气象遥感技术-辐射理论1

1、地面和大气中的辐射过程地面和大气中的辐射过程23大气运动的大气运动的能量来源能量来源于太阳辐射，地面于太阳辐射，地面和大气中的辐射过程从大尺度和大气中的辐射过程从大尺度开始开始控制控制了地球大气系统的能量平衡，了地球大气系统的能量平衡，从而从而决定决定了地球气候的基本特征。了地球气候的基本特征。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。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气

2、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170419世纪初波动说（横波）占统治地位（托马斯.杨和菲涅耳）20世纪统一麦克斯韦和电磁场方程的建立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

3、韦关于电磁波的预言“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1880-19001880-1900七大实验七大实验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Max Planck (1858-1947)Max Planck (1858-1947)德国物理学家德国物理学家19011901：PlanckPlanck s Laws Law1

4、918 1918 Nobel PrizeNobel PrizeQuantum theory Quantum theory Gustav Robert Kirchhoff Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887)(1824-1887)德国物理学家德国物理学家18591859：KirchhoffKirchhoff s Laws Law光谱学光谱学电学电学发现了铯和铷发现了铯和铷Joseph Stefan (1835-1893)Joseph Stefan (1835-1893)奥地利物理学家、诗人奥地利物理学家、诗人18841884：Stefan-Boltzmann l

5、awStefan-Boltzmann lawStefan flowStefan flow热学热学电磁学电磁学Ludwig Boltzmann Ludwig Boltzmann (1844-1906)(1844-1906)奥地利物理学家奥地利物理学家18841884：Stefan-Boltzmann lawStefan-Boltzmann law（理论推导）统计力学统计力学Lord Rayleigh(John William Strutt 1842-1919)Lord Rayleigh(John William Strutt 1842-1919)英国物理学家英国物理学家18711871：Rayl

6、eigh ScatteringRayleigh Scattering声学声学电学电学1904 Nobel Prize1904 Nobel PrizeWilhelm Wien (1864-1928)Wilhelm Wien (1864-1928)德国物理学家德国物理学家18931893：WienWien s Displacement Laws Displacement Law1911 1911 Nobel PrizeNobel Prize定义定义 black body black bodyGustav Mie (1868-1957)Gustav Mie (1868-1957)德国物理学家德国物理

7、学家19081908：Mie theoryMie theory2020世纪世纪2020年代：计算地年代：计算地- -气系统的辐气系统的辐射收支射收支3030年代：辐射传输的基本原理年代：辐射传输的基本原理19501950年：美籍巴基斯坦学者年：美籍巴基斯坦学者Subramanyan Chandrasekhar Subramanyan Chandrasekhar 1983 1983 Nobel PrizeNobel PrizeRadiative Transfer Clarendon Press, Oxford, 1950, reprinted by Dover Publications, New

8、 York, 393 pp., 1960.1964:1964:英国英国Richard M. GoodyRichard M. GoodyAtmospheric Radiation, Theoretical Basis, (second edition by R. M. Goody and Y. Yung), Oxford University Press, 436 pp., 1964, 519 pp., 1989.19691969：苏联地球物理学家苏联地球物理学家Kondratyev, K. Ya. Radiation in the Atmosphere. Academic Press7070年

9、代后：非球形粒子的吸收和散年代后：非球形粒子的吸收和散射、辐射传输方程的数值解法射、辐射传输方程的数值解法发展大气遥感探测的理论和方法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气辐射模式建立具有物理基础的实际大气辐射模式人类活动对全球气候和局地大气环境的影响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太阳活动的变化对气候的影响19321932年：严济慈采用照相光年：严济慈采用照相光度术方法，精确测定了臭氧度术方法，精确测定了臭氧在全部紫外区域（即在全部紫外区域（即215-345215-345纳米）的吸收系数，并发现纳米）的吸收系数，并发现了若干新光带了若干新光带国

10、际臭氧委员会把严济慈精国际臭氧委员会把严济慈精确测定的吸收系数定为标准确测定的吸收系数定为标准值，各国气象学家用以每日值，各国气象学家用以每日测定高空臭氧层厚度的变化，测定高空臭氧层厚度的变化，长达年之久长达年之久程纯枢程纯枢(1914-1997(1914-1997）根据）根据1931-1931-19351935年南京地区日射强度记录，计年南京地区日射强度记录，计算过大气消光系数，分析了大气混算过大气消光系数，分析了大气混浊度因子浊度因子19441944：郭晓岚（郭晓岚（Hsiao-Lan KuoHsiao-Lan Kuo）根据当时最完善的水汽与根据当时最完善的水汽与CO2CO2红外吸红外吸收

