第五章辐射1基本知识

1、1第五章第五章地面和大气中的辐射过程地面和大气中的辐射过程学习要求学习要求q 提前预习q 课堂听讲q 习题（复习）3第五章第五章地面和大气中的辐射过程地面和大气中的辐射过程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。4大气辐射学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

2、之一。5学习、研究的意义学习、研究的意义6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气辐射过程气候问题辐射强迫75.1 5.1 辐射的基本知识辐射的基本知识5.1.1 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85.1 5.1 辐射的基本知识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，

3、速度即光速95.1.1 5.1.1 电磁波谱电磁波谱电磁波描述波长频率f 波数 波速c cfcf1105.1.1 5.1.1 电磁波谱电磁波谱115.1.1 5.1.1 电磁波谱电磁波谱例1：波长10mm对应的波数和频率？125.1.1 5.1.1 电磁波谱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，称之为电磁波谱。135.1.1 5.1.1 电磁波谱电磁波谱145.1.1 5.1.1 电磁波谱电磁波谱紫外线：uvuv-A-A：0.315-0.400 0.315-0.400 微米微米uvuv-B-B：0.280-0.3150.280-0.315微米微米

4、uvuv-C-C：0.150-0.2800.150-0.280微米微米可见光红外线：近红外：近红外：0.7-2.50.7-2.5微米微米远红外：远红外：2.5-10002.5-1000微米微米微波无线电波长波、短波：4微米155.1.2 5.1.2 描述辐射场的物理量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）165.1.2 5.1.2 描述辐射场的物理量描述辐射场的物理量立体角sindrdrd 2sinddd dr 17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

5、任意表面的辐射能量，单位为J/s，即WdQdt 5.1.2 5.1.2 描述辐射场的物理量描述辐射场的物理量18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：表示面元接受的辐射时，又称辐照度（irradiance）表示从物体表面发射出的辐射，又称辐出度、辐射度、辐射能力（emittance）,用F表示。ddQEdAdtdA5.1.2 5.1.2 描述辐射场的物理量描述辐射场的物理量19单色与谱段积分辐出度21FF d5.1.2 5.1.2 描述辐射场的物理量描述辐射场的物理量20辐射强度L(radiance辐亮度、辐射率

6、)单位立体角、单位波长、单位面积所通过的辐射功率，单位为W/m2srm5.1.2 5.1.2 描述辐射场的物理量描述辐射场的物理量d(,)ddQLxyztA d21辐射强度L(radiance辐亮度、辐射率)光度计示意图5.1.2 5.1.2 描述辐射场的物理量描述辐射场的物理量22CE318自动跟踪太阳分光光度计5.1.2 5.1.2 描述辐射场的物理量描述辐射场的物理量23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）5.

7、1.2 5.1.2 描述辐射场的物理量描述辐射场的物理量24辐射通量密度辐射通量密度（radiant flux density）辐射场内任一点处通过单位面积的辐射功率25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 5.1.2 描述辐射场的物理量描述辐射场的物理量26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 5.1.2 描述辐射场的物理量描述辐射场的物理量dcosLE27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

8、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 5.1.2 描述辐射场的物理量描述辐射场的物理量2 20020 2cossinddcossinddELEL *EEE28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 5.1.2 描述辐射场的物理量描述辐射场的物理量29辐射通量密度根据发射和接收对象不同分为辐照度和辐出度两个概念辐照度：单位时间单位面积接收到的辐射功率辐出度：单位时间单位面积在法线方向发射出的功率30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）

9、将随r 2减小。 5.1.2 5.1.2 描述辐射场的物理量描述辐射场的物理量024Er31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 5.1.2 描述辐射场的物理量描述辐射场的物理量32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。

10、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。 5.1.2 5.1.2 描述辐射场的物理量描述辐射场的物理量33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 5.1.2 描述辐射场的物理量描述辐射场的物理量cosSS34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

