目录、行星大气透射光谱1相关知识点2不同分子的吸收波段.3行星大气透射光谱计算原理P4典型系统吸收光谱例子..6二、行星自身光谱1反射光谱的计算(1)反照率...8(2）大气吸收..9..102行星热辐射光谱的计算(1）行星有效温度(近似为行星平衡温度)11三、行星大气吸收深度的计算121改变恒星光谱122改变恒星半径....133改变行星半径134改变行星重力（标高）13四、天文观测台址介绍.151智利北部阿拉卡玛沙漠.152AustralianAstronomicalObservatory...163SouthAfricanAstronomical Observatory..17174Roquedelos MuchachosObservatory5MaunakeaObservatory.186LickObservatory..187LIGOHanfordObservatory....198兴隆观测站209四川稻城..202110 Xinjiang Astronomical Observatory
目 录 一、行星大气透射光谱. 1 1 相关知识点. 1 2 不同分子的吸收波段. 1 3 行星大气透射光谱计算原理. 5 4 典型系统吸收光谱例子. 6 二、行星自身光谱.7 1 反射光谱的计算. 7 （1）反照率. 8 （2）大气吸收. 9 2 行星热辐射光谱的计算.10 （1）行星有效温度（近似为行星平衡温度）.11 三、行星大气吸收深度的计算.12 1 改变恒星光谱.12 2 改变恒星半径.13 3 改变行星半径.13 4 改变行星重力（标高）.13 四、天文观测台址介绍.15 1 智利北部阿拉卡玛沙漠.15 2 Australian Astronomical Observatory.16 3 South African Astronomical Observatory.17 4 Roque de los Muchachos Observatory.17 5 Maunakea Observatory.18 6 Lick Observatory. 18 7 LIGO Hanford Observatory. 19 8 兴隆观测站.20 9 四川稻城.20 10 Xinjiang Astronomical Observatory. 21
五、观测窗口计算231凌星窗口的推算.232观测窗口的判定标准.23六、望远镜参数的选择.251望远镜的几个重要参数..252望远镜选择的基本原理....25七、光谱探测误差模型.281恒星噪声.....28..292背景噪声..323探测器噪声.344望远镜热噪声..5稳定性噪声...356其他系统噪声36八、信噪比的提升..371信噪比提升的意义..37.372信噪比提升的途径附录：..391坐标转换...392黑体辐射39
五、观测窗口计算.23 1 凌星窗口的推算.23 2 观测窗口的判定标准.23 六、望远镜参数的选择.25 1 望远镜的几个重要参数.25 2 望远镜选择的基本原理.25 七、光谱探测误差模型.28 1 恒星噪声.28 2 背景噪声.29 3 探测器噪声.32 4 望远镜热噪声.34 5 稳定性噪声.35 6 其他系统噪声.36 八、信噪比的提升.37 1 信噪比提升的意义.37 2 信噪比提升的途径.37 附录：.39 1 坐标转换.39 2 黑体辐射.39
一、行星大气透射光谱1相关知识点光学深度（opticaldepth）T表征物质不透明性的量度，即介质吸收辐射的能力的量度其可由人射辐射强度与出射辐射强度之比来定义，若入射到吸收物质层的人射辐射强度为lo，经过介质透射后的辐射强度为1，则1=loe-T。不透明度（Opacity）是一种描述物质对辐射吸收能力强弱的量．某波段上物质的不透明度越大，则该物质对该波段辐射的吸收能力越强，那么透过的辐射越少，也就是说该物质对这个波段的辐射变得不透明了。不透明度通常用吸收系数k来定量描述。同种物质在不同频率上的不透明度可能大不相同，这取决于该物质在不同波段上对辐射的吸收机制，吸收截面（absorptionCross-section）α是对物质吸收过程中吸收发生的概率的量度，与散射截面类似。当辐射穿过介质时，介质中的粒子有一定概率被特定波段的辐射激发，吸收截面的作用就是在微观上描述这种概率，不同分子的吸收截面可以通过查找数据库的方式获得，例如HITRAN和EXOMOL?光学深度T、吸收系数k和吸收截面o实际上是在物质整体和粒子个体、宏观与微观的不同角度上，来描述辐射穿过介质时的衰减状况或被吸收的程度，他们是可以互相转化的相互转换关系如下T=k*ds(1-1)(1-2)g= k/n其中s是辐射穿过介质的路径，n是介质的数密度。2不同分子的吸收波段由于不同的分子的微观结构不同导致的物理性质的差异，其表现出的对不同波段上的辐射的吸收能力也大相径庭。同时，即使是同一种分子，在温度与压强发生变化时，吸收波段也会产生变化。表1-1中给出了不同分子在0.4－16μm范围的吸收线，其中加粗字体表示的是该分子的主要吸收线。例如，H20分子在0.4-1μm上有6条吸收线，在1-5μm上有4条吸收线且2.69μm的吸收线尤为显著，在11-16μm上是连续吸收带；而c02分子主要在4.25μm和15μm处有吸收带，同时在1-5μm上还有4条吸收线；另外比较重要的还包括Na的0.589μm吸收线等。需要注意的是，部分分子在某些波段上呈现出的是吸收带的形式而非吸收线，例如，TiO分子和VO分子在0.4－1μm上均有带状吸收.并且，实际观测时的情况并不如实验室中的状况，由于多种谱线致宽因素以及观测光谱分辨率的限制，实际观测得到的吸收线也是存在一定宽度的。图1-1给出了不同分子在0.4－10μm范围内吸收线或吸收带的分布，可以看到有些分1 http://cfa-www.harvard.edu/hitran2http://www.exomol.com1
