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| ミランコヴィッチメニューへ戻る 理論大気光学の基礎 トレーニングマニュアル ロシア語 １５２頁 Основы теоретической атмосферной оптики サンクトペテルブルグ大学 国家プロジェクト「古典大学の革新的な教育環境」 パイロットプロジェクトNo.22「開発と実施 革新的な教育プログラム「応用数学と物理学」 序章 第１章 第2章 第3章 第4章 第5章 第6章 第7章 第8章 参考文献 露英用語解説 第５章 地表面の光学特性 5.1 放射線反射の主な特徴 多くの惑星では、大気は固体または液体の媒体、つまり惑星の表面によって制限されています。当然のことながら、この表面は惑星の大気中の太陽放射の輸送に大きな影響を与え、またそれ自身の熱放射を生成します。 大気光学における惑星の表面は、通常、下にある表面と呼ばれます。地球上、そして以下では主にそれについてのみ話しますが、その光学的性質の観点からの表面は非常に多様です。まず第一に、それは陸面または水面である可能性があります。水、雪、植生、地面の空き地などが異なる光学特性を持っていることは明らかです。いくつかの実用的なタスク（たとえば、宇宙写真）では、下にある表面も雲を参照すると便利です。 大気光学における下にある表面の役割は素晴らしいです：スペクトルの可視領域では、表面は太陽放射を反射して吸収します。さらに、水面では、太陽放射の一部が水環境に浸透します。この場合、実際には、複雑な大気、つまり水環境で放射が伝達されます。 スペクトルの熱領域（IRおよびMKV範囲）では、表面はemを放出します。エネルギー、そしてまたそれに入射する放射を反映します-大気の太陽と下降する自身の放射。スペクトルの長波長領域（電波）では、放射の形成は、2つの媒体間の界面の薄層ではなく、下にある表面の最終的な厚さで実行されます。 水面の場合、少なくとも2つの環境のシステムで放射線の形成と伝播を扱っています[3]。 2つの媒体（大気とその下にある表面）の間の界面の構造によって、さまざまな種類の反射が決まります（図5.1）。反射の最も単純なケースは、完全に滑らかな表面で観察されます。これは、しばしば鏡面反射と呼ばれます（図5.1a）。このようなモデルは、水（波なし）または氷（凹凸なし）の平らな表面に最も近いものです。ただし、実際の表面は常に、不均一性の存在に関連する平坦な表面からのさまざまな偏差によって特徴付けられます。 比較的弱い強風でも水面も波打つ。すべての実際の表面は不規則性でいっぱいです：土の上の土の塊、砂と石の粒、植生の要素-草の葉から木まで。表面の不均一性の影響が小さい場合、2番目のタイプの反射が観察されます-準ミラー（図5.1b）。このタイプの反射は、水が波に反射するときによく見られます。この場合、ほとんどすべての放射反射は、鏡面反射の方向の周りの比較的小さな立体角で発生します（高度と方位角で15〜25°以内）。  図5.1 さまざまなタイプの表面反射： a）ミラー; b）準ミラー; c）直交異方性; d）準直交異方性; e）反対。 平行な光線を凹凸のある表面に当てます。次に、平面の法則に従って各小さな表面要素（平坦と見なすことができます）から反射し、各不規則性と粗さからの放射は異なる（ほぼすべての）方向に反射されます。このタイプの反射は拡散と呼ばれます。反射がすべての方向で同じように発生する拡散反射の特殊なケースは、直交異方性（ランバート）反射と呼ばれます（図5.1c）。実際には、鏡面反射の場合と同様に、ほとんどの場合、これは特別に準備された表面であっても実際の反射の理想化です。 ただし、このタイプの反射は、放射伝達理論のモデリングでよく使用されます。実際の表面は直交異方性反射表面ではないため、別のタイプの反射、つまり準直交異方性反射がしばしば導入されます（図5.1d）。最後に、もう1つのタイプの拡散反射（後方）を指摘しましょう（図5.1e）。反射は多くの自然な表面で一般的です。それらの場合、最大反射は入射放射線と反対の方向に発生します。不規則性と粗さからの影の存在は、日変化の出現につながります。太陽の高さに応じて、下にある表面のさまざまな光学特性。直交異方性表面に関しては、粗さが小さい直交異方性表面に最も近いのは積雪です[34]。 5.2 放射反射（鏡面反射）の定量的特性 鏡面反射モデルは本質的に非常にまれですが、厳密な式が得られる特定の理想的なケースとして重要であり、実際の表面の光学特性をシミュレートするために使用されます。 