大气物理学 第四章 地面和大气中的辐射过程 1 辐射的基本概念 2 辐射的物理规律 3 大气对辐射的吸收和散射 4 太阳辐射在地球大气中的传输 5 地球大气系统的长波辐射 6 地面、大气及地气系统的辐射平衡 大气物理学 1 辐射的基本概念 一、电磁辐射 二、辐射场物理量 大气物理学 一、电磁辐射 什么是电磁辐射？它如何进行传输？ 一、电磁辐射 地球和太阳的辐射地球和太阳的辐射 大气物理学 一、电磁辐射 1、辐射与辐射能 辐射能是能量的一种形式，指物质以电磁波的形式放射 的能量，而这种能量传播方式称为辐射。 描述电磁波参量： 波速 c=3108m/s 波长 频率 波数 一、电磁辐射 2、电磁波谱 波长范围：10-16m103m ： 宇宙射线线 射线线X射线紫外线可见光红外线 （微波）无线电波 太阳、地球和大气辐射的波长范围：0.1120m，即紫外、可 见光和红外波段， (m) 名称名称波长范围波长范围 紫外线紫外线100 100埃埃0.40.4微米微米 可见光可见光0.4 0.4微米微米0.760.76微米微米 红红 外外 线线 近红外近红外0.76 0.76微米微米3.03.0微米微米 中红外中红外3.0 3.0微米微米6.06.0微米微米 远红外远红外6.0 6.0微米微米1515微米微米 超远红外超远红外15 15微米微米10001000微米微米 微微 波波 毫米波毫米波1 1 1010毫米毫米 厘米波厘米波1 1 1010厘米厘米 分米波分米波10 10厘米厘米1 1米米 色彩名称色彩名称波长范围波长范围 紫紫0.400.400.430.43微米微米 蓝蓝0.430.430.470.47微米微米 青青0.470.470.500.50微米微米 绿绿0.500.500.560.56微米微米 黄黄0.560.560.590.59微米微米 橙橙0.590.590.620.62微米微米 红红0.620.620.760.76微米微米 不同电磁波的具体波长范围不同电磁波的具体波长范围可见光波长范围可见光波长范围 大气物理学 一、电磁辐射 3、大气科学研究对象：太阳短波辐射、地球和大气长波辐 射 大气物理学 二、辐射场物理量 1、辐射通量：单位时间内通过某一平面的辐射能，也 称为辐射功率，单位为J/S或W。 （1-1） 2、辐射通量密度E：单位面积的辐射通量，或是单位面 积单位时间内通过的辐射能，单位为Wm-2 （1-2） 辐照度 辐出度 3、辐照度E与辐出度F 到达接收面的辐射通量密度称为辐照度，用E表示。 自放射面射出的辐射通量密度称为辐出度，用F表示。 4、分光辐出度F：又称单色辐射通量密度， 指物体温度为 T 时，单位时间内从单位表面发出的波 长在d附近单位波长间隔内的电磁波能量，它表示热 辐射能量按波长的分布，单位为Wm-2m-1。 积分辐出度 F ：对物体所发射的所有波长范围内的分 光辐出度积分。 F d （1-3） 5、辐亮度L ：也称辐射率，它指的是单位立体角、垂直于 辐射传输方向单位面积，单位波长间隔内所通过的辐射 功率，单位为 Wm-2 sr-1m-1。 全自动太阳分光光度 计 dA x、y、z为观测位置坐标； 天顶角 方位角 波长 t 观测时间 （Wm-2 sr-1m-1） （1-4） d 辐射功率； dA 光线通过的面积； d 观测的辐射波长范围； d 所张立体角； A （Wm-2 sr-1m-1） 大气物理学 5、辐亮度L 各向同性：L与观测方向（，）无关（L与方向有关 各向异性。） 均匀辐射：L与观测位置（x, y, z）无关（L是观测位置 的函数非均匀辐射。） 定常辐射：L与时间t无关（ L是时间t的函数非定常辐 射。 ） 朗伯体：辐亮度不随方向而变化的辐射体，通常我们把 太阳、陆地表面都看作是朗伯体。 