11、系数资料，重新计算了北半球大收系数资料，重新计算了北半球大气辐射图及大气冷却率，其计算精气辐射图及大气冷却率，其计算精度超过了当时的国际水平度超过了当时的国际水平廖国男（廖国男（Kuo-Nan LiouKuo-Nan Liou）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 Atmosphe

12、ric Radiation. 2nd edition, Academic Press, San Diego, 583 pp.尹宏编著，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.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.

13、and C. M. Platt, 1976, 吕达仁等译，1981：气象学和气候学中的辐射问题。科学出版社。M. Iqbal, 1983, An Introduction to Solar Radiation, Academic Press.Applied OpticsJournal of the Atmospheric Sciences 275.1.1 5.1.1 电磁波谱电磁波谱5.1.2 5.1.2 描述辐射场的物理量描述辐射场的物理量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

14、形式在空间传播，速度即光速电磁波描述波长频率f 波数 波速c cfcf1例1：波长10mm对应的频率和波数？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，称之为电磁波谱。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FLUXFLUX: INVERSE SQUARE LAW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）2r立体角sindrdrd 2sinddd

15、 dr 辐射能Q能量:焦耳、热力学卡（1k=4.1840J）辐射通量 （radiant 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WdQdt 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）。ddQEdAdtdA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/m2srd(,)dddddddELxyztAQA dt

16、辐射强度L(radiance辐亮度、辐射率)光度计示意图 CE318自动跟踪太阳分光光度计单色与谱段积分辐射量21QQ d各向同性辐亮度L与观测方向（ , ） 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）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。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dcosLE净辐射通量密度或净辐

17、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*EEE 2022020ddsincosddsincosLELE 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。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。 024Er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

18、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。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)/149597890)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。 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co

19、sSS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。余弦辐射体或Lambert光源辐射强度不随方向变化的面辐射源如黑体、太阳、陆地表面平静水面？例5.1(朗伯定律)FL575.2.1 5.2.1 吸收率、反射率和透射率吸收率、反射率和透射率5.2.2 5.2.2 平衡辐射的基本规律平衡辐射的基本规律5.2.3 5.2.3 太阳辐射和地球辐射的区别太阳辐射和地球辐射的区别5.2.1 吸收率、反射率和透射率吸收率、反射率和透射率5.2 辐射的基本规律辐射的基本规律辐射能：电磁波中电场能量和磁场

20、能量的总和叫做电磁波辐射能：电磁波中电场能量和磁场能量的总和叫做电磁波的能量，也称为辐射能。的能量，也称为辐射能。 吸收率：被物体所吸收的入射辐射比率。吸收率：被物体所吸收的入射辐射比率。反射率：被表面反射的入射辐射比率。反射率：被表面反射的入射辐射比率。 透射率：被物体所透过的入射辐射比率。透射率：被物体所透过的入射辐射比率。射到物体的辐射能一部分会被物体吸收变为内能或者其他射到物体的辐射能一部分会被物体吸收变为内能或者其他形式的能量，一部分会被反射回去，而另一部分则会透射形式的能量，一部分会被反射回去，而另一部分则会透射物体物体 其中Q0是投射到物体的辐射能，Qa是吸收的部分，Qr是反射的

21、部分，Qc是透射的部分。吸收吸收反射反射透射透射由能量守恒定律可得：由能量守恒定律可得：Q0=Qa+Qr+Qc由此可定义：由此可定义：吸收率：吸收率：A= Qa /Q0 反射率：反射率：R= Qr /Q0 透射率：透射率：T= Qc /Q0 A+R+T=1 分析：当物体不透明时，分析：当物体不透明时，T=0。则有。则有A+R=1，这时反射，这时反射率大物体的吸收率一定小。率大物体的吸收率一定小。 同理可得，当吸收率大的物体的反射了一定小。同理可得，当吸收率大的物体的反射了一定小。 对于反射率、吸收率和透射率可以用于单一的波对于反射率、吸收率和透射率可以用于单一的波长，对于某一单一波长的辐射，称

