大气水汽与电磁波的相互作用特性

大气水汽和电磁波之间的相互作用是遥感反演大气水汽的物理基础。大气水汽对各波谱范围内的电磁波都具有普遍的吸收作用。在紫外波段，大气水汽对电磁波具有非弹性的散射作用。在可见光近红外波段，大气水汽对可见光波段具有弱吸收作用，对近红外波段具有较强的吸收作用。在红外和微波波段，由于存在振一转吸收带，大气水汽对电磁波具有强烈的吸收作用，也能够向外辐射红外和微波波段电磁波。此外，大气水汽对主动雷达信号具有延迟和折射作用。以下分别从紫外波段、可见光近红外波段、热红外波段、微波波段4个方面分别介绍大气水汽与电磁波之间的相互作用。

1.紫外波段水汽拉曼散射

紫外波段的波谱范围介于10～380nm。大气水汽与紫外波段电磁波的相互作用主要表现为散射作用。给出了散射作用的基本类型。当电磁波波长远大于散射介质半径时，介质的散射作用可以忽略不计。当电磁波波长约为散射介质半径的10～1000倍时，瑞利（Rayleigh）散射占据主导作用。当电磁波波长与散射介质半径相当时，米氏（Mie）散射占据主导作用。当电磁波波长小于散射介质半径时，几何散射模型更适用于描述散射问题。瑞利散射、米氏散射和几何光学散射模型都是基于弹性散射角度考虑的散射模型，即散射过程中电磁波的频率保持不变，仅发生传播方向的变化。大气水汽分子的半径为4×1010m，远小于可见光近红外波段，甚至是紫外波段的波长，因此大气水汽分子对这些波段的电磁波产生的弹性散射作用可忽略不计。

在非弹性散射的范畴，大气水汽分子对紫外波段具有特殊的散射作用，其中最为典型的散射作用为拉曼（Raman）散射。与弹性散射不同，非弹性散射在散射前后电磁波的频率发生改变，散射过程保持动量平衡，但是动能发生改变。非弹性散射的一般原理可以描述为：当光子照射到分子时，光子将分子从一个基态激发到一个虚拟的能级，当激发的分子释放一个光子后返回到一个不同于基态的振动状态，新的状态与基态之间的能量差使得释放的光子频率不同于入射的光子频率。根据能量守恒定律，如果新的状态比基态的能量高，则所激发的光子能量低于入射光子能量，激发的光子频率（波长）低（高）于入射光子的频率（波长），这种差异称为斯托克斯频移（Stokes Shift）。反之，如果新的状态比基态的能量低，则所激发的光子能量高于入射光子能量，激发的光子频率（波长）高（低）于入射光子频率（波长），这种情况称为反斯托克斯频移（Anti-Stokes Shift）。大气水汽的散射属于斯托克斯频移，其斯托克斯频移量为3654cm-1，即对于波长为355mm的紫外波，其拉曼散射后的波长为407.8nm。

2.可见光近红外水汽吸收

可见光近红外波段的波长为0.38～0.14μm大气水汽与可见光近红外波段电磁被的相五作用以吸收为主。水汽分子振动运动3个基本频率的倍频和合须作用是大气水汽吸收的根本原因。可见光近红外波段的主要吸收峰位于0.57μm、0.72μm、0.83μm、0.91μm、0.94μm、0.98μm、1.14μm、1.38μm和1.39μm处。分别给出了可见光和红外波段大气水汽、液态水和冰晶对于可见光近红外波段电磁波的影响程度。

3.热红外波段辐射与吸收

红外波段包括短波红外、中红外、长波红外和远红外波段，波长覆盖范围为1.4μm～1mm。大气水汽与红外波段电磁波的相互作用以吸收为主。水汽分子的振动运动形成了短波红外波段的2.7μm和中红外波段的6.3μm两大振动吸收带。两大振动带对应的水汽衰减系数，表明大气水汽对红外波段的电磁波吸收能力强于对可见光近红外波段的吸收能力。与可见光近红外波段不同，红外波段存在大量振一转吸收带，形成为数众多、密集分布的吸收峰。在红外波段众多吸收峰之间存在部分受大气水汽影响较小的波谱区间，如3～5μm和8～14μm。这些波段是红外遥感的大气窗口波段。部分红外波段的大气水汽吸收峰。红外波段主要大气水汽吸收峰位于325.1529GHz、380.1974GHz、439.1508GHz、448.0011GHz、474.6891GHz、488.4911GHz、556.9380GHz、620.7008GHz、658.0065GHz、752.0332GHz、859.8650GHz、916.1716GHz、970.3150GHz和987.9268GHz处。

4.微波辐射与吸收

发射率是物体发射辐射能力的度量，指物体的辐射能力与相同温度下黑体辐射能力的比值。由于黑体发射率等于其吸收率，发射率又可以定义为物体辐射能力与吸收能力的比值。地球大气的平均发射率为0.83，其中水汽的发射贡献约占0.63。大气水汽辐射特征主要集中于红外波段。作为主要温室气体之一，大气水汽吸收来自于地表的红外辐射后，会以长波辐射（温度更低）的形式向外辐射能量，以维持地表温度。据估计，若没有大气水汽、CO₂等大气成分，地表温度将会跌至-23℃，而实际地表温度约为15℃。在一个标准大气压下，大气温度20℃，大气可降水量为1cm的情况下的大气水汽光谱发射率。为显示发射率曲线的细节，图中仅绘出12～16um波谱范围内的水汽发射率曲线。与吸收特性类似，大气水汽的发射率在整个红外区间存在为数众多的峰值/谷值。

与液态水的吸收特性类似，液态水的发射光谱曲线随波长变化平缓，且光谱发射率接近于1。总体来看，液态水的光谱发射率高于大气水汽的光谱发射率。正是由于液态水具有较高的光谱发射率，多云的早晨，大气温度一般要高于晴天的早晨。

微波波段的波长位于1mm～lm，大气水汽与微波波段的相互作用以吸收为主。在微波波段，O₂和水汽是电磁波吸收的主要成分，当电磁波的频率与分子转动能级跃迁频率一致时，分子吸收电磁波的能量，其转动能级由低向高跃迁，形成共振吸收。在分子碰撞的情况下，这种共振吸收的谱线并不是单一的谱线，而是具有一定的谱线宽度。因此，O₂和水汽不仅能够吸收与吸收谱线中心频率接近的电磁波，同时也能够吸收中心谱线频率附近的电磁波。因此，O₂和水汽的吸收系数是谱线中心频率、谱线强度和谱线半宽度3个参数的函数。谐线的强度和半宽度与大气压强、温度和水汽密切相关。其中，水汽吸收谱线中心频率主要位于22351GHz和183.3101GHz处。