2つの媒体の間に完全に平坦な界面があるとします。空気は1に等しい複素屈折率（CPI）を想定し、CPIはm =n--iκに等しい媒体です。反射面を、入射電磁波の方向と2つの媒体間の界面の法線によって形成される面と呼びます。 楕円偏光波の一般的な場合の電界強度E0の初期ベクトルは、2つの相互に垂直な成分に分解されます（セクション2.7）：0、|| E-平行、反射面にあり、0、⊥E-それに垂直。反射波の電界のベクトルを類似の成分に拡張してみましょう。水平面からの反射を考慮する場合、他の用語がよく使用されます。vE E 0、|| 0、=はフィールドの垂直成分、h E E 0、0、=⊥はフィールドの水平成分です。電界強度の入射成分、反射成分、および屈折成分の間の関係は、フレネルの式で与えられます。それらは、電気力学の境界条件を考慮するときに導き出されます[4、31]。 推論の過程で、反射波と屈折波の存在、入射波、反射波と屈折波の周波数の同等性（2つの媒体間の固定インターフェースの場合）、および3つのよく知られた反射と屈折の法則は次のとおりです。証明：1。入射波、反射波、屈折波、および表面の法線は1つの平面にあります。 2.入射角0θ（入射波と法線の間）は、反射角（反射波と法線の間の角度）に等しくなります。 3.スネルの法則：屈折角rθ（屈折波と法線の間）は、次の関係によって入射角0θに関連付けられます。 反射波のフレネル式は次のように記述されます[4、5、20、31]。  さまざまな自然媒体の複素屈折率に関するデータは、多くのモノグラフと参考書に記載されています[3、18]（セクション4も参照）。@強度I0（放射フラックスに数値的に等しい）の無偏光の指向性放射を許可します。インターフェイスに落ちる。 を表す）R（θは反射係数@であり、反射放射に対して  すると、反射係数はフレネル式（5.2.2）[3]から次の関係を満たします。  式（5.2.4）の項は、平行および@垂直放射成分の反射係数です。@放射の法線入射（θ0= 0）の場合、式@（5.2.4）を使用すると、次の式が得られます。次の関係：  媒体に吸収がない場合（κ= 0）、反射係数は屈折率の実数部によって決定されます。  κ>> n（吸収帯）の場合、R-は1になる傾向があります。したがって、@表面が十分に広いスペクトル領域の放射線で照らされている場合、@反射スペクトルは、下にある表面を構成する物質の@吸収帯の位置に対応する最大値を示します。 この効果は、文献では再放射効果と呼ばれ、電界強度@が入射面に垂直である放射のみが反射スペクトルによって反射されることを許可します。したがって、偏光されていない@太陽放射がブリュースター角で平らな面に当たると、反射光@はこの平面に平行に完全に偏光されます。 ブリュースター角は@によってntgθB=で定義されます。 @ 96 @図。 5.2は、2つの波長（可視領域（λ=0.55μm）およびマイクロ波（λ= 3 cm））の入射角の関数としての滑らかな海面の反射係数@の角度依存性の例を示しています。 ）[52]。  図5.2 滑らかな海面の反射係数の、可視領域（λ=0.55μm）とマイクロ波（λ= 3 cm）の2つの波長の入射角への依存性の例[52]。 可視領域では、屈折率は1.2〜1.3に近く、直下（垂直）入射での反射係数は非常に小さく、入射角が40〜60度までは0.01〜0.02です。大きな入射角（θ> 80°）では、反射係数は急速に増加し、入射角が90°に近づくと、反射係数は1になる傾向があります。 図では5.2垂直（平行）偏光の場合、ブリュースター角（〜53°）が見られ、この成分の反射はゼロに等しくなります。 λ= 3 cmのマイクロ波領域では、複素屈折率は約m = 52〜37iであり、垂直入射の反射係数は有意であり、0.61に等しくなります。ブリュースター角は約82°です。 5.3。放射の反射の定量的特性（実際の表面）輸送理論および大気光学において、実際の基礎となる表面の光学的特性を説明するさまざまな方法があります。 2つの媒体間の平坦な界面の場合（フレネルの式）の場合と同様に、一方向の放射（強度I0または数値的に等しい放射フラックスF0）による表面の照明の場合から始めます。入射放射線の方向を決定する角度は、θ0-天頂入射角、ϕ0-入射角で表されます。反射の方向を定義する角度は、θとϕで表されます。前に述べたように、一般的なケースでは、表面反射は拡散します。最も一般的な反射特性は双方向反射係数rであり、これは入射角（θ0、ϕ0）と反射方向（θ、ϕ）の両方に依存します。それは式によって定義されます。  