关于大气吸收光谱介绍

[拼音]：daqi xishou guangpu

[外文]：atmospheric absorption spectrum

光波在大气中传播时，某些波长的波被大气中各种气体成分吸收而产生的暗线或暗带组成的谱。吸收作用比较显著的气体成分是水汽、二氧化碳和臭氧等，它们将所吸收的光波能量转变成热能和电离能等。这对于大气的物理和化学状态的变化，起着重要的作用。

气体分子的吸收总是和分子内部从低能态到高能态的跃迁相联系的。分子的能态决定于分子内部的三类运动：

（1）电子的运动；

（2）原子核在平衡位置附近的振动；

（3）整个分子绕一定对称轴的旋转。它们所对应的能量，都是量子化的。在这三类运动中，相邻的电子能级间的差值最大，依普朗克公式，这种跃迁所吸收的入射波，频率很高，就大气中主要的吸收成分而言，这种跃迁吸收的辐射，其波长都在紫外和可见光波段；相邻的转动能级间的差值最小，被吸收的波长大多出现在远红外直至微波波段；相邻的振动能级间的差值介于上述两者之间，被吸收的波长大多出现于 2～30微米的红外波段。由于这三种运动可以同时发生，对应于同一电子能态的跃迁，可以有各种不同的振动能态跃迁和转动能态跃迁；同样，对应于一种振动能态跃迁，也可以有各种不同的转动能态跃迁。所以，电子跃迁光谱中有不同的振动分支，而这些振动光谱中，又包含着一系列表征转动能态跃迁的谱线（常称这种分支为振动-转动光谱），因此，分子光谱的图像是错综复杂的。

分子谱线的自然宽度很小，但由于分子间的碰撞和分子热运动的多普勒效应会使谱线大大增宽，比自然线宽要大好几个量级。由分子碰撞造成的增宽称为碰撞增宽，由分子热运动的多普勒效应造成的增宽，称为多普勒增宽。谱线宽度与环境的温度和压力有密切关系。光波在整层大气传播的过程中，碰撞增宽在20公里高度以下占主导地位，而多普勒增宽则在大气高层占主导地位，20公里以上的中间高度，两种增宽机制均有影响，一般需考虑它们共同作用引起的混合增宽。

从大气吸收光谱看出（见图）:在2.7和6.3微米附近以及21～100微米之间，有水汽的强振转吸收带；在2.7、4.3和14.7微米附近有二氧化碳的强振转吸收带;而在可见光区和8～13微米红外区，吸收不明显，是两个对遥感探测和大气辐射十分重要的大气窗区。若接收辐射的高度由海平面移至高空，如移至11公里高空，则由于水汽等大量减少，大气吸收也大为减少。

太阳辐射的紫外部分，波长在2000埃以下，主要被大气中原子态或分子态的氧和氮所吸收，完全不能到达地面。波长短于3400埃的太阳紫外辐射，由臭氧的哈特莱(Hartley)吸收带(2000～3000埃)和哈根斯(Huggins)吸收带（3200～3600埃）的共同作用，在到达地面之前，也绝大部分被吸收(见大气臭氧层)。在可见光窗区，大气吸收较少，这里主要有臭氧的夏普伊(Chappuis)吸收带（4300～7500埃），氧在5384埃和7621埃附近的吸收，以及水汽在6943.8埃附近的吸收等。红外辐射部分的大气吸收参见表。

要计算实际大气的吸收谱，必须知道吸收线的位置、强度、形状以及它们同温度、压力的关系，还要知道吸收物质的含量等。而实际大气的温度、压力和吸收物质含量，随高度而变化，这都会给实际大气吸收谱的计算带来困难。为此，提出了若干理论谱带模式，主要包括：

（1）单线模式。将较复杂的钟形吸收谱线的线型当作矩形处理，从而计算其平均吸收率。若某频带内含有若干条谱线，且线间距大于谱线宽度而不发生重叠，则可应用单线模式计算所有谱线的平均吸收率。

（2）带模式。计算整个谱带吸收率的方法主要有周期模式和随机模式（统计模式）两种方法。周期模式假定吸收带由等强度等间距的一系列谱线排列构成，于是可计算整个带的平均吸收率，适用于象二氧化碳这样的分子。然而对于水汽的振转带和转动带，谱线间距和强度分布无简单的规律可循，这时上述假定不适用。于是有人提出了谱线位置和强度都是随机分布的所谓随机模式，由此可以很好地计算水汽的吸收率。但实际分子光谱既不符合于周期模式也不符合于随机模式，因此也有根据实验测量的结果，选定一些吸收率表达式中的参数或选取其他的函数形式进行计算，这样的经验模式具有一定的精度和适用范围。随着计算机技术的日益发展，对真实大气中包含所有气体吸收物质进行逐线计算已指日可待，但有些人研究后认为逐线计算和实验室测量之间的相符程度在5～10％之间，其他模式计算也能达到这一精度。

参考书目

1. G.W.帕尔特里奇、C.M.R.普拉特著，吕达仁等译:《气象学和气候学中的辐射过程》，科学出版社，北京，1981。(G.W.Paltridge，C.M.R.Platt，Radiative Processes in Meteorology andClimatology，Elsevier Scien-tific Publ.，Amsterdam，1976.)