大气影响下的电磁波传输过程分析

遥感过程中对地面物体辐射的探测是要经过大气的，地物辐射在到达遥感器之前都要穿过大气层。例如对可见光遥感，电磁波从太阳辐射到地面，然后再从地面反射到达摄影仪器，需要两次经过大气层。所以大气对电磁波传输过程的影响是遥感需要认真考虑的问题。

2.4.2.1　大气的组成与大气层

大气主要由氮、氧、二氧化碳、甲烷、二氧化氮、氢、惰性气体等组成，这些物质在80km以下的相对比例保持不变，称不变成分。同时大气还含有臭氧、水蒸气、液态和固态水（雨、雾、雪等）、尘烟等，这些物质的含量随高度、湿度、位置、时间的变化而变化，称为可变成分。

地球的大气层在垂直方向上可分为对流层、平流层、电离层和外大气层。大气层的区间划分和各种航空、大空间飞行器在大气层中的位置如图2-5所示。

图2-5　大气的分层与遥感平台的位置

1.对流层

对流层：从地表起算，到离地面平均高度12 km的范围内。相对于3 000 km厚的大气层来说它是个薄层。对流层主要有以下一些特点：

气温随高度上升而下降，每升高100 m约下降0.64 °C。在10 km再往上的对流层的顶部，温度约降至-55 °C后，此时温度不再降低。而对流层的低温温度随纬度的增大而变小。

对流层的空气密度最大，空气密度和气压随高度升高而减小。地面空气密度为1.3 kg/m3，气压为1.01×105Pa，对流层顶部空气密度减小到0.4 kg/m3，气压降低到2.6×104Pa左右。

空气中不变成分的相对含量是：氮气占78.9%，氧气占20.95%，氩等其他气体共占不到1%。可变成分中，臭氧含量较少，水蒸气含量不固定。在海平面潮湿的大气中，水蒸气含量可高达2%，液态和固态水含量也随气象变化。在离地面1.2～3.0 km处是最容易形成云团的区域。近海面或盐湖上空含有盐粒，城市上空有尘烟、霾等微粒。

由于对流层空气密度大，而且有大量的云团、尘烟存在，电磁波经过该层时，会被吸收和散射，从而引起衰减。因此，电磁波的传输变化主要在对流层内研究。

2.平流层

平流层在12～80 km的垂直区间中。平流层又可分为同温层、暖层和冷层。它们有以下特点：

在12～25 km处的高空为同温层，温度一般保持在-55 °C左右，大气中的分子数减少，每1 m3中约为1.8×1024个。喷气式客机主要在这个高度飞行。

在25～55 km处的高空为暖层。在暖层的底部，即从25～30 km高空有一层臭氧层。大家知道，臭氧层对太阳的紫外辐射有较强的吸收能力，因此在这一层，温度开始升高，有逆温现象。在30～50 km处，臭氧的含量逐渐减小，大气分子的含量也由4×1023个/m3减少为4×1022个/m3。在55 km处温度为70～100 °C，故这一层称暖层。

55～80 km处的高空称为冷层。此空间臭氧分子极少，因此不再有吸收太阳辐射的现象。温度开始急剧下降，从70～100 °C降至-55～-70 °C，大气分子也减少　到1019个/m3。

3.电离层

电离层在80～1 000 km区间中。在电离层内，空气稀薄，分子被电离成离子和自由电子状态。无线电波在该层会发生全反射现象（由于电波从高密度介质进入低密度介质）。该层顶部温度为600～800 °C。

在电离层，大气的电离主要是太阳辐射中紫外线和X射线所致。此外，太阳高能带电粒子和银河宇宙射线也起相当重要的作用。地球高层大气的分子和原子，在太阳紫外线、Χ射线和高能粒子的作用下电离，产生自由电子和正、负离子，形成等离子体区域即电离层。电离层从宏观上呈现中性。电离层的变化，主要表现为电子密度随时间的变化。而电子密度达到平衡的条件，主要取决于电子生成率和电子消失率。1947年，爱德华·阿普尔顿因于1927年证实电离层的存在而获得诺贝尔物理学奖。

4.外大气层

距地面1 000 km以上的高空称为外大气层。1 000～1 500 km间主要是氦离子，称氦层；1 500～2 500 km处主要成分是氢离子，因为一个氢离子就是一个质子，因此该层又称为质子层。

2.4.2.2　大气对电磁波传输过程的影响

大气对电磁波传输过程的影响包括五个方面：散射（Sattering）、吸收（Absorption）、扰动（Turbulence）、折射（Refraction）和偏振（Polarization）。对于可见光遥感来说，主要的影响因素是散射和吸收。由于大气分子及大气层中气溶胶粒子的影响，太阳辐射的电磁波在大气层中传输时一部分被吸收，一部分被散射，剩下的部分穿过大气层到达地面。当地物反射或本身辐射的电磁波在大气层中向上传输时，一部分又被吸收，一部分又被散射，剩下的部分穿过大气层到达传感器的接收系统。这样经过大气的两次散射与吸收，引起光线强度的衰减，进而影响到进入传感器的信号强弱的变化。下面主要讨论大气对电磁波的散射和吸收作用。

