第八章电磁辐射环境改版

1、电磁辐射环境hVhfELdFdsdFdsTTTEae, 一、太阳辐射太阳是一个及其炙热的气态球体，中心温度太阳是一个及其炙热的气态球体，中心温度为为20106K，表面温度高达，表面温度高达6 000K，因此，因此太阳时刻不停的向四周放射巨大的能量，太阳时刻不停的向四周放射巨大的能量，称为称为太阳辐射太阳辐射1、太阳电磁辐射 太阳辐射能量随波长的分布称为太阳辐射光谱。太阳辐射的波长范围很广，但其能量的绝大部份集中在0.174微米之间，其中可见光区占50，红外区占43，紫外区仅占7。太阳最大辐射能力所对应的波长为0475微米（相当于青光部份）。因此，一般称太阳辐射为短波辐射。 观测表明，太阳辐射光

2、谱不是严格连续光谱，其中有两万多条吸收暗线。当太阳辐射经过地球大气时，由于地球大气的吸收作用，使太阳光谱发生很大的变化。 v 可见光区可见光区(0.4-0.76m）能量能量占总能量的占总能量的50%，具有光效应，具有光效应，是人是人类肉眼可见光谱区，类肉眼可见光谱区，也是植物光合作用也是植物光合作用的有效光谱区。可的有效光谱区。可见光可按波长由长见光可按波长由长至短分解为至短分解为红、橙、红、橙、黄、绿、青、蓝、黄、绿、青、蓝、紫七色光。紫七色光。太阳辐太阳辐射的最大波长射的最大波长。v 紫外光区紫外光区（0.76m）能量占总能能量占总能量的量的43%，具有热效应，具有热效应，起着加热地起着加

3、热地面、大气、面、大气、动、植物等动、植物等物体的作用。物体的作用。太阳与地球间的距离不是一个常数，因此，太阳与地球间的距离不是一个常数，因此，地球大气层上界的太阳辐射强度随日地间地球大气层上界的太阳辐射强度随日地间距离的不同而不同。距离的不同而不同。实际上，由于日地间距离很大（实际上，由于日地间距离很大（1500015000万万公里），其相对变化量很小，由此引起的公里），其相对变化量很小，由此引起的太阳辐射强度的相对变化不超过太阳辐射强度的相对变化不超过3.4%3.4%，这，这就意味着地球大气层外的太阳辐射强度几就意味着地球大气层外的太阳辐射强度几乎是一个常数。乎是一个常数。我们使用我们使用

4、“太阳常数太阳常数”来描述大气层上界来描述大气层上界的太阳辐射强度。的太阳辐射强度。当日地间处于平均距离时，大气上界垂直于太当日地间处于平均距离时，大气上界垂直于太阳光线的平面上单位面积单位时间内接受的太阳阳光线的平面上单位面积单位时间内接受的太阳辐射能量作为标准值，称为太阳常数辐射能量作为标准值，称为太阳常数S S。太阳常数：太阳常数：用用 I Iscsc 表示。表示。 参考值为参考值为 I Iscsc = = （1367 71367 7）W/mW/m2 2任意时刻的太阳辐射强度任意时刻的太阳辐射强度 对于S。的测量和计算，因观测方法，观测地点的不同以及太阳活动的变化，世界各地区曾采用不同的

5、数值。 1981年世界气象组织推荐了太阳常数的最佳值是S。 13677瓦米2。 常采用取S。 1367瓦米2 。 到达地球的太阳辐射能随日地距离的变化日期太 阳 辐 射能（W/m2）日期太 阳 辐 射能（W/m2）1月3日(近日点)13997月4日(远日点)13092月1日13938月1日13133月20日(春分)13659月23日(秋分)13454月3日135510月1日13505月3日132211月1日13746月21日(夏至)131012月22日(冬至)1398(1399-1353)/1353100%=3.40%(1353-1309)/1353100%=3.25%太阳辐射强度 太阳辐射强

6、度就是太阳在垂直照射情况下在单位时间(一分钟、一天、一个月或者一年)内，单位面积面积上所得到的辐射能量 。用符号用符号S表示表示,其单位为其单位为J/ (m2.s) 。2、太阳辐射在大气中的减弱、太阳辐射在大气中的减弱 太阳辐射先通过大气圈，然后到达地表，由于大气对太阳辐射有一定的吸收、散射和反射作用，使投射到大气上界的太阳辐射不能完全到达地面，所以在地球表面所呈现的太阳辐射强度比1367瓦米2小。 大气对太阳辐射的影响作用：折射、反射、吸收、散射、透射大气对太阳辐射的减弱作用的表现 a、大气对太阳辐射的吸收太阳辐射穿过大气层时，大气中某些成分具有选择吸收一定波长辐射的特性。大气中吸收太阳辐射

