大气辐射与遥感-第三章全-rev

兰州大学大气科学学院专业必修课-《大气辐射与遥感》

第三章

大气气体吸收

授课人： 阎虹如 2015·春季

第三章 大气气体吸收§ 3.1 地球大气的成分和结构§ 3.1.1 热力结构

§ 3.1.2 化学成分

§ 3.2 分子吸收/发射谱的形成§ 3.2.1转动跃迁 § 3.2.2振动跃迁

§ 3.2.3电子跃迁§ 3.2.4谱线形状 § 3.2.5连续吸收 § 3.2.6热力学平衡的崩溃

§ 3.3 大气吸收§ 3.3.1紫外吸收 § 3.3.2光化学过程和臭氧层的形成 § 3.3.3可见光区和近红外区的吸收

§ 3.1 地球大气的成分和结构

地球大气的演化

原始大气 以宇宙中最丰富的轻物 质为主，由于地球和大 气的温度非常高，使得 原始大气摆脱地球引力， 逃逸进入太空。

次生大气 来自于地球自身：造山 运动、火山喷发和从地 幔中释放出地壳内原来 吸附的气体。

现代大气 海洋生物吸收光和CO2 , 排放O2,使大气中CO2 含量下降，O2含量增加， 而N2通过NH3的光离解 而生成。

§ 3.1.1 热力结构外逸层 热层高层大气

中间层中层大气

平流层 对流层低层大气

§ 3.1.2 化学成分恒定成分 变化成分

在中纬度条件下一 些气体成分混合比 的典型垂直廓线

§ 3.2 分子吸收/发射谱的形成

分子的吸收光谱假设分子有三个能级态

所有允许的跃迁

分子吸收线在光谱中的位置

分子存储能量的各种方式 平动能量(translational energy):任一运动粒子，由于他在空 间中的运动都应具有动能，这叫平动能量，单个分子在x, y, z 方向上的平均平动动能等于KT/2,K为玻耳兹曼常数，T是绝 对温度。 转动能量(rotational energy) :一个由原子构成的分子，能够 围绕通过分子中心的轴而旋转或绕转，于是具有转动能量。

量 子 化

振动能量(vibrational energy) :组成分子的原子则受某种类 似弹簧的弹力的束缚，一直单个源自能够相对于原子彼此间 的平衡位置而振动，因此分子也具有振动能量。 电子能量(electronic energy):由于构成分子的电子能态的变 化，也可能使分子能量发生变化。

§ 3.2.1转动跃迁平动 转动

平动与转动的区别1. 平动运动不是量子化的，分子 可以以任意一个速度运动。而 对于分子量级的转动运动，可 以用量子理论量子化，不连续 的能量态、角动量态会导致转 动跃迁，从而造成相应的吸收 和发射线。 2. 任何物体都有唯一的一个质量， 而有三个主转动惯量：I1,I2, I3。这三个主转动惯量对应于 转动的三个垂直坐标，总体的 转动方向有物体的质量分布来 决定。

分子结构与转动惯量分子结构 Monoatomic 转动惯量 I1=I2=I3=0 例如 Ar

Linear Spherical topSymmetric top Asymmetric top

I1=0; I2=I3>0 I1=I2=I3>0I1≠0; I2=I3>0 I1≠I2≠I3

N2, O2,

CO2, N2O CH4NH3, CH3Cl, CF3Cl H2O, O3

角动量量子化

转动吸收线

2B 2B

2B

上面我们仅仅讨论了最简单的情况：仅有一个非零转 动惯量I的双原子分子与其转动量子数J。类似的关系同样可以应用于拥有三个转动惯量In的非 线形分子与其转动量子数Jn。每个量子数Jn都拥有自己独特 的一套能级态，能级态的数值由In来决定。

吸收或发射光子，通常意味着同时有两个或者更多个 转动量子数发生变化。由于可能发生同时跃迁，一个非线形 分子的转动光谱线比线形分子更加复杂、无规则。

分子偶极矩正、负电荷中心间的距离r和电荷中心所 带电量q的乘积，叫做偶极矩。它是一个 矢量，方向规定为从正电中心指向负电中 心。实验测得的偶极矩可以用来判断分子 的空间构型。

分子呈电中性，但因空间构型的不同，正 负电荷中心可能重合，也可能不重合。前 者称为非极性分子，后者称为极性分子。 极性分子可以通过转动跃迁与电磁波相互 作用。

大气成分的转动吸收 单原子气体，例如氩气及其他惰性气体，他们的转动惯量为0,因 此没有转动跃迁。 氮气，同样没有电偶极矩和磁偶极矩，因此没有转动吸收光谱。 氧气，虽然没有电偶极矩，但是不同于其他双原子气体，有一个 恒存在的磁偶极矩，因此在60Ghz和118Ghz有两个转动吸收带。 二氧化碳和甲烷，没有电偶极矩和磁偶极矩，因此在非激发态下 没有纯的转动跃迁。但是当有振动运动破坏了其分子对称性时， 会产生一个震荡的偶极子，在非常短波长处有振动-转动跃迁。 其他大多数气体，都有恒存在的偶极矩，造成了主要的转动吸收 带。

§ 3.2.2振动跃迁对于一个分子中的两个原子之间的共价键，是由静电 引力和斥力相互平衡而形成的。分子中原子的位置取决于引 力和斥力相平衡的点的位置。分子键类似一个弹簧！

振动能量量子化

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/vhf1.html