22、为单色（或分长，对于某一单一波长的辐射，称为单色（或分光、谱）反射率、吸收率和透射率，分别用光、谱）反射率、吸收率和透射率，分别用R， A ，T。对于一比较宽的谱段（如可见光波段、太阳辐射对于一比较宽的谱段（如可见光波段、太阳辐射），常将物体表面的反射辐射通量与入射辐射通），常将物体表面的反射辐射通量与入射辐射通量之比称为反照率。量之比称为反照率。1、黑体如果某一物体对于任何波长的辐射都能全部吸收，即如果某一物体对于任何波长的辐射都能全部吸收，即A=1，则该物体为绝对黑体，相应的，必有反射和透射为零，则该物体为绝对黑体，相应的，必有反射和透射为零，即：即：R=0，T=0，如果物体对某一波长全部

23、吸收，即，如果物体对某一波长全部吸收，即A 则则称称 该物体对这一波长为黑体。该物体对这一波长为黑体。绝对黑体在自然界是不存在的，吸收率最大的物体：绝对黑体在自然界是不存在的，吸收率最大的物体：eg烟烟炱黑对可见光个波段的吸收率均超过炱黑对可见光个波段的吸收率均超过0.95，接近于，接近于1，但在，但在远红外段的吸收率比远红外段的吸收率比1小的多。因此不能说他是绝对黑体。小的多。因此不能说他是绝对黑体。容器是开一小孔容器是开一小孔c c的密闭空间，其壁层和内层涂有烟炱黑，使其吸收的密闭空间，其壁层和内层涂有烟炱黑，使其吸收率接近于率接近于1. 1. 经过多次反射，最后只有很少一部分的能量由经过

24、多次反射，最后只有很少一部分的能量由c c出来。出来。n n次反射后为次反射后为R Rn nQ Q0 0，而吸收率为，而吸收率为1-R1-Rn n，由此可见，即使，由此可见，即使R=0.1,n=4,R=0.1,n=4,吸吸收率可达到收率可达到0.99990.9999，已经很接近，已经很接近1 1了，当了，当n n还更大些，可认为小孔能还更大些，可认为小孔能吸收全部入射的辐射能，小孔所处的面就是一个绝对黑体面。吸收全部入射的辐射能，小孔所处的面就是一个绝对黑体面。c黑体与黑色物体的区别：黑体与黑色物体的区别： 黑色物体只是表明他对可见光的反射性质，不能只由物体的颜色来判断其黑色物体只是表明他对可

25、见光的反射性质，不能只由物体的颜色来判断其对整个波段的吸收能力。对整个波段的吸收能力。洁白的雪面对远红外波段而言，远比一般物体更接近于黑体。洁白的雪面对远红外波段而言，远比一般物体更接近于黑体。2、灰体物体的吸收率物体的吸收率A A不随波长而变，但不随波长而变，但A1A1，则称物，则称物体为灰体。体为灰体。地面对长波辐射的吸收率近于常数，故可以认地面对长波辐射的吸收率近于常数，故可以认为地面是灰体，且吸收率为地面是灰体，且吸收率A A接近于接近于1.1.对于单色辐射 A+ R +T =1 或 + R +T =1。均称为能量守衡。单色辐射时，称单色（或分光）吸收率、反射率、透射率、比辐射率。 黑

26、体黑体：A=1，R = T =0（对此波长为黑体）密闭空腔，R=0.1，四次，A=1-(0.1)4=0.9999，可认为是黑体。不能根据颜色来判定吸收能力。灰体灰体：A1，但是常数窗区完全透明窗区完全透明：T =1，A +R =0不透明物体不透明物体：T =0，A +R =1举例黑体：黑体： 能全部吸收入射辐射能的物体能全部吸收入射辐射能的物体模型：模型： 空腔小孔空腔小孔黑体是理想模型黑体是理想模型黑体黑体辐射辐射：物体吸收辐射能同时，物体吸收辐射能同时，又要又要向外辐射能量。向外辐射能量。能量守恒能量守恒Q0 = Qa + Qr + Qt 吸收率吸收率A = Qa / Q0反射率反射率R

27、= Qr / Q0透射率透射率 = Qt / Q0( (透过率透过率) )A + R + = 1 对于单色辐射，称为单色吸收率、对于单色辐射，称为单色吸收率、反射率和透射率。分别记为反射率和透射率。分别记为A , R , 各种物体对不同波长的辐射具有各种物体对不同波长的辐射具有不同的吸收率与放射率，构成不同的吸收率与放射率，构成了该物体的了该物体的吸收光谱吸收光谱或或辐射光辐射光谱谱。反照率：物体表面的反射辐射通反照率：物体表面的反射辐射通量与入射辐射通量之比量与入射辐射通量之比绝对黑体所有波长吸收率均为1A = 1单色黑体某一波长吸收率为1A = 1 灰体吸收率不随波长变化但小于1黑色物体?

