2.3　傅里葉紅外光譜技術

紅外光譜主要是研究分子中以化學鍵連接的原子之間的振動光譜和分子的轉動光譜，與分子結構密切相關，是表征分子結構的一種有效手段。傅里葉變換紅外光譜學是用于測量紅外活性物質吸收和發射的主要方法。與傳統的分光光譜學方法相比，該方法在信噪比、分辨率、測量速度和探測極限等方面具有很大優勢。本節主要介紹傅里葉變換紅外光譜原理、傅里葉變換紅外光譜系統、傅里葉變換紅外光譜數據分析和處理方法以及典型的傅里葉變換紅外光譜技術應用。當電磁輻射在大氣中傳輸時，其與大氣分子發生相互作用，被大氣組分吸收。吸收來源于組分中原子和分子在分立能級上的躍遷，具有很強的波長選擇性，主要躍遷形式有轉動分子躍遷、振動分子躍遷和分子、原子中電子躍遷。電子能級間躍遷所需能量較大，其吸收目標主要是紫外光子、可見光子和<2μm的近紅外光子；分子轉動能級間的躍遷所需能量較小，吸收主要在>3μm的遠紅外區域；分子振動能級間躍遷所需能量適中，吸收則發生在2～20μm的近中紅外區。不是所有大氣分子在產生轉動和振動躍遷時都對紅外輻射產生吸收，而只有躍遷引起電偶極矩變化的分子才發生紅外輻射吸收。所以，地球大氣中兩個最豐富的成分氧氣和氮氣，由于其對稱的共核分子形態，并不產生紅外吸收。引起紅外吸收的均是偶極矩不對稱的多原子氣體分子。

大氣組分中對紅外輻射有吸收作用的主要氣體包括H₂O、CO₂、O₃、N₂O、CO和CH₄等。表2-2列出了這些組分在近中紅外波段產生吸收的中心波長。

表2-2　大氣組分對紅外輻射的吸收

圖2-14分別給出了不同大氣吸收組分在1～14μm區的低分辨率太陽吸收光譜。

圖2-14　1～14μm區的低分辨率太陽吸收光譜

由圖2-14可以看出，地面紅外觀測在大多數波段上是不透明的，所以對大氣中其他紅外活性氣體的探測分析一般是選擇水蒸氣和二氧化碳氣體吸收較弱的波段，即通常稱之為大氣窗口的3個區域（800～1200cm-1、2000～2300cm-1和2400～3000cm-1）。

紅外輻射被大氣分子吸收的主要特征如下：

①吸收隨波長迅速變化，而且在某些波長處有極大值；

②氣體分子的大量吸收譜線組成的譜帶群，對紅外輻射產生連續吸收，僅在少數幾個波長區域中無吸收或吸收很弱，形成所謂“大氣窗口”區；

③每個吸收譜帶都由大量的重疊或不重疊的譜線組成，這些譜線的相互重疊取決于譜線的位置、半寬度（因而與溫度及氣壓有關）和譜線間隔；

④譜線的位置和強度分布與吸收分子的種類及數量有關。