ここで、I（θ、ϕ）は、（θ、ϕ）の方向に表面によって反射される放射の強度です。 方位角基準の選択は恣意的であるため、物理量（双方向反射係数）はその絶対値に依存できません。 したがって、双方向反射係数は3つの変数の関数です：（、、、、）（、、）θϕθ0 ϕ 0 = θθ0ϕ −ϕ 0 rr。 通常、ϕ0 = 0、つまり すべての方位角は、ディップ方位角からカウントされます。 そしてついに  以前に検討された特殊なケースである鏡面反射は、次の形式で記述されます。  ここで）（Rθ0はフレネル反射係数（式（5.2.4））多くの場合、式（5.3.3）は次の形式で記述されます。  ここで）（δϕ −ϕ 0はディラックのデルタ関数です。放射強度や放射方向に垂直な領域に向けられたフラックスではなく、水平領域に入射する放射フラックスを考慮すると便利なことがよくあります-F = F0 cosθ0。対応する特性は、表面の係数（スペクトル）輝度（SBC）と呼ばれ、式[26、32、33] у − F = F0 cos θ0によって決定されます。  上記の反射特性を簡単に結び付けることができます。  放射伝達の理論では、反射関数を使用して、次の関係で定義される反射（、、）yθθ0ϕ [32]を特徴付けます。  反射のさまざまな特性の定義を使用して、  放射伝達と大気光学の理論における多くの問題では、関心のあるのは反射の詳細な（角度のある）特性ではなく、反射された放射の総エネルギーです。 表面での上向きフラックス  上昇および下降（入射）放射フラックスの比率（つまり、反射放射と入射放射のエネルギー）は表面アルベドです。  ここで、↓Fと↑Fは、入射放射と反射放射のフラックスです。 したがって、表面アルベドは、多くの場合パーセンテージで表され、表面によって反射される入射エネルギーの割合を示します。 したがって、値（1-A）は、吸収された（そして一般的な透明媒体の場合は透過された）エネルギーの割合です。 A = 1の場合は完全に「白い」表面に対応し、A = 0-は完全に「黒い」表面に対応します。 98アルベドの定義に基づいて、導入された反射特性の間には次の関係関係があります。  直交異方性反射の場合を考えてみましょう。定義上、I（θ、ϕ）= constです。式（5.3.5）によれば、これは、角度θおよびφに対するQWLの角度依存性がないことを意味します。 次に、ρ（θ、θ0、ϕ）= A、つまり、直交異方性表面の場合、表面のスペクトル輝度係数は数値的にそのアルベドに等しくなります。関係（5.3.14）から、反射関数の物理的意味は次のようになります）（、、 yθθ0ϕ。式（5.3.11）により、反射の確率として解釈でき、次に反射関数）（、、 yθθ0ϕは方向（θ、ϕ）での反射の確率密度です。 この意味で、関数）（、、 yθθ0ϕは散乱指標の一種の類似物です（セクション2を参照）。したがって、そのまたは正規化された値（、、）1yθθ0ϕ Aは、の指標と呼ばれることもあります。スペクトル輝度係数の重要な特性は、その対称性（可逆性または相反性の規則、ヘルムホルツの法則）です。これは、光源と放射レシーバーの順列によるSSCの不変性を表します。  式（5.3.15）に基づいて、残りの詳細な反射特性には次の関係が有効です。  下にある表面からの反射のもう1つの特性は、反射異方性パラメータです。これは、次の式で定義されます。  アルベドAで非琥珀色の表面を扱っていると仮定します。次に、パラメータ）（、、、、 θϕθ0ϕ0γは、ランバート表面から反射された放射の強度に対するこの表面によって反射された放射の強度の比率を示します。同じアルベドAを使用します。このパラメータは、特定の方向にランバートよりも多く反射する表面では1より大きい場合があり、その逆もあります。 上記の反射のすべての光学特性は、波長の関数であることに注意してください。フレネル反射係数の例で示しました。ある表面の特性については、それがどのスペクトル間隔またはスペクトル領域に属するかを示す必要があります。99放射伝達の理論では、大気全体の反射特性–基礎となる表面システムは次のとおりです。 [26、33]と見なされます。この場合、これらの特性は、大気中の高さの関数と見なすことができます。  アルベドA（z = 0）≠Aのこの定義では、つまり 大気のアルベド-基礎となる表面システムは表面アルベドではありませんが、これはしばしば考慮されません。 大気の上限にあるアルベドとQSWは、大気光学において非常に重要です。 定義により  ここで、F0・cosθ0は、水平領域に入射する太陽放射の大気外フラックスです。 