28、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

29、,TBTFFTA1859年，基尔霍夫定律（对任意物体） 任何物体辐射率和吸收率之比相同，且仅是温度的函数，物体的吸收率等于比辐射率（ ,T ）。 F,T / A,T = f(,T)=FB(,T)f(,T) 为普适函数，FB(,T)为黑体辐射率（黑体吸收率为1）。 历史上首先关注黑体 完全吸收所有入射辐射（因此说黑）在所有波长和所有方向上有最大放射辐射 ,T =A,T ， ,T= F,T /FB(,T) 基尔霍夫定律表明：任何物体的辐射率（辐出度）和吸收基尔霍夫定律表明：任何物体的辐射率（辐出度）和吸收率之比都等于同一温度下黑体的辐出度。在相同温度时，黑率之比都等于同一温度下黑体的辐出度。在相同

30、温度时，黑体的辐出度是最大的，其他物体都无法超越它。体的辐出度是最大的，其他物体都无法超越它。 通常定义物体的发射能力通常定义物体的发射能力 和黑体的辐射能力和黑体的辐射能力 之比为比辐射率之比为比辐射率 , ,则基尔霍夫定律也可以写成下列形则基尔霍夫定律也可以写成下列形式：式： （物体的比辐射率与其吸收率相等）（物体的比辐射率与其吸收率相等） 基尔霍夫定律的意义：将物体的吸收能力和放射能力联系基尔霍夫定律的意义：将物体的吸收能力和放射能力联系起来，同时知道吸收率就知道了比辐射率；将各种物体的吸起来，同时知道吸收率就知道了比辐射率；将各种物体的吸收、放射能力与黑体的放射能力联系起来。收、放射能

31、力与黑体的放射能力联系起来。,TF,BFT,T,TTAGustav Robert Kirchhoff Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887)(1824-1887)德国物理学家德国物理学家18591859：KirchhoffKirchhoff s Laws Law光谱学光谱学电学电学发现了铯和铷发现了铯和铷对于绝对黑体物质，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221B5/1152( , )(e1)(e1)chkTCTc hFTC212Chc2hcCk普朗克函数(黑体分光辐亮度)2B/1151(,)( ,)

32、(e1)CTBTF TC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)Max Planck (1858-1947)德国物理学家德国物理学家19011901：PlanckPlanck s Laws Law1918 1918 Nobel PrizeNobel PrizeQuantum theory Quantum theory 瑞利瑞利金斯公式金斯公式)HzmW10/()(-1-29TF Hz10/14 瑞利瑞利 - - 金斯公式金斯公式实验曲线实验曲线k2000T

33、*kTcTF222)(紫外灾难紫外灾难频率越高，相差越大频率越高，相差越大紫紫 红红 : 4000 7000 : 7.69 1014Hz 3.95 1014Hz经典物理的困难经典物理的困难经典物理不能解经典物理不能解释黑体辐射曲线释黑体辐射曲线普朗克（普朗克（1858- -1947） 德国理论物理学家，量子论的德国理论物理学家，量子论的奠基人奠基人. 1900年他在德国物理学年他在德国物理学会上，宣读了以会上，宣读了以关于正常光谱关于正常光谱中能量分布定律的理论中能量分布定律的理论为题的为题的 论文论文. 劳厄称这一劳厄称这一 天是天是“量子论的量子论的 诞生日诞生日”.量子论量子论 和相对论

34、构成了近代物理学的研究和相对论构成了近代物理学的研究 基础基础.普朗克假设普朗克假设量子力学量子力学宏观领域宏观领域经典力学经典力学现代物理的理论基础现代物理的理论基础量子力学量子力学相相 对对 论论量子力学量子力学微观世界的理论微观世界的理论起源于对波粒二相性的认识起源于对波粒二相性的认识 （1）黑体腔壁中的电子振动可视为谐振子，黑体腔壁中的电子振动可视为谐振子，), 3 , 2 , 1(量子数nnh 是分立的，只是分立的，只能取某一最小能量的整数倍，能取某一最小能量的整数倍，即即 ，2 ，3 . n , h称为能量子，称为能量子，sJ1063. 634h普朗克恒量普朗克恒量：振子的频率 （

