Strahlungstransport in der Atmosphäre

Die mathematische und physikalische Beschreibung, wie Strahlungsenergie absorbiert, emittiert und gestreut wird, während sie sich durch die Atmosphäre bewegt.

Definition

Strahlungstransport ist der Prozess, bei dem sich die Intensität elektromagnetischer Strahlung entlang eines Pfades durch ein Medium ändert, das sie absorbiert, emittiert und streut, gesteuert durch die Strahlungstransportgleichung.

Scope

Umfasst die Strahlungstransportgleichung und ihre Lösung unter Absorptions-, Emissions- und Mehrfachstreuungsbedingungen; optische Tiefe und Extinktion; Beer-Lambert-Dämpfung; Quellfunktionen und thermische Emission; Streuphasenfunktionen; und Annäherungen wie die Zwei-Strom- und Diskrete-Ordinaten-Methoden, die in Strahlungsmodellen verwendet werden.

Core questions

• Wie entwickelt sich die Strahlungsintensität entlang eines Pfades durch eine absorbierende und streuende Atmosphäre?
• Wie werden Absorption, Emission und Streuung in einer einzigen Transportgleichung kombiniert?
• Welche Annäherungen machen den Strahlungstransport in numerischen Modellen handhabbar?

Key theories

Die Strahlungstransportgleichung

Eine Differentialgleichung, die die Änderung der Strahlungsintensität entlang eines Pfades mit Verlusten durch Extinktion und Gewinnen durch thermische Emission und Einwärtsstreuung in Beziehung setzt, parametrisiert durch die optische Tiefe und die Albedo der Einfachstreuung.

Mechanisms

Entlang eines infinitesimalen Pfades wird die Intensität durch Absorption und Auswärtsstreuung (Extinktion, ausgedrückt durch die optische Tiefe) reduziert und durch thermische Emission, die von der Planck-Funktion und der lokalen Temperatur abhängt, sowie durch Einwärtsstreuung von Strahlung aus anderen Richtungen, beschrieben durch die Phasenfunktion, erhöht. Lösungen reichen von der einfachen Beer-Lambert-Dämpfung für absorbierende Medien bis zu Mehrfachstreuungsbehandlungen wie den Diskrete-Ordinaten- und Zwei-Strom-Methoden.

Clinical relevance

Strahlungstransportcodes sind die Grundlage für satellitengestützte Fernerkundungs-Retrievals, Strahlungsschemata von Wetter- und Klimamodellen sowie die atmosphärische Korrektur von Bildern.

History

Aufbauend auf Schwarzschilds früher Behandlung des Strahlungsgleichgewichts in Sternatmosphären etablierte Chandrasekhars Monographie „Radiative Transfer“ von 1950 den rigorosen Rahmen, der später an Planetenatmosphären angepasst und in operationelle Strahlungsmodelle integriert wurde.

Key figures

• Subrahmanyan Chandrasekhar
• Kuo-Nan Liou

Seminal works

• chandrasekhar1960
• liou2002

Frequently asked questions

Was ist optische Tiefe?

Die optische Tiefe ist ein dimensionsloses Maß dafür, wie stark ein Strahlungsbündel entlang eines Pfades gedämpft wird; eine optische Tiefe von eins bedeutet, dass die Intensität durch Extinktion um einen Faktor von etwa 2,7 reduziert wird.