量A（z =∞）は、惑星によって宇宙に反射されたエネルギーの割合であり、フラットアルベドと呼ばれます[26、33]。  平らなアルベドは、惑星の考慮される点と太陽放射の入射角に依存します。 惑星全体からの太陽放射の反射を特徴づけるために、球形アルベドAsの概念が導入されています[26、33]。 惑星を球体と見なすと、その惑星の太陽光線の入射角θ0は0から90°まで変化します。 次に、惑星全体からの反射された太陽放射と、惑星に降り注ぐすべての太陽放射の比率、つまり 球状アルベドは、次の比率によって決定されます。  結論として、表を示します。 5.1、表面または大気の基礎となる表面システムの光学特性を説明するさまざまな方法を説明します。 表5.1 表面または大気の光学特性を説明する方法–基礎となる表面システム  5.4 下にある表面の光学特性の例先に、滑らかな表面、特に水面のフレネル反射率を示しました。表面の物理化学的性質、太陽の高さ、大気の状態への複雑な依存性に注目しながら、さまざまな表面の光学特性をより詳細に分析してみましょう。実際の表面のデータは、これらの表面の理論的および数値的モデリング、ならびに実物大および実験室条件での測定から得られます。現在までに、さまざまな下にある表面のさまざまな光学特性について、多数の実験データが得られています[34、49]。さまざまな表面のアルベドとSBCに関するデータが最も完全に表示されます。これは、対応する測定の相対的な単純さに関連しています。例として、太陽の高さに応じたさまざまな表面のアルベド値を挙げましょう（図5.3）[49]。イチジク。 5.3したがって、アルベドの変動は、太陽の高さが低いときに最も顕著になります。この図はまた、高い太陽の高さでの雪のアルベドの強い変動を示しています。アルベドとQSBのスペクトル特性は非常に多様です。しかし、下にある表面のスペクトルアルベドのすべての多様性にもかかわらず、可視およびNIRスペクトル領域では、それらは4つの主要なクラスにグループ化できることが判明しました。この分類はE.V.によって提案されました。前世紀の40年代にソ連で実施された最初の航空機アルベド測定の結果に基づくクリノフ[18]。 4つのクラスの典型的なアルベドスペクトルを図に示します。 5.4。ファーストクラスには雪と雲が含まれます。それらのアルベドは大きく、UVからスペクトルのNIR領域の始まりまでのスペクトルにわたってわずかに成長します。 2番目のクラスは、土壌、砂、および開いた岩です。それらは、波長の増加に伴うアルベドの滑らかで線形に近い増加を特徴としています。 3番目のクラスは水面です。水のアルベドは小さく、スペクトル全体でほとんど変化しないか、波長の増加とともにわずかに減少します。最後に、4番目のクラスは植生です。緑の植生のアルベドは、複雑なスペクトル動作によって特徴付けられます。緑の色を決定する0.55μmの領域の極大値、0.7μm以降の減少と急激な増加。植生のアルベドはアルベドに近いです。雪と101の雲の。黄色い植生（草原の乾いた草、秋の落葉樹林）も同様のスペクトル挙動を示しますが、0.55μm付近の最大アルベドはそれほど顕著ではありません。  図： 5.3。 さまざまな表面のアルベドの太陽の高さへの依存性[49]。  図： 5.4。 E.L.による分類 自然表面の反射特性のクリノバスペクトル依存性[18]：1-雪と雲。 2-土壌、砂、岩; 3-水面; 4-植生。 アルベドとそのスペクトル依存性のより完全な特性評価のために、図を示します。 5.5 [49]およびタブ。 5.2。  図5.5 さまざまな表面のアルベドのスペクトル依存性[49]。 1-雪、太陽の高さ38°; 2-湿った雪、太陽の高さ27°; 3-湖の水、太陽の高さは56°です。 4-雪解け後の土壌、太陽の高さ24°30 '; 5-サイレージ後の小麦、太陽の高さは54°です。 6-高緑小麦、太陽の高さは56°です。 7-黄色い小麦、太陽の高さ46°; 8-スーダングラス、太陽の高さ52°; 9-黒い土、太陽の高さ40°; 10-穀物の無精ひげ、太陽の高さ35° 表5.2 可視スペクトルの表面アルベド値（パーセント）。  水面0°緯度6 冬、30°緯度9 冬、緯度60°21 夏、緯度30°6 夏、緯度60°7 雪が降ったばかり75–95 古い40-70 海氷30-40 砂（砂丘）乾燥35–45 ウェット20-30 ソイルダーク5-15 灰色、湿った10〜20 乾燥粘土、灰色25-35 ドライライト 砂 25〜45 ドライコンクリート17–27 黒い道5-10 砂漠25-30 サバンナ乾季25-30 雨季15–20 低木15–20 メドウグリーン10–20 落葉樹林10–20 針葉樹5-15 タンドラ15–20 シリアル15-25 上記のデータから次のように、表面のアルベドはそれらのタイプと 状態、太陽の高さ、および大気の状態（雲の存在）。 