7、的成分主要有水汽、氧、臭氧、二氧化碳和固体杂质等。太阳辐射被大气吸收后变成热能，因而使太阳辐射减弱，有24%的太阳辐射被大气吸收。 可见大气对太阳辐射的减弱是强烈的。 b、大气对太阳辐射的散射太阳辐射通过大气遇到空气、尘粒、云滴等质点时，都要发生散射。散射改变辐射方向，使太阳辐射以质点为中心向四面八方传播开来，这样，散射后，有一部分太阳辐射就到不了地面。 c、大气的云层和尘埃对太阳辐射的反射大气中云层和较大颗粒的尘埃能将太阳辐射中的一部分能量反射到宇宙空间中去。其中云的反射作用最为显著，太阳辐射遇到云时能反射太阳辐射的一部分或大部分。反射对各种波长没有选择性，所以反射光呈白色。太阳辐射约有31

8、%因反射和散射会宇宙空间。上述三种方式中，以反射作用最为重要，散射作用次之，吸收作用最小。 3、到达地面的太阳辐射、到达地面的太阳辐射经过大气减弱后投射到地面的太阳辐射由两部分组成，即太阳直接辐射和散射辐射即太阳直接辐射和散射辐射。直接辐射是直接辐射是指以平行光线的形式直接投射到地面的太阳辐指以平行光线的形式直接投射到地面的太阳辐射。射。直接辐射照度直接辐射照度是指单位面积，在单位时间内所接受的是指单位面积，在单位时间内所接受的直接辐射，用直接辐射，用S表示。表示。散射辐射散射辐射是指经散射后，由天空投射到地面的太阳辐射。是指经散射后，由天空投射到地面的太阳辐射。散射辐射照度散射辐射照度是指单

9、位面积，在单位时间内所接受的散射是指单位面积，在单位时间内所接受的散射辐射，用辐射，用D表示。表示。直接辐射与散射辐射之和，称为总辐射。直接辐射与散射辐射之和，称为总辐射。直接辐射照度与直接辐射照度与散射辐射照度之和称为总辐照度散射辐射照度之和称为总辐照度（Q）。）。即即 Q = S+ D返回 a、直接辐射 太阳直接辐射的强弱和许多因子有关，其中最主要有两个，即太阳高度角和大气透明度。 太阳高度角简称太阳高度，系指太阳相对于地平面的角距离。 太阳高度角太阳高度角主要是太阳高度角和大气透明系数主要是太阳高度角和大气透明系数 (1)(1)太阳高度角太阳高度角 当太阳高度角增大时，直接辐射和散射当太

10、阳高度角增大时，直接辐射和散射辐射都增大，因而总辐射也增大。又辐射都增大，因而总辐射也增大。又由于太由于太阳高度角有日、年变化和随纬度的变化阳高度角有日、年变化和随纬度的变化，因，因此总辐射也有日、年变化和空间水平变化。此总辐射也有日、年变化和空间水平变化。 （一）影响太阳总辐照度的因素（一）影响太阳总辐照度的因素（2)2)大气透明度大气透明度 当大气透明系数增大时，直接辐射增大，当大气透明系数增大时，直接辐射增大，但散射辐射减小，但散射辐射减小，这时，辐射总量的变化就无这时，辐射总量的变化就无法判断。法判断。一般来说，直接辐射大于散射辐射，一般来说，直接辐射大于散射辐射，因此，当大气透明系数

11、增大时，总辐射也增大。因此，当大气透明系数增大时，总辐射也增大。 (3)(3)海拔高度海拔高度 当海拔升高时，大气透明系数增大，总辐当海拔升高时，大气透明系数增大，总辐射也增大。射也增大。(4)(4)云量云量 云量增多，总辐射可能增大，也可能减小，分为云量增多，总辐射可能增大，也可能减小，分为以下三种情况：以下三种情况： 当天空乌云密布时当天空乌云密布时，直接辐射为零（，直接辐射为零（SS=0=0），），到达地面的辐照度以散射辐射（到达地面的辐照度以散射辐射（DD）为主，但其值也）为主，但其值也减小，则这时的总辐射（减小，则这时的总辐射（QQ）必定减小。）必定减小。 当部分天空有云，且云遮住阳