35、2）谐振子的能量谐振子的能量h1h3h2h4可连续取值经典物理221kAE 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。4TFBTLudwig Boltzmann Ludwig Boltzmann (1844-1906)(1844-1906)奥地利物理学家奥地利物理学家18841884：Stefan-Boltzmann lawStefan-Bo

36、ltzmann law（理论推导）统计力学统计力学黑体辐射最大单色通量密度与它的温度成反比例如对6000 K黑体， max = 0.42 mm（蓝色光）由辐射最强的波长也可以确定绝对黑体的温度，光谱方法测定物体温度的基础。由维恩位移定律求出的温度称为颜色温度或色温。 max2897.8()TmKmWilhelm Wien (1864-1928)Wilhelm Wien (1864-1928)德国物理学家德国物理学家18931893：WienWien s Displacement Laws Displacement Law1911 1911 Nobel PrizeNobel Prize定义定义

37、black body black body太阳辐射的能量集中在太阳辐射的能量集中在0.1m mm至至4.0m mm之间之间地球大气辐射的能量主要集中在地球大气辐射的能量主要集中在4m mm至至120m mm之间之间在大气物理学中，常称在大气物理学中，常称太阳辐射太阳辐射为为短波辐射短波辐射，称，称地球辐地球辐射射为长波辐射。短波和长波辐射以为长波辐射。短波和长波辐射以4m mm分界。分界。 T=6000K时时(代表太阳代表太阳,短波短波)， =0.174m mm max =0.483 m mmT=300K (代表地面代表地面,长波长波)， = 3.380 m mm max =9.659 m m

38、mT=200K时时(代表大气代表大气,长波长波)， =5120m mm max =14.489m mm占总能量的99%以上面积为绝对黑面积为绝对黑体积分出射度体积分出射度除以除以T4相对能量大小相对能量大小: :在所有的波长，太阳表面的辐射通量都远大于地球表面在所有的波长，太阳表面的辐射通量都远大于地球表面辐射通量。辐射通量。但辐射通量在传输过程中随距离的平方减小。在地球表但辐射通量在传输过程中随距离的平方减小。在地球表面或离地面几百公里的范围内，在长波波段，地球的面或离地面几百公里的范围内，在长波波段，地球的辐射通量远大于太阳的辐射通量，故常常可以忽略太辐射通量远大于太阳的辐射通量，故常常可

39、以忽略太阳的作用。阳的作用。例如，在大气上界，入射的太阳长波辐射通量约10 Wm-2，而地球出射的长波辐射通量约270 Wm-2。 对于全波段辐射通量密度，太阳、地球两者辐射通量密对于全波段辐射通量密度，太阳、地球两者辐射通量密度数量级接近度数量级接近补充： 平衡辐射的基本定律主要内容主要内容辐射平衡基尔霍夫定律斯蒂芬玻尔兹曼定律维恩位移定律普朗克黑体辐射定律 辐射平衡：辐射平衡： (1) 自然界的任何物体都自然界的任何物体都通过辐射交换着能量通过辐射交换着能量。 (2) 如果没有其他方式的能量交换如果没有其他方式的能量交换，一物体的热量得失和，一物体的热量得失和热状态的变化就取决于热状态的变

40、化就取决于放射和辐射能之间的差值放射和辐射能之间的差值。 (3) 当物体当物体发射出的辐射能发射出的辐射能恰好等于恰好等于吸收的辐射能吸收的辐射能时，该时，该物体处于物体处于辐射平衡辐射平衡，这时，这时物体处于热平衡态，可以用物体处于热平衡态，可以用态函态函数温度来描述数温度来描述，因此也可称为温度辐射，因此也可称为温度辐射。一般物体一般物体不是辐射平衡不是辐射平衡的。的。如果如果辐射能交换的过程缓慢辐射能交换的过程缓慢，物体的内能分布来得及均，物体的内能分布来得及均匀变化，并持续处于热平衡状态，这时的辐射可是为具匀变化，并持续处于热平衡状态，这时的辐射可是为具有有准平衡性质准平衡性质。一般认

