散射

正如人们所猜测的那样，这表明辐射传播方向发生了变化。辐射从一个方向转移到另一个方向。一般来说，散射时频率也会发生变化。分子散射的波长依赖性(即瑞利散射)与A~4成正比，因此这种散射在紫外范围内比在可见光范围内更显著。辐射方向的变化与散射是用相函数P (9， ;9')，这取决于粒子的大小相对于感兴趣的波长。相函数描述了具有入射坐标(d\)的入射光子向(9)方向散射的概率，对于分子散射，相函数为:

其中<9为(9- 9')。较大粒子的散射更为复杂(Mie散射)，但通常在正向达到峰值。这就意味着图11.6中的左叶要比右叶小。

图11.6气溶胶散射格局:前后分量对称

在这个类别中，有三个子类别:

1.瑞利散射这种类型的散射发生在大气中的分子/粒子小于入射光的波长。蓝天就是一个例子。

单个空气分子比云滴小得多;即使与可见光的波长相比，它们的直径也很小。空气中的O2和N2分子对短波可见光的选择性散射要比长波可见光有效得多。当阳光进入大气层时，可见光波长较短的紫色、蓝色和绿色比波长较长的黄色、橙色，尤其是红色，更容易被大气气体散射。(紫光的散射量是红光的16倍(~ 1/A4))。当我们看天空的时候散射波紫色、蓝色和绿色从四面八方都引人注目。因为我们的眼睛对蓝光更敏感，所以同时观看这些波长的光线会产生蓝色的感觉。

2.当粒子等于或大于入射波长时，就会发生Mie散射。在环境空气污染领域，气溶胶粒径分布在2 ^m ~ 3 ^m附近有一个峰值。因此，在这个范围内的粒子将在光谱的近红外部分具有相应的Mie散射波长。

与Mie散射相关的是Mie理论，这是一个利用粒子表面与入射辐射相互作用时的边界条件求解电磁波理论方程的系统。它通常用于球形粒子的有限领域。通过求解波动方程，有可能确定粒子周围的散射和吸收电场，并赋予其折射率。该指标是波动方程的解，具有实分量和虚分量，并表征了粒子的物理性质。总的解也会表现出粒子周围散射场的相位函数。这些解决方案包括贝塞尔函数和汉克尔函数，超出了本章的范围。这些解决方案的细节可以在J. Lenoble(1993)的“大气辐射传输”中找到。

3.当空气中的微粒比入射波长大得多时，就会发生几何散射。雨滴和灰尘颗粒就属于这一类。

粒子越大，散射光的效率就越高。当它到达

图11.6气溶胶散射格局:前后分量对称

270 *

270 *

它的大小接近入射光的波长，比大小为其五倍的粒子散射的光更多。这些粒子除去的光量是其几何横截面积的两倍。几何光学定律可用于计算光的角度分布，当平面电磁波入射到比入射光波长大得多的粒子上时，光就会散射。涉及几何光学的过程包括粒子外部反射的射线和折射到粒子中的射线;后一种射线可能被粒子吸收，或者可能经过几次内部反射后从粒子中释放出来。

比入射波长大得多的粒子也会通过衍射来散射光，衍射会从经过粒子的光波中去除能量。衍射是集中在一个狭窄的波瓣周围的前进方向，和几何反射和折射一样，它包含的能量等于入射在粒子的横截面上的能量。在远场，散射光的衍射分量可以用夫琅和费衍射理论来近似。衍射图样只取决于粒子横截面的形状。

我们使用术语“射线光学”来描述几何反射和折射，加上夫琅和费衍射。图11.7说明了大球体散射光的不同贡献的几何配置。当受到辐射时，粒子可以完全吸收它，以更低、更长的波长吸收并再辐射它，或者完全反射它。它通常是两者的结合。的吸收和散射粒子，或分子横截面辐射。吸收将光子从辐射场中移除，而散射则改变了光子的传播方向。这两个函数都与粒子大小/波长有关。

图11.7根据射线光学，光线被球体散射的表示形式，摘自《导论》大气辐射作者:K. Liou (1980)

11.2.2吸收

当空气中的气体或微粒物质与紫外线辐射相互作用，以消除紫外线光子的电磁能量时，就会发生吸收，

上杉达也

上杉达也

0衍射

1外部反射

2两次折射

3内部反射一次

4两次内部反思

图11.7光线通过球体散射的光学表示，摘自K. Liou(1980)的《大气辐射导论》

0衍射

1外部反射

2两次折射

3内部反射一次

4两个内部反射，结果增加了气体或粒子的动能。柴油燃烧会产生大量的黑碳微粒物质。这些颗粒在光谱的紫外区域作为非常有效的吸收剂，比在红外区域好三倍。这是由于粒子的大小(Liousse et al.， 1996)。

继续阅读:大气光学深度

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