大气物理学：01辐射概念规律

1、1,第五章地面和大气中的辐射过程,学习要求,提前预习 课堂听讲 习题（复习）,3,第五章地面和大气中的辐射过程,大气运动的能量来源于太阳辐射，地面和大气中的辐射过程从大尺度 开始控制了地球大气系统的能量平衡， 从而决定了地球气候的基本特征。,大气辐射学,研究辐射能在地球-大气系统内传输和转换的规律及其应用，属大气物理学的一个重要分支。 是天气学、气候学、动力气象学、应用气象学、大气化学和大气遥感等学科的理论基础之一。,学习、研究的意义,学习、研究的意义,辐射能是地面和大气的基本能量来源，辐射是地气系统与宇宙空间能量交换的唯一方式 辐射传输规律是大气遥感的理论基础 数值天气预报中需要定量化考察大

2、气辐射过程 气候问题辐射强迫 近年来人类活动造成的地球大气气候变迁成为大气科学研究热点，其原因也在于人类活动所排放的某些物质会改变地球大气中的辐射过程所致。,光的本性之争 17世纪70年代 微粒说（牛顿）和波动说（胡克、惠更斯） 光学1704 19世纪初波动说（横波）占统治地位（托马 斯.杨和菲涅耳） 20世纪统一,简史,麦克斯韦和电磁场方程的建立 W. Weber (1804-1891) G. F. B. Riemann (18261866) James Clerk Maxwell (1831-1879) 1887年，德国物理学家赫兹(HRHenz，18571894)才用实验证实了麦克斯韦关

3、于电磁波的预言 “法拉第一麦克斯韦的电动力学使物理学家们在长期犹豫不决之后，终于逐渐地放弃了有可能把全部物理学建立在牛顿力学之上的信念。”爱因斯坦文集,简史,1880-1900七大实验 1887年赫兹证实电磁波-光电效应 1887年的迈克耳孙一莫雷实验以太 1895年伦琴发现了X射线 1896年贝可勒尔发现了放射性辐射 1897年J.J. 汤姆孙发现电子 1898年居里夫妇发现放射性元素 Planck黑体辐射实验,简史,简史现代大气辐射学的理论基础,Max Planck (1858-1947) 德国物理学家 1901：Plancks Law 1918 Nobel Prize Quantum t

4、heory,Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887) 德国物理学家 1859：Kirchhoffs Law 光谱学 电学 发现了铯和铷,简史现代大气辐射学的理论基础,Joseph Stefan (1835-1893) 奥地利物理学家、诗人 1884：Stefan-Boltzmann law Stefan flow 热学 电磁学 1904 Nobel Prize,There always something will remain, that we shall not know, why?,简史现代大气辐射学的理论基础,Ludwig Boltzmann (1844-

5、1906) 奥地利物理学家 1884：Stefan-Boltzmann law （理论推导） 统计力学,简史现代大气辐射学的理论基础,Lord Rayleigh(John William Strutt 1842-1919) 英国物理学家 1871：Rayleigh Scattering 声学 电学 1904 Nobel Prize,简史现代大气辐射学的理论基础,Wilhelm Wien (1864-1928) 德国物理学家 1893：Wiens Displacement Law 1911 Nobel Prize 定义 black body,简史现代大气辐射学的理论基础,简史现代大气辐射学的理论

6、基础,Gustav Mie (1868-1957) 德国物理学家 1908：Mie theory,简史现代大气辐射学的完善,20世纪20年代：计算地-气系统的辐射收支 30年代：辐射传输的基本原理 1950年：美籍巴基斯坦学者Subramanyan Chandrasekhar 1983 Nobel Prize,Radiative Transfer Clarendon Press, Oxford, 1950, reprinted by Dover Publications, New York, 393 pp., 1960.,简史现代大气辐射学的完善,1964:英国Richard M. Goody