12、光当部分天空有云，且云遮住阳光，这时，对该这时，对该区域来讲，直接辐射为零（区域来讲，直接辐射为零（SS=0=0），而散射辐射），而散射辐射（DD）的增大量补偿不了直接辐射（的增大量补偿不了直接辐射（SS）的减小量，的减小量，则总辐射（则总辐射（QQ）也减小。也减小。 当部分天空有云，而且是没有遮住阳光的中云当部分天空有云，而且是没有遮住阳光的中云和高云，和高云，这时，对该区域来讲，直接辐射（这时，对该区域来讲，直接辐射（SS）没没有明显减小，或减小不多，而散射辐射（有明显减小，或减小不多，而散射辐射（D D）却有明却有明显增大，因此使得显增大，因此使得总辐射（总辐射（QQ）增大。增大。（二）

13、太阳总辐照度的变化规律（二）太阳总辐照度的变化规律1 1、总辐照度的日变化、总辐照度的日变化 一天中，总辐照度夜间为一天中，总辐照度夜间为零，日出后逐渐增大，正午达到最大，午后又逐渐零，日出后逐渐增大，正午达到最大，午后又逐渐减小。减小。 2 2、总辐照度的年变化、总辐照度的年变化 一年中，中、高纬度地区一年中，中、高纬度地区总辐照度夏季最大，冬季最小。总辐照度夏季最大，冬季最小。赤道附近，赤道附近，一年中一年中有两个最大值，分别出现在春分和秋分。有两个最大值，分别出现在春分和秋分。3 3、光照度的变化、光照度的变化 晴天时，光照度由直射光和散晴天时，光照度由直射光和散射光两部分组成；阴天时，

14、只有散射光。射光两部分组成；阴天时，只有散射光。4 4、太阳辐射总量的变化、太阳辐射总量的变化 一天内，一般在中纬度地区，夏季太阳辐射日一天内，一般在中纬度地区，夏季太阳辐射日总量大总量大 ，冬季太阳辐射日总量小；，冬季太阳辐射日总量小； 一年中，太阳辐射年总量一般随纬度的增高而一年中，太阳辐射年总量一般随纬度的增高而减少减少 。4、地面对太阳辐射的反射、地面对太阳辐射的反射 投射到地面的太阳辐射，并非完全被地面所吸收，其中一部分被地面所反射。地表对太阳辐射的反射率，决定地表的性质和状态。陆地表面对太阳辐射的反射履约为10-30%，雪面的反射率很大，约为60%，水面的反射率随水的平静程度和太阳

15、高度角的大小而变，约为2-89.2%。 地面对太阳辐射的反射和吸收地面对太阳辐射的反射和吸收1 1、地面的反射辐射、地面的反射辐射: : 到达地面的太阳总辐射中，有一部分被地面到达地面的太阳总辐射中，有一部分被地面反射回到大气中，称为地面反射辐射反射回到大气中，称为地面反射辐射。地面反射地面反射辐射占到达地面的总辐射的百分率，称为地面反辐射占到达地面的总辐射的百分率，称为地面反射率，以射率，以r r表示。表示。 反射率主要与下垫面性质有关反射率主要与下垫面性质有关 。 下垫面：垫在空气层下面的面下垫面：垫在空气层下面的面。（。（p17)p17)2 2、地面对太阳辐射的吸收、地面对太阳辐射的吸收

16、由于太阳辐射不能穿透地球，所以由于太阳辐射不能穿透地球，所以地面吸收率为地面吸收率为1-1-r r返回二、地面、大气辐射地面、大气辐射 1、地面辐射、地面辐射 地球表面在吸收太阳辐射的同时，又将其中的大部分能量以辐射的方式传送给大气。地表面这种以其本身的热量日夜不停地向外放射辐射的方式，称为地面辐射。 由于地表温度比太阳低得多(地表面平均温度约为300K)，因而，地面辐射的主要能量集中在130微米之间，其最大辐射的平均波长为10微米，属红外区间，与太阳短波辐射相比，称为地面长波辐射。 地面的辐射能力，主要决定于地面本身的温度。由于辐射能力随辐射体温度的增高而增强，所以，白天，地面温度较高，地面

17、辐射较强；夜间，地面温度较低，地面辐射较弱。 地面的辐射是长波辐射，除部分透过大气奔向宇宙外，大部分被大气中水汽和二氧化碳所吸收，其中水汽对长波辐射的吸收更为显著。因此，大气，尤其是对流层中的大气，主要靠吸收地面辐射而增热。 2、大气辐射、大气辐射 大气辐射：大气辐射：大气向外放射的辐射。大气向外放射的辐射。 大气平均温度比地面低，其辐射波长范围为大气平均温度比地面低，其辐射波长范围为7-7-120m120m，最大放射能力的波长最大放射能力的波长为为15m15m，也属于红也属于红外长波辐射。外长波辐射。 大气辐射有一部分向上进入宇宙空间，大气辐射有一部分向上进入宇宙空间，有一部分有一部分向下到

