绝大部分的大气长波辐射来自距地面最近的100m大气层中，这里集中了绝大部分的水汽、二氧化碳等，而它们的温度在很大程度上随近地层空气温度的变化而变化。

公式分为二种类型：天空晴朗型和天空多云型。

大气辐射差额有效辐射地面有效辐射（F0)等于地面辐射（Eg）和地面所吸收的大气逆辐射（δEa）之差。

F0=Eg－δEa

当F0>0时，地面通过长波辐射损失热量。

当F0T大气，F0>0。即：地面经常由长波辐射失去热量。可以说，F0是表示地面真正失去热量多少的物理量。

大气辐射差额﹙Ra﹚Ra=qa+F0－F∞

通常情况，F∞>F0，表示大气以长波损失热量。此外，qa