大气气体对辐射的吸收与发射

分子结构如何决定大气气体吸收和发射的波长，从而影响到达太空和地表的辐射光谱。

Definition

大气气体对辐射的吸收和发射是指辐射与气体分子之间波长选择性的相互作用，受量子化能量跃迁的支配，它决定了大气如何传输、吸收和重新发射辐射。

Scope

涵盖分子转动、振动和电子跃迁；水蒸气、二氧化碳、臭氧、甲烷和一氧化二氮的吸收带；谱线线形、压力展宽和多普勒展宽；谱带模型和逐线计算；大气窗口；以及用于计算气体吸收的光谱数据库。

Core questions

• 为什么不同的气体会在特征波长处吸收辐射？
• 什么决定了单个吸收线的强度和宽度？
• 为什么大气在10微米附近的热红外窗口中相对透明？

Key theories

大气气体的分子光谱学

量子化的转动和振动跃迁产生离散的吸收线，其位置和强度由分子结构决定，并被整理到HITRAN等数据库中用于辐射计算。

Mechanisms

当光子能量与量子化的转动、振动或电子态之间的跃迁匹配时，气体分子会吸收光子；二氧化碳和水蒸气等温室气体在红外区域具有很强的振动-转动谱带。在低空，单个谱线因分子碰撞（压力展宽）而展宽；在高空，则因热运动（多普勒展宽）而展宽。重叠的谱线形成吸收带，留下相对透明的光谱窗口，地表可通过这些窗口有效地向太空辐射。

Clinical relevance

精确的气体吸收数据是天气和气候模型中辐射方案以及从卫星和地面光谱仪反演温度和微量气体浓度的基础。

History

廷德尔在19世纪的实验室测量首次揭示了水蒸气和二氧化碳对红外辐射的强烈吸收。20世纪的光谱学解析了单个分子谱线，自20世纪70年代以来维护的HITRAN数据库等汇编现在提供了现代辐射传输计算中使用的谱线参数。

Key figures

• John Tyndall
• Kuo-Nan Liou

Seminal works

• liou2002
• gordon2022

Frequently asked questions

什么是大气窗口？

大气窗口是热红外波段中8至12微米附近的一个波段，在此波段内，晴朗大气吸收微弱，使得地表能够将热量直接辐射到太空。