1 一、行星大气透射光谱 1 相关知识点 光学深度（optical depth）τ表征物质不透明性的量度，即介质吸收辐射的能力的量度。 其可由入射辐射强度与出射辐射强度之比来定义，若入射到吸收物质层的入射辐射强度为 I0，经过介质透射后的辐射强度为 I，则 I = I0e−τ。 不透明度（Opacity）是一种描述物质对辐射吸收能力强弱的量。某波段上物质的不透 明度越大，则该物质对该波段辐射的吸收能力越强，那么透过的辐射越少，也就是说该物质 对这个波段的辐射变得不透明了。不透明度通常用吸收系数 k 来定量描述。同种物质在不同 频率上的不透明度可能大不相同，这取决于该物质在不同波段上对辐射的吸收机制。 吸收截面（absorption Cross-section）σ是对物质吸收过程中吸收发生的概率的量度，与 散射截面类似。当辐射穿过介质时，介质中的粒子有一定概率被特定波段的辐射激发，吸收 截面的作用就是在微观上描述这种概率。不同分子的吸收截面可以通过查找数据库的方式获 得，例如 HITRAN1和 EXOMOL 2。 光学深度τ、吸收系数 k 和吸收截面σ实际上是在物质整体和粒子个体、宏观与微观的 不同角度上，来描述辐射穿过介质时的衰减状况或被吸收的程度，他们是可以互相转化的， 相互转换关系如下 τ = k ∗ ds (1-1) σ = k/n (1-2) 其中 s 是辐射穿过介质的路径，n 是介质的数密度。 2 不同分子的吸收波段 由于不同的分子的微观结构不同导致的物理性质的差异，其表现出的对不同波段上的 辐射的吸收能力也大相径庭。同时，即使是同一种分子，在温度与压强发生变化时，吸收波 段也会产生变化。 表 1-1 中给出了不同分子在 0.4 − 16μm 范围的吸收线，其中加粗字体表示的是该分子 的主要吸收线。例如，H2O 分子在 0.4 − 1μm 上有 6 条吸收线，在 1 − 5μm 上有 4 条吸收 线且 2.69μm 的吸收线尤为显著，在 11 − 16μm 上是连续吸收带；而 CO2分子主要在 4.25μm 和 15μm 处有吸收带，同时在 1 − 5μm 上还有 4 条吸收线；另外比较重要的还包括 Na 的 0.589μm 吸收线等。 需要注意的是，部分分子在某些波段上呈现出的是吸收带的形式而非吸收线，例如，TiO 分子和 VO 分子在 0.4 − 1μm 上均有带状吸收。并且，实际观测时的情况并不如实验室中的 状况，由于多种谱线致宽因素以及观测光谱分辨率的限制，实际观测得到的吸收线也是存在 一定宽度的。 图 1-1 给出了不同分子在 0.4 − 10μm 范围内吸收线或吸收带的分布，可以看到有些分 1 http://cfa-www.harvard.edu/hitran 2 http://www.exomol.com
子在这个波长范围内几乎都有吸收，例如H20分子、NH3分子和CH4分子等，而有些分子仅在某几个波长处或某段上有明显吸收，例如CO分子等，这与不同分子对辐射的吸收机制有关，图1-2中给出了常见的28种大气分子的吸收特征光谱，对比表1-1和图1-1中的数据可以更加直观地掌握这些分子的特征谱线．还是以H20分子为例，其在约3μm以下有若干吸收峰，而最高峰就是2.69μm的吸收峰，同时在更长波段上呈现出连续吸收的形式。2
2 子在这个波长范围内几乎都有吸收，例如H2O 分子、NH3分子和 CH4分子等，而有些分子仅 在某几个波长处或某段上有明显吸收，例如 CO 分子等，这与不同分子对辐射的吸收机制有 关。 图 1-2 中给出了常见的 28 种大气分子的吸收特征光谱，对比表 1-1 和图 1-1 中的数据 可以更加直观地掌握这些分子的特征谱线。还是以H2O 分子为例，其在约 3μm 以下有若干 吸收峰，而最高峰就是 2.69μm 的吸收峰，同时在更长波段上呈现出连续吸收的形式
表1-1不同分子在0.4－16μm范围的吸收线0.4-1μm1-5μm5-11μm11-16μmR,~Few300>3020base-tensline300300300300R, de-sired*H206.20.51,0.57,1.13,1.38,conti-0.65,0.72,1.9,2.69nuum0.82,0.94*CO21.21,1.57,15.01.6,2.03,4.2513.7C2H21.52,3.07.53HCN-3.014.0-3.4C2H612.1--0.45-4.7039.1,9.614.30.75(theChappuisband)HDO2.7,3.677.13--*CO1.57,2.35,.--4.7020.58,0.69,.-0.76,1.271.5,NH30.55,0.65,2,6.1,10.50.932.25,2.9,3.0PH34.38.9,10.1.*CH40.48,0.57.1.65,2.2,6.5,7.7-0.6,0.7,2.31,2.37,3.30.79,0.86,CH.D6.8,7.7,?3.34,4.58.6C2H46.9,10.53.22,3.34-H2S2.5,3.8.7-SO247.3,8.8--N202.8,3.9,7.7,8.5-4.5NO23.413.56.2,7.7H2-2.12--H2.0,3-4.5--He1.083--*Na0.5891.2-*K0.76---Tio1-3.50.4-1-vO0.4-11-2.5-FeH0.6-11-2-TiH0.4-11-1.6--Rayleigh0.4-1--Cloud/yespossiblesilicates,-hazeetc.HHa0.66HHB0.486Ca0.8498,0.8542,0.86623
3 表 1-1 不同分子在 0.4 − 16μm 范围的吸收线