6、辐射通量密度与辐亮度的关系 （1）朗伯定律 例：设从一无限平面向所有方向均以均一的辐亮度L发射辐 射，问平行于此表面的平面上的辐照度E等于多少？（P66 ） 解：通过空间某一平面的辐照度，可把从各个方 向射来的辐亮度在垂直方向的分量累加起来， 球坐标： 大气物理学 6、辐射通量密度与辐亮度的关系 朗伯定律：对于发射辐射的表面，如果向半球空间各方向 发射的辐亮度均为L（朗伯体），则在该面上的辐出度为 L。 （1-5） 大气物理学 （2）平面平行大气辐射通量密度与净辐射通量密度 平面平行大气：考虑到大气中各种变量在水平方向 的变化率远小于垂直方向的变化率，因此经常可假 设大气是水平均一的，相应的大气模型在大气辐射 学中称为平面平行大气。 6、辐射通量密度与辐亮度的关系 平面平行大气辐射通量密度： 可把从各个方向射来的辐亮度在垂直方向的分量累加起来 ，其计算公式为 计算水平面上的辐射通量密度，分别对从上半球 和下半球入射辐射的垂直分量进行积分 （1-6 ） （1-7 ） 净辐射通量密度或净辐照度: （1-8 ） 若对一薄层大气，上边界为 ，下边界为z， 若上边界净辐射通量密度是向下的，下边界净辐射通量 密度是向上，则辐射能收支为正，气层温度升高；反之 降温。 大气物理学 2 辐射的物理规律 一、吸收率、反射率和透射率 二、黑体与灰体 三、平衡辐射的基本规律 一、吸收率、反射率和透射率 QQ 0 0 QQ r r QQ a a QQ t t 吸收率 反射率 透射率 （2-1） 大气物理学 水分含量对玉米叶子反射率的影响 大气物理学 不同土壤的反射波谱曲线 大气物理学 各种地表对太阳辐射的反射率（%） 地表反射率地表反射率 森林310雪地（新雪）80 田地（绿色）315雪地（陈雪）5070 田地（已开垦的 干地） 2025冰5070 草地1530水面h4024 裸地720水面h=5 30 640 沙地1525 大气物理学 以上图表可以说明什么？ 物体的吸收率、反射率和透射率大小随着辐射的波长 和物体的性质而改变。 大气物理学 二、黑体与灰体 绝对黑体：若物体对于投射到其上所有波长的辐射都能 全部吸收的物体称为绝对黑体。故有： 相对黑体：物体仅对某一波长辐射能全部吸收。 A=1,R=0 灰体：A小于1且不随波长而变化的物体。 若物体不透明,则透射率= ，吸收率A=1-R。 大气物理学 二、黑体与灰体 实验室黑体：密闭空腔，内涂烟黑，烟黑吸收率90% Q0 大气物理学 二、黑体与灰体 实验室黑体：密闭空腔，内涂烟黑，烟黑吸收率90% Q0 RQ0 大气物理学 二、黑体与灰体 实验室黑体：密闭空腔，内涂烟黑，烟黑吸收率90% Q0 RQ0 R2Q0 大气物理学 二、黑体与灰体 实验室黑体：密闭空腔，内涂烟黑，烟黑吸收率90% Q0 RQ0 R2Q0 RnQ0 吸收率1-Rn 大气物理学 二、黑体与灰体 黑色物体与黑体的区别？ 黑色物体只表明它对可见光的反射性质，而对非可见光 的吸收无法判定，而黑体是对整个电磁波谱范围内所有 波长或某一特定波长而言，它对辐射是全部吸收的，它 考虑的是对辐射的吸收性质。 大气物理学 三、平衡辐射的基本规律 1、辐射平衡 当物体放射出的辐射能等于它吸收的辐射能时，则称该 物体处于辐射平衡状态，这时物体处于热平衡态，可用 一态函数温度T来描述，因此平衡辐射又称为温度辐射 。 2、基尔霍夫定律 （1）在一定温度下，对某一特定波长而言，任何物体的 辐出度与吸收率之比是一个普适函数，该函数只与温度和 波长有关，而与物体的其它性质无关。即具有选择吸收性 。 （2-2） FB(,T)绝对黑体的分光辐出度； F,T物体的辐出度 A,T物体的吸收率 （2）比辐射率 ：物体的放射能力和黑体的辐射能力之比 。 （2-3 ） （3）基尔霍夫定律的意义： 它将物体的放射与吸收联系起来了，只要知道某物体的吸收率就 可以知道其放射率，反之亦然。 它把各种物质的吸收、放射与黑体的辐射能力联系起来。使我们 有可以通过研究黑体的辐射来了解一般物体的辐射。而对于黑体 的研究，无论从理论上还是实验上都比较简单。 3、普朗克定律 绝对黑体辐射率仅是波长和温度的函数，单位为Wm-2m-1。 （2-4） FB(,T) 为绝对黑体的分光辐出度 第一辐射常数C1=3.7427108Wm4m-2 第二辐射常数C2= 14388mK 由于绝对黑体是朗伯体，根据朗伯定律， （2-5） B(,T) ：绝对黑体的分光辐亮度， 也称普朗克函数， 单位为 波长 B(,T) 大气物理学 4、斯蒂芬-玻尔兹曼定律 黑体的积分辐出度FT与温度T的四次方成正比。 （2-6） （=5.669610-8 Wm-2K-4） FT黑体的积分辐出度 斯蒂芬-玻尔兹曼常数， 有效温度Te：将物体视作绝对黑体时计算出的温度。 5、维恩定律 黑体辐射光谱极大值对应的波长(max) 与其本身温度(T) 的乘积为一常数。 （2-7） （ b=2897.8mK） 颜色温度Tc：由光谱测定物体温度。 Planck functionWiens LawStefan-Boltzman law 小 结：普朗克定律给出绝对黑体的分光辐出度与波长、温度 的关系，从而绘出黑体辐射光谱曲线，而Wien位移定律描述 了曲线中辐射能力最强对应的波长与温度的关系，Stefan- Boltzmann Law则描述了黑体积分辐射能力与温度的四次方 成正比，基尔霍夫定律把任何物体和绝对黑体联系起来。 6、太阳辐射与地球辐射的差别 大气物理学 6、太阳辐射与地球辐射的差别 太阳近似为温度为6000K的黑体 地面近似温度为300K的黑体 太阳辐射的能量集中在0.1m至4.0m之间，地球大气辐 射的能量主要集中在4m至120m之间。 太阳辐射为短波辐射，称地气辐射为长波辐射。短波和 长波辐射以4m分界。 作业：（P120）习题1、3、4 大气物理学 3 大气对辐射的吸收和散射 一、大气对辐射的吸收 二、大气对辐射的散射 三、辐射能在介质中的传输 大气物理学 1、大气对辐射吸收的物理过程 （1）大气分子的选择吸收 Emission spectrum of H (cont.) Light Bulb Hydrogen Lamp Quantized, not continuous 单个分子，当它处于某一特定运动状态时，其分子内部总能量E 由三部分组成，且均为量子化的。 E = Ee + Ev + Er（5.3.1） Ee：电子轨道能量 Ev：原子振动能量 Er：分子转动能量 选择性吸收是指介质的分子被入射辐射激发，从低能级跃迁 到高能级，两个能级的差就是介质吸收的辐射能量。由于分 子能量的变化是不连续的，从而吸收的辐射须满足一定波长 ，也就是气体分子对辐射的吸收具有波长选择 性。而辐射过 程正好相反。 大气物理学 1、大气对辐射吸收的物理过程 （2）光化反应 分子吸收足够的辐射能分裂为原子，不稳定的原子结合 成较稳定的分子释放多余的辐射能。 光化反应所要求的辐射波谱可以为连续谱，只要其中的 波长短到使一个光子所提高的化学能足以造成分子的光 解。其它能量转化为原子的动能，使气体的温度增高。 地球大气中，大多数光化反应需要有紫外辐射和可 见光辐射。 大气物理学 1、大气对辐射吸收的物理过程 （3）光致电离 任何原子都能被波长非常短的辐射所电离。具有足 够能量的光子把电子从绕原子核旋转的外层轨道上 剥离开来，这种过程称为光致电离。 也象光化反应那样，光致电离要求辐射具有低于一 定的临界能量波长的连续波。引起电离的辐射波长 通常小于