11、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 5.1.2 描述辐射场的物理量描述辐射场的物理量35朗伯体（Lambert）光源辐射强度不随方向变化的面辐射源-朗伯体如黑体、太阳、陆地表面平静水面？例5.1(朗伯定律)P665.1.2 5.1.2 描述辐射场的物理量描述辐射场的物理量FL365.2 5.2 辐射的物理规律辐射的物理规律5.2.1 5.2.1 吸收率、反射率和透射率吸收率、反射率和透射率5.2.25.2.2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37能量守恒能量守恒Q0 = Qa + Qr + Qt

12、 吸收率吸收率A = Qa / Q0反射率反射率R = Qr / Q0透射率透射率 = Qt / Q0( (透过率透过率) )A + R + = 1 5.2.1 5.2.1 吸收率、反射率和透射率吸收率、反射率和透射率38对于单色辐射，称为单色吸收对于单色辐射，称为单色吸收率、反射率和透射率。分别率、反射率和透射率。分别记为记为A , R , 各种物体对不同波长的辐射具各种物体对不同波长的辐射具有不同的吸收率与放射率，构有不同的吸收率与放射率，构成了该物体的成了该物体的吸收光谱吸收光谱或或辐射辐射光谱光谱。反照率：物体表面的反射辐射反照率：物体表面的反射辐射通量与入射辐射通量之比通量与入射辐射

13、通量之比5.2.1 5.2.1 吸收率、反射率和透射率吸收率、反射率和透射率39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15.2.1 5.2.1 吸收率、反射率和透射率吸收率、反射率和透射率？黑色物体405.2.25.2.2平衡辐射的基本规律平衡辐射的基本规律普朗克定律普朗克定律斯蒂芬斯蒂芬- -波尔兹曼（波尔兹曼（ Stefan-Stefan-BoltzmannBoltzmann）定律定律维恩（维恩（WienWien）位移定律）位移定律基尔霍夫定律基尔霍夫定律前三个定律均是描述前三个定律均是描述绝对黑体的定律绝对黑体的定律黑体黑

14、体 =一般物体一般物体41 Planck LawPlanck Law（普朗克定律）（普朗克定律）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 hFTC212Chc2hcCk42Planck LawPlanck Law普朗克函数2B/1151(,)( ,)(e1)CTBTF TC43Planck LawPlanck 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-Stefan-BoltzmannBoltzmann Law Law最大强度的波长随温

15、度增高而减小WienWien位移定律位移定律44Max Planck (1858-1947)Max Planck (1858-1947)德国物理学家德国物理学家19011901：Plancks LawPlancks Law1918 1918 Nobel PrizeNobel PrizeQuantum theory Quantum theory Planck LawPlanck Law45Stefan-Stefan-BoltzmannBoltzmann Law 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

16、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6000K，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。4TFBT46Joseph 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 lawStefan-Boltzmann lawStefan flowStefan flow热学热学电磁学电磁学1904 Nobel Prize1904 Nobel PrizeThere always something wil

17、l remain, that we shall not know, why? 47Ludwig Ludwig BoltzmannBoltzmann (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48WienWien位移定律位移定律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。

18、max2897.8()TmKm49Wilhelm Wilhelm WienWien (1864-1928) (1864-1928)德国物理学家德国物理学家18931893：Wiens Displacement LawWiens Displacement Law1911 1911 Nobel PrizeNobel Prize定义定义 black body black body5.2.2 5.2.2 平衡辐射的基本规律平衡辐射的基本规律50WienWien位移定律位移定律51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

19、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52KirchhoffKirchhoff Law 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,TBTFFTA53KirchhoffKirchhoff Law 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 ( ,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。TTA,54Gustav Robert Gustav Robert KirchhoffKirchhoff (1824-1887)(1824-1887)德国物理学家德国物理学家18591859：KirchhoffsKirchhoffs Law Law光谱学光谱学电学电学发现了铯和铷发现了铯和铷KirchhoffKirchhoff Law Law55太阳辐射的能量