また、大気光学においても重要な役割を果たしています。 上記のデータからわかるように、表面のアルベドは、そのタイプと状態、太陽の高さ、および大気の状態（雲の存在）に依存します。 アルベドのさまざまなスペクトル依存性も大気光学で重要な役割を果たします。 5.5。下にある表面の放射率スペクトルの赤外線およびマイクロ波領域では、惑星の下にある表面は、それ自体の放射の重要な発生源です。エミッターとしての特性のために、表面の放射率または放射率が導入されています[3、34]。表面の放射率）ε（λ、Tは、同じ温度での完全な黒体の放射強度に対する、温度Tの表面の放射強度の比率です（、）（、）（、）BTITTsλλ ελ=。（5.5.1）103黒体放射は等方性であり、実際の表面の放射については言えません。したがって、一般的な場合、放射率は放射の方向、波長、場合によっては温度に依存します。もちろん、放射率は表面の物理化学的特性（その性質、表面形状など）に大きく依存します。大気光学で広く使用されている重要な関係は、媒体の吸収特性、反射特性、および放射特性の間の関係です。これを導き出すには関係では、媒体との相互作用中の放射エネルギーの変換が考慮されます。媒体から反射し、媒体に吸収され、放射の一部が媒体に入る可能性もあります。これらのプロセスのスティックは、それぞれ、反射率（媒体のアルベド）Aλ、吸収容量Bλ、透過関数Pλを使用します。これらは、入射放射線に対する放射線の対応する成分の比率です。エネルギー保存の法則によれば、これら3つの量の合計は1に等しくなければなりません。  これらのプロセスでは、ラマン散乱や蛍光などの現象を無視できると暗黙のうちに想定されており（セクション4を参照）、波長全体にわたる放射エネルギーの再分配につながります。媒体に入るすべての放射が吸収される（0Pλ=）と仮定すると、より単純な関係が得られます。  さらに、媒体のさまざまな特性間の関係を考慮する場合、放射ελと媒体の吸収Bλ特性。 LTEの場合λλB=εであることも証明されています。次に、関係（5.5.3）から、媒体p  の発光特性と反射特性の関係が続きます。この関係は固定波長で有効であることを忘れてはなりません。したがって、関係（5.5.4）により、表面のスペクトルアルベドから放射率を決定できます。下にある表面の放射率は、そのタイプ、表面形状、波長、および観測角度によって大幅に異なります。実験的および数値的方法を使用してλεを決定します。後者の場合、関係（5.5.4）が広く使用されます。たとえば、滑らかな表面のフレネル反射係数（セクション5.2で説明）を使用すると、その放射率を取得できます。 IRスペクトル領域のさまざまな下にある表面の放射率の例を挙げましょう。これらの特性に関する最も詳細なデータは、下にある表面の温度を決定するために衛星気象学で使用される大気の「透明の窓」で利用できます。テーブル5.3は、8〜14ミクロンのスペクトル範囲での放射率εを示しています。 表5.3 さまざまな表面のIR放射率  現在、実験的方法によって得られた、さまざまな表面の放射率のスペクトル依存性に関する特別なデータバンクがあります。これらのデータは、大気中の放射場をシミュレートするために使用されます–基礎となる表面システム、および基礎となる表面の特性、まず第一にそれらの温度のリモート測定のために。スペクトルのMCW領域における自然表面の放射率の主な特徴は、スペクトルのIR領域と比較した場合の大きな変動性です。したがって、水面の放射率は、その温度、塩分、地表近くの風速、表面状態、および視野角に応じて、0.2〜0.95の範囲になります。また、放射の偏光特性にも依存します（たとえば、波長3 cmの滑らかな海面の反射係数を示す図5.2を参照してください）。一方、多くの地表面の放射率は1に近い（表5.4を参照）[24]。 表5.4 λ= 3.2cmでのさまざまな表面の放射率。  攪拌された海面の放射率を説明するために、励起プロセス自体と、波が砕けるときに発生する表面上の泡の形成の可能性の両方を考慮に入れた、いくつかの半経験的モデルが開発されました。 海面の放射率と、たとえば地表風の速度との関係を確立することで、この速度を決定するためのリモートメソッドを開発することが可能になりました。 |