大气中的辐射传输

辐射能在大气中传播时被吸收、发射和散射的数学和物理描述。

Definition

辐射传输是指电磁辐射强度沿路径穿过吸收、发射和散射它的介质时发生变化的过程，由辐射传输方程控制。

Scope

涵盖辐射传输方程及其在吸收、发射和多重散射条件下的解；光学厚度和消光；比尔-朗伯衰减；源函数和热辐射；散射相函数；以及辐射模型中使用的近似方法，如双流法和离散坐标法。

Core questions

• 辐射强度如何沿路径穿过吸收和散射大气而演变？
• 吸收、发射和散射如何在一个单一的传输方程中结合？
• 哪些近似使辐射传输在数值模型中变得可行？

Key theories

辐射传输方程

一个微分方程，描述了辐射强度沿路径的变化与消光损失、热辐射增益和向内散射增益之间的关系，通过光学厚度和单次散射反照率进行参数化。

Mechanisms

在无限小路径上，强度因吸收和向外散射（消光，通过光学厚度表示）而减小，并因热辐射（取决于普朗克函数和局部温度）以及来自其他方向的辐射的向内散射（由相函数描述）而增加。解决方案范围从吸收介质的简单比尔-朗伯衰减到多重散射处理，例如离散坐标法和双流法。

Clinical relevance

辐射传输代码是卫星遥感反演、天气和气候模型辐射方案以及图像大气校正的核心。

History

在施瓦茨希尔德（Schwarzschild）早期对恒星大气辐射平衡处理的基础上，钱德拉塞卡（Chandrasekhar）1950年的专著《辐射传输》（Radiative Transfer）建立了严谨的框架，该框架后来被应用于行星大气并嵌入到操作性辐射模型中。

Key figures

• Subrahmanyan Chandrasekhar
• Kuo-Nan Liou

Seminal works

• chandrasekhar1960
• liou2002

Frequently asked questions

什么是光学厚度？

光学厚度是衡量辐射束沿路径衰减程度的无量纲量；光学厚度为1意味着强度因消光而减小了约2.7倍。