海面向上光輻射
正文
包括光從海面向大氣的反射、海洋水體向大氣的光輻射和海面熱輻射，是海洋光學的重要研究內容。海面光輻射和海洋環境特性之間的關係是光學遙感技術探測海洋的主要依據。光在海面的反射和折射 光在海面的反射和折散服從反射定律和折射定律。垂直偏振光的反射係數ρ寏和平行偏振光的反射係數ρ‖隨入射角的變化不同(圖1)，它們遵從A.J.菲涅耳公式：
式中θa為水面上的入射角;θw為相應的折射角。θa+θw=90°時，ρ‖＝0；此時θa＝θB＝53.3°，稱為布儒斯特角。當漫射光投射于海面時，海面總反射係數為對各個方向反射係數的積分，約為5.2～6.6％。入射角和反射角之間的關係決定於斯涅爾公式
nasinθa＝nwsinθ
式中na、nw分別為空氣和海水的折射率。因此，天空光通過平靜的海面進入水體後,被壓縮成48.2°的錐形光束。當入射光束的立體角較小時，水面上入射立體角Ωa和水面下折散光束立體角Ωw之比為
由於光束立體角的壓縮，使光從空氣進入水體後的輻射度增強到n2倍。 海面受風作用時產生隨機起伏，這種風生的海面斜率的隨機分布屬於高斯分布，故海面的均方斜率和風速成正比。在太陽高度角較小或觀察角較大的情況下，當風速增加時，海面均方斜率的增加，使海面平均入射角減小，導致海面平均反射係數減小。在太陽高度較大或觀察角較小的情況下，當風速增加時，由於海面斜率遵從高斯分布，均方斜率雖然增加，但平均入射角變化不大，因此海面平均反射係數幾乎不隨風速而變(圖2)。利用起伏海面的反射可探測海洋波浪的重要信息。用航空攝影獲取的海浪對直射太陽光的反射圖像（耀斑圖像）,其耀斑的空間坐標和海面的斜率相對應,由此得到海浪斜率的分布。根據均方斜率數據，可估計海面的風場。用航空攝影獲取的海浪對漫射光的反射圖象，其灰度和海面的斜率有關，經過信息處理，可獲得海浪的功率譜和方向譜（見海浪譜）。 海面向上光譜輻射 太陽光通過海面進入水體後，在傳輸過程中受到水體的吸收和散射。經海面返回大氣的回向散射光，即為海面向上的輻射。這種吸收和散射的光譜性質，使海面向上的輻射具有光譜特徵而又稱為海面向上光譜輻射（圖3）。
太陽輻射在海面上的輻照度為Es，通過海面產生的向下輻照度為Ed(0)，到達深度z處的向下輻照度
其中k為輻照度衰減係數。向上輻照度
Eu(z)=R(z)·Ed(z)
其中輻照度比R(z)決定於水體的體積散射函式β(θ)和吸收係數ɑ。深度為z的水平面的向上輻射，可看成漫射表面的輻射，故向上輻亮度Lu(z)=Eu(z)/π
海表面之下的向上輻亮度 Lu(0)決定於水體向上輻亮度的積分
其中μ為水體的線性衰減係數。海面之上的向上輻亮度Lw即為Lu(0)透過海表面的輻亮度。輻照度衰減係數к、體積散射函式β(θ)、吸收係數a、線性衰減係數 μ等海洋光學參數，都和波長有關。在吸收愈弱、散射愈強的光譜波段，海面向上輻亮度也愈強。
海面向上的光譜輻射和海水的水質密切相關，它決定了海色：清潔的大洋水呈藍色，含泥沙的沿岸水呈黃色,葉綠素含量較高的營養水呈綠色。葉綠素在450nm波長附近是強吸收帶，在550nm附近為強透射帶。因此,當海水中葉綠素濃度增加時,海面的向上光譜輻射在450nm處減小，在550nm米處增大（圖4）。海面向上光譜輻射的相對變化，是探測海水中葉綠素含量的重要信息。用光學遙感探測海面向上光譜輻射,必須作大氣輻射校正。通過海洋-大氣系統的向上光譜輻亮度
其中τ為表面海水的透射係數；Ls為天空入射光輻亮度；Ta為大氣透射係數；L*為大氣散射引入的大氣路徑輻亮度。必須消除大氣的影響，才能提取反映海面和海水的光學性質的海面反射輻亮度Lr和海面向上輻亮度Lw的信息。
海面熱輻射 任何物體的熱輻射決定於其濕度和比輻亮度。海面的溫度在273開時,比輻亮度為0.98～0.99（黑體的比輻亮度為1）。因此,海面熱輻射的光譜分布幾乎和黑體相同,其峰值在8～14μm的中紅外波段上,又稱為海面紅外輻射。根據史蒂芬-波爾茲曼定律,黑體總輻亮度和溫度的4次方成正比,故可以用紅外遙感手段探測海面的溫度（稱為紅外等效溫度）。當海面受污染物（如油膜等）覆蓋時，其比輻亮度小於0.98，導致測得的紅外等效溫度降低，故可依紅外等效溫度降低的大小，來判斷海面污染的程度和污染物的性質，這已成為紅外遙感探測海面污染的有效途徑之一。
