辐射传输之大气辐射传输过程

来自外空的太阳辐射等进入大气层后，才能到达地面。大气层是由多种气体分子以及一些固体和液体颗粒组成的，其中气体是大气的主要成分。气体成分主要包括氮气和氧气（约占99%）和多种痕量气体（如二氧化碳、甲烷、氧化氮、氢和臭氧等）；固体成分有气溶胶粒子和云中的冰晶粒子等；液态成分包括水云、雾和雨中水滴等。电磁波在大气传输过程中，必然受到大气成分作用。电磁波与大气之间的相互作用包括多种物理过程，例如，反射、散射、吸收、折射和发射等。其中，散射和吸收是两种最基本的大气辐射传输过程。

大气散射是指电磁波在传输过程中受到大气粒子的影响而改变传输方向的现象，主要有瑞利散射（Rayleigh scattering）、米氏散射（Mie scattering）以及无选择性散射等形式。大气散射与电磁波的波长与大气粒子大小之间的相对关系有关。当大气粒子直径远小于电磁波波长时，出现瑞利散射（如氮气和氧气分子对可见光的散射）。确利散射强度与波长的四次方呈正比，波长越短、散射越强，且前向散射与后向散射强度相同，在晴朗天空，瑞利散射是太阳辐射衰减的主要质因。当引起散射的大气粒子直径与电磁波波长接近时，出现米氏散射。米氏散射强度与波长的二次方呈反比，且前向散射大于后向散射，例如霍、水滴、烟尘、花粉等对可见光的散射。由于大气层0～5km处大气悬浮颗粒最多，故米氏散射在此层的表现最为明显。虽然通常情况下瑞利散射起主导作用，但米氏散射通过叠加瑞利散射，可使天空变得更加灰暗。当引起散射的大气粒子直径远大于电磁波波长时，出现无选择性散射，其散射强度与波长无关。例如，云、雾、水滴等粒子直径一般为5～100um，在可见光和近红外波段进行同等散射。

除散射外，电磁波经过大气时还受到大气分子的吸收作用，产生衰减。大气粒子的波长特性决定了大气散射主要对短波（主要是紫外、可见光和近红外）有明显的作用，对更长波长的影响很弱。而大气分子吸收则出现在所有的光学波段内，特别是对红外区域影响更为严重。大气的吸收作用具有选择性，其吸收强度与波长有关。其中，臭氧、水汽、二氧化碳等气体对太阳辐射的吸收最为明显。臭氧除了在0.22～0.32um（紫外）和0.96um处有两个强吸收带外，在0.6um处还有一个较弱的吸收带；水汽的主要吸收带有0.70～1.95um、2.5～3.0um、4.9～8.7um、15um～lmm、1.64mm和13.48mm；二氧化碳的主要吸收带为2.7um、4.3um和14.5um，其中最强的吸收带为13～17.5um。

大气吸收导致太阳辐射强度减弱，不同波长电磁波的衰减程度并非一样。其中，衰减程度较小、透过率高的电磁波段称为“大气窗口”。对于地表监测而言，遥感一般采用位于大气窗口的波段，以更好地获取地表辐射信息。主要的大气窗口有：0.3～1.3um、1.5～1.8um、2.0～2.6um、3.0～4.2um、4.3～5.0um、8～14um和0.8～2.5mm等。

太阳辐射到达地表前，与大气产生一系列相互作用。就全球平均而言，大约19%的太阳辐射被水汽、臭氧以及云层等直接吸收，26%经大气散射或云层反射到大气层以外，只有55%的太阳辐射可到达地表。