二、大气对太阳辐射的影响

太阳辐射进入地球之前必然通过大气层，太阳辐射与大气相互作用的结果，是使能量不断减弱。约有 30%被云层和其它大气成分反射回宇宙空间；约有 17%被大气吸收，约有 22%被大气散射；而仅有 31%的太阳辐射辐射到地面。其中反射作用影响最大，由于云层的反射对电磁波各波段均有强烈影响，造成对遥感信息接受的严重障碍。因此目前在大多数遥感方式中，都只考虑无云天气情况下的大气散射、吸收的衰减作用，这样太阳辐射通过大气的透射率（τ）为：

τ=e-(α+γ)x （2-24）式中：（α+γ）为衰减系数，它是随波长不同而变化，总趋势是随波长的增大，大气衰减系数减少。

α为大气中气体分子对太阳辐射的吸收系数。 γ为大气中气体分子，液态和固体杂质等对太阳辐射的散射系数。x 为路程长度（即通过大气的厚度）。

ｅ为自然对数的底。

（2-24）式为大气透射率（τ）所表达的大气传输特性，它与所通过的路程 x（即大气厚度）和大气的吸收、散射密切相关。其中路程与太阳高度角和至传感器的入射角有关。当高度角越大（即天顶角越小）和入射角越小，大气厚度 x 就越小。透射率就大。反之，透射率就小。大气的吸收、散射则与大气成分及其微粒大小有关。

（一）大气的吸收作用

太阳辐射通过大气层时，大气层中某些成分对太阳辐射产生选择性的吸收，即把部分太阳辐射能转换为本身内能，使温度升高。由于各种气体及固体杂质对太阳辐射波长的吸收特性不同，使有些波段通过大气层到达地面，而另一些波段则全部被吸收不能到达地面。因此，造成了许多不同波段的大气吸收带。（图 2-3 中的阴影部分，表示由于大气中 O2、H2O 和 CO2 等强烈吸收，使太阳辐射能量造成损失）。它们吸收太阳辐射的主要波段有：

氧（O2）大气中氧含量约占 21%，它主要吸收小于 0.2μm 的太阳辐射

能量，在波长 0.155μm 处吸收最强，由于氧的吸收，在低层大气内几乎观测不到小于 0.2μm 的紫外线，在 0.6μm 和 0.76μm 附近，各有一个窄吸收带，吸收能力较弱。因此，在高空遥感中很少应用紫外波段。

臭氧（O3）大气中臭氧的含量很少，只占 0.01-0.1%，但对太阳辐射能量吸收很强。臭氧有两个吸收带：一个波长 0.2—0.36μm 的强吸收带，另一个波长为 0.6μm 附近的吸收带，该吸收带处于太阳辐射的最强部分，因此该带吸收最强。臭氧主要分布在 30km 高度附近，因而对高度小于 10km 的航空遥感影响不大，而主要对航天遥感有影响。

水（H2O）水在大气中以气态和液态的形式存在，它是吸收太阳辐射能

量最强的介质。从可见光、红外直至微波波段，到处都有水的吸收带，主要吸收带是处于红外和可见光中的红光波段，其中红外部分吸收最强。例如：在 0.5—0.9μm 有四个窄吸收带，在 0.95—2.85μm 有 5 个宽吸收带。此外，在 6.25μm 附近有个强吸收带。因此，水气对红外遥感有很大影响，而水气的含量随时间、地点而变化。

液态水的吸收比水气吸收更强，但主要是在长波方面。

二氧化碳（CO2）大气中二氧化碳含量很少，占 0.03%，它的吸收作用主要在红外区内。例如：在 1.35—2.85μm 有 3 个宽弱吸收带。另外在 2.7 μm、4.3μm 与 14.5μm 为强吸收带。由于太阳辐射在红外区能量很少，因此对太阳辐射而言，这一吸收带可忽略不计。