1.大气散射

太阳光在传播过程中遇到小微粒后，会改变以前的直线传播方向，并向各个方向散开，这种现象称为散射。大气散射的性质与强度取决于大气中气体分子和微粒的大小。散射形式主要有三种：瑞利散射、米氏散射和无选择性散射。

（1）瑞利散射。

当大气中粒子的直径比电磁波波长小得多时发生的散射，叫瑞利散射（Rayleigh Scattering）。这种散射主要由大气中的原子和分子引起，如氮、二氧化碳、臭氧和氧分子等。特别是对可见光而言，瑞利散射现象非常明显，因为可见光的波长在380～760 nm，而大气分子的半径一般在0.1 nm的数量级。这种散射的特点是散射强度与波长的四次方成反比，即：即波长越长，散射越弱。当向四面八方的散射光线较弱时，原传播方向上的透过率便越强。当太阳辐射垂直穿过大气层时，可见光波段损失的能量可达10%。

I＝kλ-4

无云的天空呈现蓝色，是因为瑞利散射对可见光的影响很大。因为蓝色光的波长短，散射强度较大，因此蓝光向四面八方散射的强度大于其他可见光，这样使我们观察到的天空呈现蔚蓝色。对于红外和微波，由于电磁波波长更长，此时尽管发生瑞利散射，但散射强度很弱，此时可以认为不受影响。由此可见，瑞利散射对不同波长的电磁波有不同的散射能力，属于选择性散射。

（2）米氏散射。

当大气中粒子的直径和电磁波波长差不多时发生的散射，叫米氏散射（Mie Scattering）。这种散射主要由大气中的颗粒引起，如水滴、烟尘、气溶胶等。这种散射的特点是散射强度与波长的二次方成反比，即：

I＝kλ-2

米氏散射有明显的方向性，即散射在光线向前方向比向后方向更强（图2-6）。云雾的粒子大小与红外线的波长接近，所以云雾对红外线的散射主要是米氏散射。

图2-6　米氏散射中前向散射强于后向散射的特点

（3）无选择性散射。(www.xing528.com)

当大气中粒子的直径比波长大得多时发生的散射叫无选择性散射。这种散射的特点是散射强度与波长无关。也就是说，在符合无选择性散射条件的波段中，任何波长的散射强度相同。如云、雾粒子直径虽然与红外线波长接近，发生米氏散射；但它们相比可见光波段，云雾中水滴的粒子直径就比波长大很多，此时对可见光中各个波长的光散射强度相同，所以人们看到云雾呈白色。

从以上分析可知，散射会造成太阳辐射能量在直线传播方向上的衰减，但是散射强度遵循的规律与波长有密切相关。由于太阳的电磁波辐射几乎包括电磁辐射的各个波段，因此在大气状况相同时，同时会出现上述各种类型的散射，但散射类型主次不同。大气分子、原子引起的瑞利散射主要发生在可见光和近红外波段。大气微粒引起的米氏散射从近紫外到红外波段都有影响。当波长进入红外波段后，米氏散射的影响超过瑞利散射。大气云层中，小雨滴的直径相对其他微粒最大，对可见光只有无选择性散射发生，云层越厚，散射越强。而对微波来说，微波波长比雨滴粒子的直径大得多，则又属于瑞利散射的类型，但由于散射强度与波长四次方成反比，波长越长散射强度越小，所以微波对云雨有最小散射、最大透射，而被称为具有穿云透雾的能力。

2.大气反射

电磁波在传播过程中，若通过两种介质的交界面，则会出现反射现象。大气的反射比较小，但云雨的反射现象比较明显。例如在云层顶部，云对可见光的反射非常明显，而且反射强度很大，这样削弱了可见光的透过能力。因此，在遥感影像上，经常能看到大片白色的云，而云层下面的地物看不到。这些都是云层的反射现象。如果你乘坐飞机，你会感受到明显的云层反射现象。因此，对于可见光遥感，天气变得极为重要，应尽量选择无云、晴朗的天气接受遥感信号。

3.大气吸收

大气吸收是将辐射能量转换成大气内部的能量。大气中对太阳辐射的主要吸收来自水蒸气、二氧化碳和臭氧。这些气体分子对不同波长的电磁波具有选择性吸收能力。根据实验测定，这些气体的主要的吸收带包括如下几个（图2-7）：

图2-7　大气中各种分子对电磁波的吸收特性

臭氧吸收带：主要在0.3 μm以下的紫外区的电磁波段，另外在0.96 μm处有弱吸收，在4.75 μm和14 μm处的吸收更弱。

二氧化碳吸收带：二氧化碳吸收带主要有4处。它们分别是：2.60～2.80 μm，其中吸收峰值为2.70 μm处；4.10～4.45 μm，吸收峰值在4.3 μm处；9.10～10.9 μm，吸收峰值在10.0 μm处；12.9～17.1 μm，吸收峰值在14.4 μm处。二氧化碳的吸收带全在红外区。

