气溶胶光学特性和辐射效应

气溶胶粒子如何散射和吸收光线，以及由此对地球辐射平衡产生的直接和间接影响。

Definition

气溶胶光学特性描述了粒子如何与辐射相互作用，而气溶胶辐射效应是由此引起的大气中太阳和地球能量流动的扰动。

Scope

涵盖应用于气溶胶的米氏散射理论、散射和吸收效率以及单次散射反照率、气溶胶光学厚度、散射和吸收粒子的直接辐射效应、黑碳的作用，以及通过云介导的间接效应。

Core questions

• 粒子大小和成分如何决定散射和吸收？
• 什么是气溶胶光学厚度，如何测量？
• 气溶胶如何通过云直接和间接影响气候？

Key theories

米氏散射理论

球形粒子光散射的精确解，将粒子的尺寸和折射率与其散射和吸收效率联系起来。

气溶胶辐射强迫

散射气溶胶提高行星反照率并导致冷却，吸收性气溶胶使大气变暖，而气溶胶对云的影响增加了进一步且更不确定的强迫。

Mechanisms

当粒子尺寸与光波长相当时，散射和吸收由米氏理论描述，该理论根据尺寸参数和复折射率得出效率。单次散射反照率决定了散射冷却和吸收增温之间的平衡。在整个气柱中积分，消光给出气溶胶光学厚度。直接效应立即改变辐射平衡，而间接效应则由于气溶胶改变云滴数量、亮度和寿命而产生。

Clinical relevance

气溶胶光学特性决定了能见度、通过卫星反演气溶胶载荷，以及气溶胶气候强迫的量级，这是气候预测不确定性的主要来源。

History

古斯塔夫·米（Gustav Mie）于1908年提出的球体散射解决方案奠定了光学基础，而气溶胶辐射强迫的量化自1990年代以来成为一项主要工作，因为其对气候预算的重要性在IPCC评估中得到认可。

Key figures

• Gustav Mie
• Craig Bohren

Seminal works

• bohrenHuffman1983
• boucher2013

Frequently asked questions

什么是气溶胶光学厚度？

气溶胶光学厚度是衡量垂直气柱中气溶胶通过散射和吸收衰减光的程度；值越高意味着空气越浑浊，粒子越多。