尘埃它对太阳辐射也有一定的吸收作用，但吸收量很少，当有沙暴、烟雾和火山爆发等发生时，大气中尘埃急剧增加，这时它的吸收作用才比较显著。

（二）大气的散射作用

大气中各种成分对太阳辐射吸收的明显特点，是吸收带主要位于太阳辐射的紫外和红外区，而对可见光区基本上是透明的。但当大气中含有大量云、雾、小水滴时，由于大气散射使得可见光区也变成不透明了。如图 2-3 中两条连续曲线的差值，表示大气对太阳辐射散射时所造成的损失，这种散射不同于吸收，散射不会将辐射能转变成质点本身的内能，而是只改变了电磁波传播的方向。大气散射作用使部分辐射能由于改变辐射方向，干扰了传感器

的接收，降低了遥感数据的质量，造成影像的模糊，影响遥感资料的判读。大气散射集中于太阳辐射能量较强的可见光区。因此，大气对太阳辐射

的散射是太阳辐射衰减的主要原因，散射强度可用散射系数（γ）表示，散射系数与电磁波波长有下列关系：

γ ∝ 1 （2 - 25）

λϕ

式中：ψ为波长的指数，它由大气微粒直径（d）的大小决定。

根据辐射的波长与散射微粒的大小之间的关系，散射作用可分为三种：瑞利散射、米氏散射和非选择性散射。

瑞利散射。当微粒的直径（d）比辐射波长（λ）小得多时，此时散

射为瑞利散射。即d＜λ / 10。公式2 - 25中ϕ = 4，γ ∝ λ4 ，主要是由大气

分子对可见光的散射引起的。所以瑞利散射也叫分子散射。由于散射系数与波长的四次方成反比，当波长大于 1μm 时，瑞利散射基本上可以忽略不计。因此红外线、微波可以不考虑瑞利散射的影响。但对可见光来说，由于波长较短，瑞利散射影响较大。如晴朗天空呈碧蓝色，就是由于大气中的气体分子把波长较短的蓝光散射到天空中的缘故。

米氏散射。当微粒的直径与辐射光的波长差不多时（即 d≈λ），公

式（2 - 25）中，ϕ = 2，γ∞ λ2 ，称为米氏散射。它是由大气中气溶胶所

引起的散射。由于大气中云、雾等悬浮粒子的大小与 0.76—15μm 的红外线的波长差不多，因此，云、雾对红外线的米氏散射是不可忽视的。

非选择性散射。当微粒的直径比波长大得多时（即
d＞λ）所发生的散射称为非选择性散射。公式（2-25）中，ψ=0，散射系数为一常数，散射与波长无关，即任何波长散射强度相同。如大气中的水滴、雾、烟、尘埃等气溶胶对太阳辐射，常常出现这种散射。常见到的云或雾都是由比较大的水滴组成的，符合 d＞λ，云或雾之所以看起来是白色，是因为它对各种波长的可见光散射均是相同的。对近红外、中红外波段来说，由于 d＞λ，所以属非选择性散射，这种散射将使传感器接收到的数据严重的衰减。

综上所述，太阳辐射的衰减主要是由于散射造成的，散射衰减的类型与强弱主要和波长密切相关。在可见光和近红外波段，瑞利散射是主要的。当波长超过 1μm 时，可忽略瑞利散射的影响。米氏散射对近紫外直到红外波段的影响都存在。因此，在短波中瑞利散射与米氏散射相当。但在当波长大于0.5μm 时，米氏散射超过了瑞利散射的影响。在微波波段，由于波长比云中小雨滴的直径还要大，所以小雨滴对微波波段散射是属于瑞利散射，因此，微波有极强的穿透云层的能力。而红外辐射穿透云层的能力虽然不如微波，但比可见光的穿透能力大 10 倍以上。

太阳光通过大气要发生散射和吸收，地物反射光在进入传感器前，还要再经过大气并被散射和吸收，这将造成遥感图像的清晰度下降。所以在选择遥感工作波段时，必须考虑到大气层的散射和吸收的影响。