水蒸气吸收带分别是：0.7～1.95 μm，吸收峰值在1.38 μm和1.87 μm处；2.5～3.0 μm，在2.70 μm处为最强；4.9～8.7 μm，在6.3 μm处为最强；15 μm～1 mm的超远红外区；微波中的1.64 mm和1.348 cm处。

氧气对微波中0.253 cm和0.55 cm波长的电磁波也有吸收能力。甲烷、二氧化氮、一氧化碳、氨气、硫化氢、二氧化硫等也具有吸收电磁波的作用，但吸收率很低。

4.大气的透过率与大气窗口

由于大气分子和大气中的气溶胶粒子的影响，光线在透过大气的同时被吸收和散射，由此引起电磁波衰减。从能量角度来看，一个理想物体的反射率、吸收率和透射率之和恒等于1。

对于大气来说，太阳辐射经过大气传输后，反射损失占30%，散射占22%，吸收占17%，透射占31%，这些透射的电磁波还是不连续的。因此，对遥感传感器而言，只能选择透过率高的波段，才对观测有意义。我们通常把电磁波通过大气层时较少被反射、吸收或散射，透过率较高的波段称为大气窗口。

大气窗口（图2-8）的光谱段主要有以下波段：

0.3～1.3 μm，即紫外、可见光、近红外波段。这一波段是摄影成像的最佳波段，也是许多卫星传感器扫描的常用波段。

1.5～1.8 μm和2.0～3.5 μm，即近、中红外波段，是白天日照条件好时扫描成像的常用波段。该波段用以探测植物含水量以及云、雪，或用于地质制图等。

3.5～5.5 μm，即中红外波段。该波段除了反射外，地面物体也可以自身发射该波长的电磁波。此波段可以获得地面物体的温度或者探测海面温度等。

8～14 μm，远红外波段。该波段主要监测来自地物热辐射的能量，适于夜间成像。

0.8～300 cm，微波波段。由于微波穿透云雾能力强，这一区间可以全天候观测，一般采用主动遥感方式。常用的波段为0.8 cm、3 cm、5 cm、10 cm甚至300 cm等。

图2-8　大气窗口（透过率大于80%的波段）

【例2-1】已知日地平均距离为1天文单位，即1天文单位=1.496 1011m，太阳常数=1 360W/m2，太阳的半径为6.96×108m。求：（1）太阳的总辐射通量Φ；（2）太阳的辐射出射度M。

【解】（1）太阳时时刻刻在向四面八方辐射能量，由于太阳是一个正圆形球体，所以在每个方向上辐射的能量可以看成相同。设想有一个空心球体，其半径为1个天文单位，此时这个球体整个表面在每一秒钟接受的能量就是太阳的总辐射通量Φ。

故

（2）太阳的总辐射通量是通过太阳整体表面向外辐射的，因此太阳的辐射出射度就是在太阳表面每平方米上的辐射通量，即：

【例2-2】已知太阳表面的辐射出射度M=6.283×107W/m2，求太阳的有效温度和太阳光谱中辐射最强波长λmax。

【解】（1）根据斯特藩-玻尔兹曼定律：

（2）根据维恩位移定律：

即太阳的最强辐射波长为502 nm，这个波长处于我们常说的绿光波段。

致学生：在做物理题时，构建准确的物理模型来描述物理现象至关重要。没有准确的物理模型，就无法准确地描述世界上已经存在的客观事实。例如，太阳是一个有温度的球体，这个大家都知道，也能感受到太阳的光辉，那么太阳的温度是多少？是一个无穷大的数值？还是一个有限值？如何测定太阳的温度？通过例2-1和例2-2，就可以求得太阳的温度。这就是说，通过测定地球表面的太阳常数，就可以推算出太阳的温度，这个过程需要构建一连串的准确物理模型来描述客观存在的事实。这种能力需要学生在学习的过程中逐渐培养起来。当然计算太阳的温度还有另外一种办法。同学们想想，这种办法是什么？

另外，通过测定地球表面的太阳常数来推算太阳的温度也会得到错误的结果。这并不是模型的错误，而是因为太阳常数受大气的干扰非常厉害。因此，为了防止受大气的干扰，今天我们在测定太阳常数时，是在人造卫星上测定的。1837年—1838年，法国物理学家Claude Pouillet（1790年—1868年）和英国天文学家John Herschel（1792年—1871年）第一次测定太阳常数。由于没有考虑地球大气对光的吸收，他们得到的数值是680 W/m2，仅仅是今天公认值1360W/m2的一半。这个差值已经不是误差，而是错误了。可见要想准确测定太阳常数必须在大气上界，但是在那个时代却无法消除大气的干扰。这个数值的准确测量在卫星上天之前科学家是难以做到的。