7、 Atmospheric Radiation, Theoretical Basis, (second edition by R. M. Goody and Y. Yung), Oxford University Press, 436 pp., 1964, 519 pp., 1989. 1969：苏联地球物理学家Kondratyev, K. Ya. Radiation in the Atmosphere. Academic Press,简史现代大气辐射学的完善,70年代后：非球形粒子的吸收和散射、辐射传输方程的数值解法,简史近年来的主要研究,发展大气遥感探测的理论和方法 建立具有物理基础的实际大

8、气辐射模式 人类活动对全球气候和局地大气环境的影响 太阳活动的变化对气候的影响,简史华人的贡献,1932年：严济慈采用照相光度术方法，精确测定了臭氧在全部紫外区域（即215-345纳米）的吸收系数，并发现了若干新光带 国际臭氧委员会把严济慈精确测定的吸收系数定为标准值，各国气象学家用以每日测定高空臭氧层厚度的变化，长达年之久,简史华人的贡献,程纯枢(1914-1997）根据1931-1935年南京地区日射强度记录，计算过大气消光系数，分析了大气混浊度因子 1944：郭晓岚（Hsiao-Lan Kuo）根据当时最完善的水汽与CO2红外吸收系数资料，重新计算了北半球大气辐射图及大气冷却率，其计算精

9、度超过了当时的国际水平 廖国男（Kuo-Nan Liou）,参考书目教材类,廖国男著，1980，周诗健等译，1985：大气辐射导论，气象出版社。第2版，2005，120元 Liou, K.N., 1980: An Introduction to Atmospheric Radiation. Academic Press, New York, 392 pp. Liou, K.N., 2002: An Introduction to Atmospheric Radiation. 2nd edition, Academic Press, San Diego, 583 pp.,参考书目教材类,尹宏编著

10、，1993：大气辐射学基础，气象出版社 刘长盛、刘文保编著，1990：大气辐射学，南京大学出版社。 周秀骥等，1991：高等大气物理学，气象出版社 Grant W. Petty, A First Course In Atmospheric Radiation. Sundog Publishing, Madison, Wisconsin, 446 pp. 2004.,参考书目参考类,吴北婴等编著，1998，大气辐射传输实用算法，气象出版社。 大气光学分子散射 Paltridge, G. W. and C. M. Platt, 1976, 吕达仁等译，1981：气象学和气候学中的辐射问题。科学出版

11、社。 M. Iqbal, 1983, An Introduction to Solar Radiation, Academic Press.,参考书目参考类,Jacqueline Lenoble, 1993, Atmospheric Radiative Transfer, A . Deepak Publishing. Chandrasekhar, S., Radiative Transfer, Clarendon Press, Oxford, 1950, reprinted by Dover Pub., New York, 393 pp., 1960. Goody, R. M., Atmosp

12、heric Radiation, Theoretical Basis, (second edition by R. M. Goody and Y. Yung), Oxford University Press, 436 pp., 1964, 519 pp., 1989.,参考书目参考类,Kondratyev, K. Ya., 1969: Radiation in the Atmosphere. Academic Press Sobolev, 1975: Light Scattering in Planetary Atmosphere.,参考书目期刊类,Applied Optics Journa

13、l of the Atmospheric Sciences,29,5.1 辐射的基本知识,5.1.1 电磁波谱 5.1.2 描述辐射场的物理量,5.1 辐射的基本知识,自然界一切物体都时刻不停地以电磁波的形式向四周传递能量，同时也接收外界投射来的电磁波，这种能量传递的方式称为辐射。 以这种方式传递的能量，称为辐射能。 以横波形式在空间传播，速度即光速,5.1.1 电磁波谱,电磁波描述 波长 频率f 波数 波速c,5.1.1 电磁波谱,5.1.1 电磁波谱,例1：波长10mm对应的频率和波数？,5.1.1 电磁波谱,不同波长的电磁波有不同的物理特性，因此可以用波长来区分辐射，并给以不同的名称，称