41、为地面至一般认为地面至60km60km以下以下的大气处于的大气处于局地辐射平衡局地辐射平衡状态状态，因此可以，因此可以用平衡辐射规律来解决用平衡辐射规律来解决平流层以下平流层以下的大气辐的大气辐射问题。射问题。 黑体：黑体： 能全部吸收入射辐射能的物体能全部吸收入射辐射能的物体模型：模型： 空腔小孔空腔小孔黑体是理想模型黑体是理想模型黑体黑体辐射辐射：物体吸收辐射能同时，物体吸收辐射能同时，又要又要向外辐射能量。向外辐射能量。1.基尔霍夫（Kirchhoff)定律在物体的吸收能力和辐射能力之间，也就是吸收光谱和辐射光谱之间，存在着一定关系。实验表明，相同温度的物体，吸收率大的辐射率（辐射出射度

42、）也大，反之，吸收率小的辐射率也小。1859年，基尔霍夫定律（对任意物体） 任何物体辐射率和吸收率之比相同，且仅是温度的函数，物体的吸收率等于比辐射率（ ,T ）。 F,T / A,T = f(,T)=FB(,T)f(,T) 为普适函数，FB(,T)为黑体辐射率（黑体吸收率为1）。 历史上首先关注黑体 完全吸收所有入射辐射（因此说黑）在所有波长和所有方向上有最大放射辐射 ,T =A,T ， ,T= F,T /FB(,T)基尔霍夫定律证明 如一黑体和一物体在真空中达辐射平衡：对黑体，放射=吸收，为 FB(,T) d = F,T d + (1- A,T ) FB(,T) d对物体平衡，F,T d

43、= A,T FB(,T) d都有A,T FB(,T) = F,T 黑体吸收物黑体吸收物体的放射体的放射黑体吸收物体吸黑体吸收物体吸收后剩下的辐射收后剩下的辐射黑体的放射黑体的放射物体的放射物体的放射物体的吸收物体的吸收 基尔霍夫定律表明：任何物体的辐射率（辐出度）和吸收基尔霍夫定律表明：任何物体的辐射率（辐出度）和吸收率之比都等于同一温度下黑体的辐出度。在相同温度时，黑率之比都等于同一温度下黑体的辐出度。在相同温度时，黑体的辐出度是最大的，其他物体都无法超越它。体的辐出度是最大的，其他物体都无法超越它。 通常定义物体的发射能力通常定义物体的发射能力 和黑体的辐射能力和黑体的辐射能力 之比为比辐

44、射率之比为比辐射率 , ,则基尔霍夫定律也可以写成下列形则基尔霍夫定律也可以写成下列形式：式： （物体的比辐射率与其吸收率相等）（物体的比辐射率与其吸收率相等） 基尔霍夫定律的意义：将物体的吸收能力和放射能力联系基尔霍夫定律的意义：将物体的吸收能力和放射能力联系起来，同时知道吸收率就知道了比辐射率；将各种物体的吸起来，同时知道吸收率就知道了比辐射率；将各种物体的吸收、放射能力与黑体的放射能力联系起来。收、放射能力与黑体的放射能力联系起来。,TF,BFT,T,TTA40d)()(TTFTF428KmW10670. 5斯蒂芬斯蒂芬玻尔兹曼常量玻尔兹曼常量总辐出度总辐出度式中式中O 1000 200

45、01.0 )mW10/()(314TFnm/可见光区可见光区3000K3000K6000K6000Km0.52. bT m峰值波长峰值波长O 1000 20001.0 )mW10/()(314TMnm/可见光区可见光区3000K3000K6000K6000Km0.5Km10898. 23b常量常量瑞利瑞利金斯公式金斯公式)HzmW10/()(-1-29TF Hz10/14 瑞利瑞利 - - 金斯公式金斯公式实验曲线实验曲线k2000T*kTcTF222)(紫外灾难紫外灾难频率越高，相差越大频率越高，相差越大紫紫 红红 : 4000 7000 : 7.69 1014Hz 3.95 1014Hz经

46、典物理的困难经典物理的困难经典物理不能解经典物理不能解释黑体辐射曲线释黑体辐射曲线普朗克（普朗克（1858- -1947） 德国理论物理学家，量子论的德国理论物理学家，量子论的奠基人奠基人. 1900年他在德国物理学年他在德国物理学会上，宣读了以会上，宣读了以关于正常光谱关于正常光谱中能量分布定律的理论中能量分布定律的理论为题的为题的 论文论文. 劳厄称这一劳厄称这一 天是天是“量子论的量子论的 诞生日诞生日”.量子论量子论 和相对论构成了近代物理学的研究和相对论构成了近代物理学的研究 基础基础.普朗克假设普朗克假设量子力学量子力学宏观领域宏观领域经典力学经典力学现代物理的理论基础现代物理的理