18、达地面，这一部分因与地面辐射的方向相反，向下到达地面，这一部分因与地面辐射的方向相反，称为称为大气逆辐射（大气逆辐射（E Ea a）。）。3、大气逆辐射、大气逆辐射 大气吸收地面长波辐射的同时，又以辐射的方式向外放射能量。大气这种向外放射能量的方式，称为大气辐射。由于大气本身的温度也低，放射的辐射能的波长较长，故也称为大气长波辐射。 大气辐射的方向既有向上的，也有向下的。大气辐射中向下的那一部分，刚好和地面辐射的方向相反，所以称为大气逆辐射。大气逆辐射是地面获得热量的重要来源。 由于大气逆辐射的存在，使地面实际损失的热量比地面以长波辐射放出的热量少一些，大气的这种保温作用称为大气的温室效应。

19、这种大气的保温作用使近地表的气温提高了约18。月球则因为没有象地球这样的大气，因而，致使它表面的温度昼夜变化剧烈，白天表面温度可达127，夜间可降至-183。 4、 地面有效辐射地面有效辐射 地面放射的辐射与地面吸收的大气逆辐射之差，称为地面有效辐射。 通常情况下，地面温度高于大气温度，地面有效辐射为正值，这意味着通过长波辐射的放射和吸收，地表面经常是失去热量的。只有在近地层有很强的逆温和空气湿度很大的情况下, 有效辐射才可能为负值，这时地面才能通过长波辐射的交换而获得热量。 4 4、地面有效辐射、地面有效辐射用用E E表示：表示： 即即 E=E=E Ee e- E- Ea a 通常地面温度高

20、于大气温度，相应地通常地面温度高于大气温度，相应地E Ee eEEa a，E E常为正值，常为正值，这说明这说明地面地面由于放射长波辐射大于吸收由于放射长波辐射大于吸收的长波辐射而的长波辐射而经常失去热量经常失去热量，E E是地面净损失的热量是地面净损失的热量。E E愈大，地面热量损失愈多，降温愈剧烈。愈大，地面热量损失愈多，降温愈剧烈。影响地面有效辐射的因素影响地面有效辐射的因素 1 1水汽水汽 水汽是关键因素，空气中水汽含量增加，水汽是关键因素，空气中水汽含量增加，大气逆辐射增强，地面有效辐射减小大气逆辐射增强，地面有效辐射减小，所以当天空有，所以当天空有云、雾存在时，地面有效辐射较小，云

21、、雾存在时，地面有效辐射较小，云层越厚云底越云层越厚云底越低，地面有效辐射越小。低，地面有效辐射越小。 2 2风风 风能促进对流，使上层热量往下传递给地风能促进对流，使上层热量往下传递给地面，面，所以夜间有风时地面有效辐射较小。所以夜间有风时地面有效辐射较小。 3 3地气温差地气温差 当地温高于气温时，当地温高于气温时，地面有效辐射为正值，且随地面有效辐射为正值，且随地气温差的增大而增大（地气温差的增大而增大（这种情况多发生在白天这种情况多发生在白天）；）； 当地温低于气温时，当地温低于气温时，地面有效辐射为负值，且地地面有效辐射为负值，且地气温差越大，地面有效辐射越小气温差越大，地面有效辐射

22、越小（这种情况多发生在（这种情况多发生在夜间）夜间）影响地面有效辐射的因素影响地面有效辐射的因素4.4.下垫面性质下垫面性质 无植被覆盖的地面有效辐射无植被覆盖的地面有效辐射较有植被覆盖的较有植被覆盖的大大； 起伏不平的粗糙地面起伏不平的粗糙地面较平坦地的有效辐射较平坦地的有效辐射大大； 干燥的下垫面干燥的下垫面较潮湿的下垫面的有效辐射较潮湿的下垫面的有效辐射大。大。5 5覆盖覆盖 采用薄膜、草垫等材料在夜间覆盖时地面有效辐采用薄膜、草垫等材料在夜间覆盖时地面有效辐射减小。射减小。6 6海拔高度海拔高度 随海拔高度的增加，水汽量减少，大气逆辐射减随海拔高度的增加，水汽量减少，大气逆辐射减小，小

