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大氣吸收光譜（大氣吸收光譜）

102次瀏覽 | 更新時間：2023-07-07

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大氣吸收光譜是指光波在大氣中傳播時，某些波長的波被大氣中各種氣體成分吸收而產(chǎn)生的暗線或暗帶組成的譜。吸收作用比較顯著的氣體成分是水汽、二氧化碳和臭氧等，它們將所吸收的光波能量轉(zhuǎn)變成熱能和電離能等。這對于大氣的物理和化學狀態(tài)的變化，起著重要的作用。

大氣吸收光譜

atmospheric absorption spectrum 光波在大氣中傳播時，某些波長的波被大氣中各種氣體成分吸收而產(chǎn)生的暗線或暗帶組成的譜。吸收作用比較顯著的氣體成分是水汽、二氧化碳和臭氧等，它們將所吸收的光波能量轉(zhuǎn)變成熱能和電離能等。這對于大氣的物理和化學狀態(tài)的變化，起著重要的作用。

基本信息

中文名	大氣吸收光譜
外文名	atmospheric absorption spectrum
原因	低能態(tài)到高能態(tài)的躍遷
所在領域	化學

三類運動形式

氣體分子的吸收總是和分子內(nèi)部從低能態(tài)到高能態(tài)的躍遷相聯(lián)系的。分子的能態(tài)決定于分子內(nèi)部的三類運動：①電子的運動;②原子核在平衡位置附近的振動;③整個分子繞一定對稱軸的旋轉(zhuǎn)。它們所對應的能量，都是量子化的。在這三類運動中，相鄰的電子能級間的差值最大，依普朗克公式，這種躍遷所吸收的入射波，頻率很高，就大氣中主要的吸收成分而言，這種躍遷吸收的輻射，其波長都在紫外和可見光波段；相鄰的轉(zhuǎn)動能級間的差值最小，被吸收的波長大多出現(xiàn)在遠紅外直至微波波段；相鄰的振動能級間的差值介于上述兩者之間，被吸收的波長大多出現(xiàn)于 2～30微米的紅外波段。由于這三種運動可以同時發(fā)生，對應于同一電子能態(tài)的躍遷，可以有各種不同的振動能態(tài)躍遷和轉(zhuǎn)動能態(tài)躍遷；同樣，對應于一種振動能態(tài)躍遷，也可以有各種不同的轉(zhuǎn)動能態(tài)躍遷。所以，電子躍遷光譜中有不同的振動分支，而這些振動光譜中，又包含著一系列表征轉(zhuǎn)動能態(tài)躍遷的譜線（常稱這種分支為振動-轉(zhuǎn)動光譜）,因此，分子光譜的圖像是錯綜復雜的。

譜線增寬

分子譜線的自然寬度很小，但由于分子間的碰撞和分子熱運動的多普勒效應會使譜線大大增寬，比自然線寬要大好幾個量級。由分子碰撞造成的增寬稱為碰撞增寬，由分子熱運動的多普勒效應造成的增寬，稱為多普勒增寬。譜線寬度與環(huán)境的溫度和壓力有密切關系。光波在整層大氣傳播的過程中，碰撞增寬在20公里高度以下占主導地位，而多普勒增寬則在大氣高層占主導地位，20公里以上的中間高度，兩種增寬機制均有影響，一般需考慮它們共同作用引起的混合增寬。

吸收光譜

從大氣吸收光譜看出（見圖）:在2.7和6.3微米附近以及21～100微米之間，有水汽的強振轉(zhuǎn)吸收帶；在2.7、4.3和14.7微米附近有二氧化碳的強振轉(zhuǎn)吸收帶；而在可見光區(qū)和8～13微米紅外區(qū)，吸收不明顯，是兩個對遙感探測和大氣輻射十分重要的大氣窗區(qū)。若接收輻射的高度由海平面移至高空，如移至11公里高空，則由于水汽等大量減少，大氣吸收也大為減少。

太陽輻射的紫外部分，波長在2000埃以下，主要被大氣中原子態(tài)或分子態(tài)的氧和氮所吸收，完全不能到達地面。波長短于3400埃的太陽紫外輻射，由臭氧的哈特萊(Hartley)吸收帶(2000～3000埃)和哈根斯(Huggins)吸收帶（3200～3600埃）的共同作用，在到達地面之前，也絕大部分被吸收(見大氣臭氧層)。在可見光窗區(qū)，大氣吸收較少，這里主要有臭氧的夏普伊(Chappuis)吸收帶（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。紅外輻射部分的大氣吸收參見表。

計算模式

要計算實際大氣的吸收譜，必須知道吸收線的位置、強度、形狀以及它們同溫度、壓力的關系，還要知道吸收物質(zhì)的含量等。而實際大氣的溫度、壓力和吸收物質(zhì)含量，隨高度而變化，這都會給實際大氣吸收譜的計算帶來困難。為此，提出了若干理論譜帶模式，主要包括：①單線模式。將較復雜的鐘形吸收譜線的線型當作矩形處理，從而計算其平均吸收率。若某頻帶內(nèi)含有若干條譜線，且線間距大于譜線寬度而不發(fā)生重疊，則可應用單線模式計算所有譜線的平均吸收率。②帶模式。計算整個譜帶吸收率的方法主要有周期模式和隨機模式（統(tǒng)計模式）兩種方法。周期模式假定吸收帶由等強度等間距的一系列譜線排列構(gòu)成，于是可計算整個帶的平均吸收率，適用于象二氧化碳這樣的分子。然而對于水汽的振轉(zhuǎn)帶和轉(zhuǎn)動帶，譜線間距和強度分布無簡單的規(guī)律可循，這時上述假定不適用。于是有人提出了譜線位置和強度都是隨機分布的所謂隨機模式，由此可以很好地計算水汽的吸收率。但實際分子光譜既不符合于周期模式也不符合于隨機模式，因此也有根據(jù)實驗測量的結(jié)果，選定一些吸收率表達式中的參數(shù)或選取其他的函數(shù)形式進行計算，這樣的經(jīng)驗模式具有一定的精度和適用范圍。隨著計算機技術的日益發(fā)展，對真實大氣中包含所有氣體吸收物質(zhì)進行逐線計算已指日可待，但有些人研究后認為逐線計算和實驗室測量之間的相符程度在5～10%之間，其他模式計算也能達到這一精度。

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