47、论基础量子力学量子力学相相 对对 论论量子力学量子力学微观世界的理论微观世界的理论起源于对波粒二相性的认识起源于对波粒二相性的认识 （1）黑体腔壁中的电子振动可视为黑体腔壁中的电子振动可视为谐振子谐振子，), 3 , 2 , 1(量子数nnh 是是分立的分立的，只，只能取某一最小能量的整数倍，能取某一最小能量的整数倍，即即 ，2 ，3 . n , h称为称为能量子能量子，sJ1063. 634h普朗克恒量普朗克恒量：振子的频率 （2）谐振子的能量谐振子的能量h1h3h2h4可连续取值经典物理221kAE 4、普朗克黑体辐射定律1900年普朗克开创性的引进了量子概念，将辐射当做不连续的量子发射，

48、得出了绝对黑体辐射率随波长变化的函数关系，即普朗克定律。 其中 是绝对黑体的分光辐出度，单位为 第一辐射常数： 第二辐射常数： 其中c为光速，h为普朗克常数，k为玻尔兹曼常数 根据黑体的定义，黑体它吸收所有波长的辐射，即吸收能力为1，又能发射所有波长的电磁波22111552,(1)(1)cchk TTBcc hFTee,BFT21Wmmm2842123.7424 10cc hWmmm214388chcm Kkm普朗克公式：普朗克公式：在所有波段里都与实验符合很好。在所有波段里都与实验符合很好。或或22111552,(1)(1)cchk TTBcc hFTee1e2),(/32kThchTFB1

49、ed2d),(/32kThchTF普朗克黑体辐射公式普朗克黑体辐射公式o 1 2 3 6Hz10/14)HzmW10/()(1-29TF2 4实验值实验值*k2000T普朗克公式的理论曲线普朗克公式的理论曲线用玻尔兹曼用玻尔兹曼统计代替能统计代替能量均分定理量均分定理普朗克函数（辐射强度）黑体的分光辐亮度（W m2m1sr1） 黑体：朗伯体亮度温度（等效黑体温度，遥感测温的基础）1/51) 1(),(1),(2TcBecTFTL不同温度时黑体辐射光谱的差异：不同温度时黑体辐射光谱的差异：（1）理论上，任何温度的绝对黑体都放射）理论上，任何温度的绝对黑体都放射 波长辐射，但波长辐射，但温度不同温

50、度不同，辐射能量集中的波段也就不同，辐射能量集中的波段也就不同。随着。随着温度的下降温度的下降，辐射能量集中的波，辐射能量集中的波段段向长波方向向长波方向移动。移动。（2）当）当温度升高温度升高时，各波段时，各波段放射的能量均加大放射的能量均加大，积分辐射能力，积分辐射能力 也随着也随着迅速加大，且能量集中的波段向短波方向移动。迅速加大，且能量集中的波段向短波方向移动。 （3）每一温度下，都有辐射最强的波长）每一温度下，都有辐射最强的波长 ，即光谱曲线有一极大值，而，即光谱曲线有一极大值，而且且随温度升高随温度升高， 变小变小。普朗克定律的物理解释0mmTFmaxmax普朗克定律导出斯蒂芬玻尔兹曼定律1879年斯蒂芬由实验发现，绝对年斯蒂芬由实验发现，绝对黑体的积分辐出度黑体的积分辐出度与其与其温度温度的的4次方成次方成正比，即正比，即 后来后来1884年玻尔兹曼由热力学理论得出了这个公式。式中年玻尔兹曼由热力学理论得出了这个公式。式中 称为斯蒂称为斯蒂芬芬玻尔玻尔 兹曼常数。兹曼常数。说明黑体辐射只与物体的温度有关。说明黑体辐射只与物体的温度有关。放射体的温度越高，放射的能量放射体的温度越高，放射的能量就越大。就越大。这是描述较热的物体辐射方式的定律。这是描述较热的物体辐射方式的定律。4TFT)(106696. 515,15151,1,TX) 1(),(4284421444