2.3　傅里叶红外光谱技术

红外光谱主要是研究分子中以化学键连接的原子之间的振动光谱和分子的转动光谱，与分子结构密切相关，是表征分子结构的一种有效手段。傅里叶变换红外光谱学是用于测量红外活性物质吸收和发射的主要方法。与传统的分光光谱学方法相比，该方法在信噪比、分辨率、测量速度和探测极限等方面具有很大优势。本节主要介绍傅里叶变换红外光谱原理、傅里叶变换红外光谱系统、傅里叶变换红外光谱数据分析和处理方法以及典型的傅里叶变换红外光谱技术应用。当电磁辐射在大气中传输时，其与大气分子发生相互作用，被大气组分吸收。吸收来源于组分中原子和分子在分立能级上的跃迁，具有很强的波长选择性，主要跃迁形式有转动分子跃迁、振动分子跃迁和分子、原子中电子跃迁。电子能级间跃迁所需能量较大，其吸收目标主要是紫外光子、可见光子和<2μm的近红外光子；分子转动能级间的跃迁所需能量较小，吸收主要在>3μm的远红外区域；分子振动能级间跃迁所需能量适中，吸收则发生在2～20μm的近中红外区。不是所有大气分子在产生转动和振动跃迁时都对红外辐射产生吸收，而只有跃迁引起电偶极矩变化的分子才发生红外辐射吸收。所以，地球大气中两个最丰富的成分氧气和氮气，由于其对称的共核分子形态，并不产生红外吸收。引起红外吸收的均是偶极矩不对称的多原子气体分子。

大气组分中对红外辐射有吸收作用的主要气体包括H₂O、CO₂、O₃、N₂O、CO和CH₄等。表2-2列出了这些组分在近中红外波段产生吸收的中心波长。

表2-2　大气组分对红外辐射的吸收

图2-14分别给出了不同大气吸收组分在1～14μm区的低分辨率太阳吸收光谱。

图2-14　1～14μm区的低分辨率太阳吸收光谱

由图2-14可以看出，地面红外观测在大多数波段上是不透明的，所以对大气中其他红外活性气体的探测分析一般是选择水蒸气和二氧化碳气体吸收较弱的波段，即通常称之为大气窗口的3个区域（800～1200cm-1、2000～2300cm-1和2400～3000cm-1）。

红外辐射被大气分子吸收的主要特征如下：

①吸收随波长迅速变化，而且在某些波长处有极大值；

②气体分子的大量吸收谱线组成的谱带群，对红外辐射产生连续吸收，仅在少数几个波长区域中无吸收或吸收很弱，形成所谓“大气窗口”区；

③每个吸收谱带都由大量的重叠或不重叠的谱线组成，这些谱线的相互重叠取决于谱线的位置、半宽度（因而与温度及气压有关）和谱线间隔；

④谱线的位置和强度分布与吸收分子的种类及数量有关。