14、之为电磁波谱。,5.1.1 电磁波谱,5.1.1 电磁波谱,紫外线： uv-A：0.315-0.400 微米 uv-B：0.280-0.315微米 uv-C：0.150-0.280微米 可见光 红外线： 近红外：0.7-2.5微米 远红外：2.5-1000微米 微波 无线电波 长波、短波：4微米,FLUX,FLUX: INVERSE SQUARE LAW,5.1.2 描述辐射场的物理量,立体角 锥体所拦截的球面积与半径r的平方之比，单位为球面度（sr：Steradian）,5.1.2 描述辐射场的物理量,立体角,辐射能Q 能量:焦耳、热力学卡（1k=4.1840J） 辐射通量 （radiant

15、 flux 辐射功率W） 单位时间内通过任意表面的辐射能量，单位为J/s，即W,5.1.2 描述辐射场的物理量,辐射通量密度E(radiant flux density) 单位时间通过单位面积的辐射能量，单位为W/m2。设面元为dA： 表示面元接受的F时，又称辐照度（irradiance） 表示从物体表面发射出的E，又称辐出度、辐射度、辐射能力（emittance）。,5.1.2 描述辐射场的物理量,辐射强度L(radiance辐亮度、辐射率) 单位立体角、单位时间、单位面积所通过的辐射能量，单位为W/m2sr,5.1.2 描述辐射场的物理量,辐射强度L(radiance辐亮度、辐射率) 光度

16、计示意图,5.1.2 描述辐射场的物理量,CE318自动跟踪太阳分光光度计,5.1.2 描述辐射场的物理量,单色与谱段积分辐射量,5.1.2 描述辐射场的物理量,各向同性 辐亮度L与观测方向（q , ） 无关（L是立体角的函数，即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与时间t的函数非定常辐射）,5.1.2 描述辐射场的物理量,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。,5.1.2 描述辐射

17、场的物理量,平面平行大气 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,5.1.2 描述辐射场的物理量,净辐射通量密度或净辐照度 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 净辐照度,5.1.2 描述辐射场的物理量,净辐射通量密度或净辐照度 辐射能收支为正：气层温度升高；反之降温。,5.1.2 描述辐射场的物理量,净辐射通量密度或净辐照度,5.1.2 描述辐射场的物理量,点辐射源 假设点源向四周发射是均匀的，发射辐射的功率为0 ，以点源为中心画一个半径为r的球面，则通过球表面的辐照度为 点源的辐照度（或辐射通量密度）将随r 2减小。,5.1

18、.2 描述辐射场的物理量,平行辐射 当光源的距离足够远时，所有来自该光源的辐射传输方向可以认为是相互平行的，这种辐射常被称为平行辐射(或平行光) 特点：在不考虑吸收散射等因素时，平行光的辐射通量密度应当是常数，即在任何位置上设置一个和辐射传输方向相垂直的平面，通过这平面的辐射通量密度都应当是一个常数。,5.1.2 描述辐射场的物理量,平行辐射 大气辐射中，常把来自太阳的直接辐射看作平行光。 因为地球离太阳的距离为149,597,890 km，而大气辐射学中讨论的最大尺度是地球半径的尺度，即6,371 km。 在这样一个范围中，太阳辐射的强度仅变化(149597890+6371)/1495978

19、90)2 = 1.000085。因此把太阳辐射当作平行光，其辐照度不随距离变化是合理的。,5.1.2 描述辐射场的物理量,平行辐射 对于平行辐射，由于辐射能是在同一个方向传播，射线所张的立体角为零，此时辐射强度的概念不再适用。 这种情况下，只需要知道平行辐射的方向和辐射通量密度即可。 地面接收的太阳辐射通量密度,5.1.2 描述辐射场的物理量,面辐射源 特点是它可以向2立体角中发射辐射能。 对平面平行大气，水平方向的辐射分量都是相同的，它们对局地能量平衡不起作用。因此只关心垂直方向的辐射通量密度。,5.1.2 描述辐射场的物理量,余弦辐射体或Lambert光源 辐射强度不随方向变化的面辐射源