23、，所以所以地面有效辐射增大。地面有效辐射增大。三、太阳可变性 它是指太阳电磁辐射各波段辐射通量随太阳活动的变化特性。太阳活动通常用太阳活动指数来表征。为描述太阳远紫外辐射的变化特性，常用的太阳活动指数有F10.7, F81和Hel EW等。 F10.7为太阳10.7cm射电辐射的通量，单位为10-22W/m2Hz。 b. F81太阳射电指数F10.7的81天平均值。 c. Hel EW太阳1083nm氦发射线的等效宽度，单位为10-4nm。四、地气系统 在研究地球及其大气作为一个整体的能量平衡时，通常它们作为一个统一的系统考虑，称之为地球-大气系统，简称地气系统。五、太阳电磁辐射、地气系统对航

24、天器的影响 太阳电磁辐射、地气系统辐射和地球反射率是卫星温控系统设计所必须考虑的主要外界输入能量；太阳可见光和近红外波段的光谱辐照度是卫星能源系统设计的重要资料；而对大型航天器而言，太阳电磁辐射和地气辐射对对姿控系统的影响也是需要考虑的因子。太阳辐射对近地轨道航天器的影响 对航天器温控系统的影响：对航天器温控系统的影响：主要外热源。主要外热源。 对航天器姿控系统的影响对航天器姿控系统的影响：A.太阳辐射和地气辐射压是航天器姿态控制中所必须考虑的因素之一。B.太阳辐射引起大气密度的变化，使航天器所受阻力增加。 对航天器对航天器结构结构系统的影响系统的影响：热机械应力热机械应力 对航天器电源系统的

25、影响对航天器电源系统的影响：太阳可见光和近红外波段的光谱辐照度决定航天器太阳电池方阵功率的精确计算。 对航天器通信系统的影响对航天器通信系统的影响：短波和中波无线电信号衰落，甚至完全中断；背景噪声的增强。 对航天遥感器、探测器的影响：对航天遥感器、探测器的影响：光学背景、材料性能、光学遥感系统污染。 对人体和生物体的影响：对人体和生物体的影响：人体器官和眼睛有不同的损伤，诱发皮肤癌。1、对卫星电离环境、通信系统的影响 太阳Lyman线是地球电离层D层的主要电离源，而太阳X射线爆发则可能是引起电离层突然骚扰的主要原因。当太阳爆发时，X射线和紫外辐射突然增加，使电离层D层电子浓度急剧增大，导致短波

26、和中波无线电信号衰落、甚至完全中断。 此外，太阳射电爆发引起射电背景噪声的增强，在一定条件下也会对通信系统造成干扰。在大射电爆发时，L波段的太阳射电噪声可增大24个量级，而对S波段也将增加23个量级。 在另一方面，太阳极紫外辐射是地球电离层E、F层的主要电离源。随太阳活动的增强，地球大气的电离状况也随之改变。在太阳活动最大比太阳活动最小时F2层电子浓度约增大近一个量级。 2、对星载探测器光学部件的侵蚀、污染 太阳极紫外辐射是热层大气氧原子产生的主要能源。随着太阳活动的变化，热层大气氧原子密度将变化一个量级以上。它和航天器表面的相互作用，将增强其对表面的侵蚀作用，破坏太阳电池保护层、危害航天器能

27、源系统。 太阳紫外辐射对航天器表面的照射将使其表面涂层的光学性能变化，使航天器表面温度升高，影响其温控。 航天器材料中包含的气体杂质在高真空环境下释放出来，在太阳紫外辐射照射下可对其上各种光学遥感系统形成污染。3、对人体和生物体的影响 太阳X射线辐射对人体器官和眼睛有不同的损伤，而太阳紫外辐射可使人体发生皮肤癌，破坏生物体的脱氧核糖核酸。 4、空间外热流模拟 太阳电磁辐射中的可见光辐射、近红外辐射和远外辐射构成了卫星在空间飞行时所受到的加热源，也叫做空间外热流。对于近地卫星，外热流还包括地球反射太阳辐射的能量和地球自身的红外辐射部分。卫星所吸收的热流Q可写成 Q=aQf 式中，a卫星表面材料的吸收率； Qf空间外热流。 如上式可以知道卫星热设计时选择的Q值取决于a和Qf，Qf值的选定是根据国内外利用火箭、卫星测量数据的统计值，而a值取决于卫星温控涂层材料或卫星表面材料的物质特性及在太阳辐照环境下的稳定性。现在