光波在大氣中傳播時，某些波長的波被大氣中各種氣體成分吸收而產生的暗線或暗帶組成的譜。吸收作用比較顯著的氣體成分是水汽、二氧化碳和臭氧等，它們將所吸收的光波能量轉變成熱能和電離能等。這對於大氣的物理和化學狀態的變化，起著重要的作用。
基本介紹
- 中文名：大氣吸收光譜
- 外文名：atmospheric absorption spectrum
- 領域：化學
- 原因：低能態到高能態的躍遷
三類運動形式,譜線增寬,吸收光譜,計算模式,
三類運動形式
氣體分子的吸收總是和分子內部從低能態到高能態的躍遷相聯繫的。分子的能態決定於分子內部的三類運動：①電子的運動;②原子核在平衡位置附近的振動;③整個分子繞一定對稱軸的旋轉。它們所對應的能量，都是量子化的。
在這三類運動中，相鄰的電子能級間的差值最大，依普朗克公式，這種躍遷所吸收的入射波，頻率很高，就大氣中主要的吸收成分而言，這種躍遷吸收的輻射，其波長都在紫外和可見光波段；相鄰的轉動能級間的差值最小，被吸收的波長大多出現在遠紅外直至微波波段；相鄰的振動能級間的差值介於上述兩者之間，被吸收的波長大多出現於 2～30微米的紅外波段。由於這三種運動可以同時發生，對應於同一電子能態的躍遷，可以有各種不同的振動能態躍遷和轉動能態躍遷；同樣，對應於一種振動能態躍遷，也可以有各種不同的轉動能態躍遷。所以，電子躍遷光譜中有不同的振動分支，而這些振動光譜中，又包含著一系列表征轉動能態躍遷的譜線（常稱這種分支為振動-轉動光譜）,因此，分子光譜的圖像是錯綜複雜的。
譜線增寬
分子譜線的自然寬度很小，但由於分子間的碰撞和分子熱運動的都卜勒效應會使譜線大大增寬，比自然線寬要大好幾個量級。由分子碰撞造成的增寬稱為碰撞增寬,由分子熱運動的都卜勒效應造成的增寬,稱為都卜勒增寬。譜線寬度與環境的溫度和壓力有密切關係。光波在整層大氣傳播的過程中，碰撞增寬在20公里高度以下占主導地位，而都卜勒增寬則在大氣高層占主導地位，20公里以上的中間高度，兩種增寬機制均有影響，一般需考慮它們共同作用引起的混合增寬。
吸收光譜
從大氣吸收光譜看出（見圖）:在2.7和6.3微米附近以及21～100微米之間，有水汽的強振轉吸收帶；在2.7、4.3和14.7微米附近有二氧化碳的強振轉吸收帶;而在可見光區和8～13微米紅外區,吸收不明顯,是兩個對遙感探測和大氣輻射十分重要的大氣窗區。若接收輻射的高度由海平面移至高空，如移至11公里高空，則由於水汽等大量減少，大氣吸收也大為減少。
太陽輻射的紫外部分，波長在2000埃以下，主要被大氣中原子態或分子態的氧和氮所吸收，完全不能到達地面。波長短於3400埃的太陽紫外輻射，由臭氧的哈特萊(Hartley)吸收帶(2000～3000埃)和哈根斯(Huggins)吸收帶（3200～3600埃）的共同作用，在到達地面之前，也絕大部分被吸收(見大氣臭氧層)。在可見光窗區，大氣吸收較少，這裡主要有臭氧的夏普伊(Chappuis)吸收帶（4300～7500埃），氧在5384埃和7621埃附近的吸收，以及水汽在6943.8埃附近的吸收等。
計算模式
要計算實際大氣的吸收譜，必須知道吸收線的位置、強度、形狀以及它們同溫度、壓力的關係，還要知道吸收物質的含量等。而實際大氣的溫度、壓力和吸收物質含量，隨高度而變化，這都會給實際大氣吸收譜的計算帶來困難。為此，提出了若干理論譜帶模式，主要包括：①單線模式。將較複雜的鐘形吸收譜線的線型當作矩形處理，從而計算其平均吸收率。若某頻帶內含有若干條譜線，且線間距大於譜線寬度而不發生重疊，則可套用單線模式計算所有譜線的平均吸收率。②帶模式。計算整個譜帶吸收率的方法主要有周期模式和隨機模式（統計模式）兩種方法。周期模式假定吸收帶由等強度等間距的一系列譜線排列構成，於是可計算整個帶的平均吸收率，適用於象二氧化碳這樣的分子。然而對於水汽的振轉帶和轉動帶，譜線間距和強度分布無簡單的規律可循，這時上述假定不適用。於是有人提出了譜線位置和強度都是隨機分布的所謂隨機模式，由此可以很好地計算水汽的吸收率。但實際分子光譜既不符合於周期模式也不符合於隨機模式，因此也有根據實驗測量的結果，選定一些吸收率表達式中的參數或選取其他的函式形式進行計算，這樣的經驗模式具有一定的精度和適用範圍。隨著計算機技術的日益發展，對真實大氣中包含所有氣體吸收物質進行逐線計算已指日可待，但有些人研究後認為逐線計算和實驗室測量之間的相符程度在5～10%之間，其他模式計算也能達到這一精度。