20、如黑体、太阳、陆地表面 平静水面？ 例5.1(朗伯定律),5.1.2 描述辐射场的物理量,60,5.2 辐射的物理规律,5.2.1 吸收率、反射率和透射率 5.2.2 平衡辐射的基本规律 5.2.3 太阳辐射和地球辐射的区别,能量守恒 Q0 = Qa + Qr + Qt 吸收率A = Qa / Q0 反射率R = Qr / Q0 透射率 = Qt / Q0 (透过率) A + R + = 1,5.2.1 吸收率、反射率和透射率,对于单色辐射，称为单色吸收率、反射率和透射率。分别记为Al , Rl , l 各种物体对不同波长的辐射具有不同的吸收率与放射率，构成了该物体的吸收光谱或辐射光谱。 反照

21、率：物体表面的反射辐射通量与入射辐射通量之比,5.2.1 吸收率、反射率和透射率,绝对黑体 所有波长吸收率均为1 A = 1 单色黑体 某一波长吸收率为1 Al = 1 灰体 吸收率不随波长变化 但小于1,5.2.1 吸收率、反射率和透射率,？黑色物体,BLACKBODY RADIATION,辐射平衡状态 吸收和发射辐射能量相等：1）物质热状况保持不变，可用一确定温度表示；2）各向同性 局地辐射平衡状态 如果辐射热交换的过程相当缓慢，物体中内能的分布来得及变化均匀，这时物体的温度虽然在变化，但每一给定瞬间，物体的状态可以看作是平衡的，仍可用一定的温度来描述。 地球大气中的辐射过程，一般认为地面

22、至60公里以下的大气处于局地辐射平衡状态，因此可以应用平衡辐射的规律来解诀平流层以下的大气辐射学的问题,5.2.2 平衡辐射的基本规律,Kirchhoff Law,在辐射平衡条件下，任何物体的单色辐射通量密度FT与吸收系数AT成正比关系，二者比值只是波长和温度的函数，与物体性质无关，比值大小等于Planck函数的通量密度形式,Kirchhoff Law,若定义比辐射率(Emissivity) , T为物体的放射能力F , T和黑体的辐射能力FB (l ,T )之比，则基尔霍夫定律可以写成 意义： 将物体的吸收能力和放射能力联系起来 将各种物质的吸收、放射能力与黑体的吸收放射能力联系起来。,Gu

23、stav Robert Kirchhoff (1824-1887) 德国物理学家 1859：Kirchhoffs Law 光谱学 电学 发现了铯和铷,Kirchhoff Law,Planck Law,对于绝对黑体物质，单色辐射通量密度与发射物质的温度和辐射波长或频率的关系 Planck定律： 第一辐射常数 第二辐射常数,Planck Law,普朗克函数 (黑体分光辐亮度),Planck Law,黑体辐射与物质组成无关 黑体辐射强度随温度增高而增大 Stefan-Boltzmann Law 最大强度的波长随温度增高而减小 Wien位移定律,Max Planck (1858-1947) 德国物理学

24、家 1901：Plancks Law 1918 Nobel Prize Quantum theory,Planck Law,Stefan-Boltzmann Law,黑体的积分辐射通量密度与温度的4次方成正比 由温度可以求出绝对黑体的积分辐射通量密度；反之，也可由积分辐射通量密度反求其温度，这就是用辐射方法测量物体温度的基础。 将太阳视作绝对黑体而计算出的温度称为太阳的有效温度，约为5777K，与太阳表面的实际温度略有差异。 如果不是绝对黑体，反演出的温度就会偏低。,Joseph Stefan (1835-1893) 奥地利物理学家、诗人 1884：Stefan-Boltzmann law Stefan f