物体的热辐射

任何温度高于绝对零度(0K=-273.16℃)的物体都有分子热运动，能产生中远红外的电磁辐射。这种由物体内部粒子热运动产生的电磁辐射称为热辐射。大量事实证明；不同温度下物体发出的电磁辐射强度及其按波长的分布是不同的。因此，用温度作为热辐射能量的绝对量度是一种非常方便的方法。

为了方便地讨论物体的热辐射性质，需要有一个理想的标准热辐射体作为参考源，即绝对黑体。绝对黑体定义为:在任何温度下，任何波长的入射辐射的吸收系数(率)α(λ，T)总是等于1，即α(λ，T)=1的物体称为绝对黑体，简称黑体。显然，黑体的反射率γ=0，透射率c=0。

黑体是辐射能力最强的物体。一般来说，物体的辐射比黑体的辐射小。因此，基于黑体表达的是发射率，也称为比辐射率。它的定义是同一温度下目标物体的辐射与黑体的辐射之比，常以ε表示。光谱发射率是指特定波长下单位波长宽度的辐射量之比。

1860年，基尔霍夫在实验中发现，在同一温度下，任何物体发射某一波长电磁波的能力与其吸收该波长电磁波的能力成正比。黑体吸收电磁波的能力最强，所以发射电磁波的能力也最强。

1900年，普朗克用量子论的概念推导出热辐射定理，其解析式为:

遥感地质学

其中c是真空中的光速；h为普朗克常数，其值为6.626×10-34焦耳秒；k为玻尔兹曼常数，值为1.3806×102-3焦耳/千牛。

普朗克公式与各种温度下的实验黑体辐射光谱曲线符合得很好(图2-2)。从图中可以直观地看出黑体辐射的三个特点:①总辐射通量密度，与曲线下面积成正比，随温度升高而迅速增加。在从零到无穷大的波长范围内，对普朗克公式进行积分，得到单位面积黑体辐射到半球空间的总辐射通量表达式如下:

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图2-2不同温度下的黑体光谱曲线

在那里它被称为斯蒂芬·玻尔兹曼常数。可以看出，黑体辐射通量密度的增加与绝对温度的四次方成正比，这就是所谓的斯蒂芬玻尔兹曼定律。②光谱辐射通量密度峰值波长λmax随温度升高向短波方向移动，称为维恩位移定律。图2-2中的虚线是这些峰值的轨迹。(3)各曲线互不相交，所以温度越高，各波长的光谱辐射通量密度越大，即随着t的增大而增大。

物体根据其辐射特性一般分为三类:第一类是黑体，发出的辐射最大(发射率为1)，发射率与波长无关。第二种是灰体的发射率与波长无关(图2-3)，但其发射辐射比黑体小。比如土壤在20℃时的发射率为0.92-0.95，水在相同温度下的发射率为0.96，两者都相当接近黑体。第三类是选择性辐射体，其发射率随波长而变化，是对原子、分子有较强辐射吸收作用的物体，如汞灯、氙灯等。

黑体、灰体和选择性辐射体的辐射通量密度谱根据波长分布而不同。需要指出的是，黑体不一定是黑色，灰体不一定是灰色。比如大理石在可见光下是白色的，但在814μm红外波段的发射率是0.95，几乎是黑体。

图2-3物体发出的三种辐射

(2)物体的热惯性

热惯性(P)是物体对环境温度变化的热响应灵敏度的量度。热惯性越大，对环境温度变化的热响应越慢。它是描述物体热特性的宏观物理量。与物体的密度和热参数的关系如下:

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单位是焦耳/厘米2秒1/2度。其中k是以cm2/s为单位的热扩散系数，表示物体的温度变化率。ρ是密度，单位为克/立方厘米。c是以焦耳/克为单位的比热。

牛顿冷却定律和热传导方程可以证明，当物体吸收或损失的热能相同时，它们的温度变化幅度与热惯性成反比。热惯量大的物体温度变化幅度小，而热惯量小的物体温度变化幅度大。表7-6给出了一些岩石和水的热参数值。

图2-4显示了白云石、石灰岩和花岗岩在一个太阳日循环中的温度变化曲线。根据表7-6给出的热惯量值，三种岩石的热惯量顺序为:P白云岩> P灰岩> P花岗岩。因此，三种岩石在一个太阳日循环中的温度变化幅度存在明显差异，昼夜温差最大的顺序为:δ t白云石

图2-4三种不同热惯量岩石的温度日变化曲线

热红外遥感的最佳探测时间是黎明前后和中午。其中，黎明前后的热红外图像反映了各种物体的热特征，热惯量大的物体在图像中表现出“暖”的特征，而热惯量小的物体表现出“冷”的特征；中午的图像反映了地物的反射特征，显示了地形特征。利用这两幅图像的信息特征，可以达到区分和辨别地物的目的。

热红外遥感已广泛应用于环境监测，如监测火山活动、森林火灾、地下煤炭自燃、江河湖海污染、资源调查等。例如，寻找水源、地质测绘、勘探地热、铀和硫化物矿床等。