大气辐射传输理论

1大气辐射传输理论引言学科定义：1、大气辐射学争论辐射能在地球-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分支。大气辐射学是天气学、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根底之一。2、地球－大气系统的辐射差额是天气变化和气候形成及其演化的根本因素，可以说辐射过程与动力过程的作用共同打算了地球的气候环境。学习、争论的意义辐射是地气系统与宇宙空间能量交换的唯一方式数值天气预报中需要定量化考察大气辐射过程辐射传输规律是大气遥感的理论根底气候问题——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争论热点，其缘由也在于人类活动所排放的某些物质会转变地球大气中的辐射过程所致。大气辐射学主要争论内容：一、地-气系统辐射传输的根本物理过程和规律，包括1、太阳的辐射(97%E0.3～3μm波段内，m=0.5μm四周)；2、地-气系统辐射(绝大局部E4～80μm波段内，m=10μm四周)；3、不同地表状态云、气溶胶、水汽、臭氧、二氧化碳等对辐射传输的影响。二、大气辐射学还要争论辐射传输方程的求解。辐射传输方程：是描述辐射传播通过介质时与介质发生相互作用(吸取、散射、放射等)而使辐射能按肯定规律传输的方程，在地球大气条件下，求解格外简单，只能在一些假定下求得解析解，因此辐射传输方程的求解，始终是大气辐射学争论的重要内容。三、另外，对辐射与天气、气候关系的争论也是大气辐射学的重要内容，它是从地-气系统辐射收支的角度，来争论天气和气候的形成以及气候变迁问题的。相关内容：很多简单的物理动力气候学问题中，涉及到海洋、极冰、陆地外表的辐射和热状况，大气中的云、气溶胶、二氧化碳等因子在辐射过程中对气候所造成的影响，以及这些过程和大气辐射过程之间简单的相互作用和反响关系。第一章用于大气辐射的根本学问第一节辐射的根本概念太阳辐射和地球大气辐射虽具有不同的特性，其本质是一样的，它们都是电磁辐射。电磁辐射是以波动和粒子形式表现出的一种能量传送形式。电磁涉及其特性二、机械波：机械振动在媒质中的传播，如声波、水波和地震波。三、电磁波二、机械波：机械振动在媒质中的传播，如声波、水波和地震波。三、电磁波ElectroMagneticSpectru：变化电场和变化磁场在空间的传播。四、电磁辐射:电磁能量的传递过程〔包括辐射、吸取、反射和投射〕称为电磁辐射。五、电磁波的特性：123、电磁波具有波粒二相性：波动性：表现在电磁辐射以波动方式在大气中传播，并发生反射、折射、衍射和偏振等效应。也就是说电磁波是以波动的形式在空间传播，因此具有波动性。粒子性：电磁波是由密集的光电子微粒组成的，电磁辐射的实质是光子微粒的有规律的运动。电磁波的粒子性使得电磁辐射的能量具有统计性。表现在电磁辐射过程、吸取过程发生的气体辐射谱线和吸取谱线、光电效应等。波粒二相性的程度与电磁波的波长有关：波长越短，辐射的粒子性越明显；波长越长，辐射的波动性越明显。这种双重特性实际正是电磁辐射本质在不同方面的表现。辐射的物理本质自然界一切物体都时刻不停地以电磁波〔电场和磁场的交变波动〕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。辐射产生的缘由光辐射：依靠入射光补充能量而导致的辐射〔如夜光等〕电辐射：依靠放电补充能量而导致的辐射〔如日光灯等〕化学辐射：依靠化学反响补充能量而导致的发光在物理学中，直接把辐射作为电磁波每份能量的辐射称为光子。每个光子的能量为在物理学中，直接把辐射作为电磁波每份能量的辐射称为光子。每个光子的能量为为辐射频率，以S－1为单位，h为Planck常数，h＝6.626*10-34JS。在真空中以光速c传播，c＝2.9979*108ms－1频率与波长之间的关系：习惯上常用微米μm(1μm＝10-4cm)nm〔1nm＝10-7cm＝10-3μm〕和埃米Å〔1Å＝10-4μm〕也常常使用，特别是用于紫外辐射。频率单位通常使用GHz，1GHz＝109Hz，因此，1cm30GHz。射特征，它的定义是：波长的倒数称为波数n，表示单位距离内波的数目，常以cm－1为单位，习惯上常用波数n来描述红外辐射特征，它的定义是：因此，一个光子的能量与辐射的波长成反比，光子的辐射频率和相应的能量与波数成正比。电磁波谱不同波长的电磁波具有不同的物理性质，因此我们可以按波长或频率来区分辐射，确定相应的名称，它们共同组成了电磁波的频谱。红外线：近红外：0.7-2.5微米红外线：近红外：0.7-2.5微米远红外：2.5-1000微米长短波〔太阳辐射与地球辐射光谱不重叠〕分界：4微米1.1.4根本辐射量立体角电磁波谱紫外线：uv-A：0.315-0.400微米uv-B：0.280-0.315微米uv-C：0.150-0.280微米nearuv：0.3-0.4微米Middleuv:0.2-0.3微米faruv：0.1-0.2微米extremeuv：0.01-0.1微米定义：锥体所拦截的球面积σ与半径r的平方之比，单位为球面度sr，为一无量纲量。4πr24πsr。以放射体角定义为：drd rsindddr2

sindd是极坐标中的天顶角[0，90]是方位角[0,360]常用辐射量辐射能E能量:焦耳、热力学卡〔1k=4.1840J〕辐射通量〔发光度〕f〔辐射功率W〕单位时间内通过任意外表的辐射能量，单位为J/s，即W

fdEF单位时间通过单位面积的辐射能量，单位为F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：表示面元承受的F时，又称辐照度〔irradiance〕辐射强度I〔又称辐亮度，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。表示从物体外表放射出的，又称辐出度、辐射度、辐射力量辐射强度I〔又称辐亮度，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。符号Quantity量纲单位”符号Quantity量纲单位”EfFI如面元法向与辐射方向成θ角，则上式为：EnergyML2T2焦耳(J)Flux(发光度)通量ML2T3Joulepersecond(JFluxdensity(辐照度or辐出度)强度(辐亮度，辐射率)MTMT33sec1,W)Joulepersecondpersquaremeter(Wm2)Joulepersecondpersquaremeterpersteradian(Wm2srl)在争论限制在一个指定的无穷小的波长λ、频率 或波数在争论限制在一个指定的无穷小的波长λ、频率 或波数n间隔上的单色辐射时，各辐射量都有它对应的量，这些量是光谱量，在符号上分别用下标λ、和n来标注，如fλFλIλ。单色与谱段积分辐射量Q单色与谱段积分辐射量Q2Qd1辐射强度与方向无关称为各向同性，如太阳、陆地外表，又称：余弦辐射体或朗伯体光源。安静的水面因 I辐射强度与方向无关称为各向同性，如太阳、陆地外表，又称：余弦辐射体或朗伯体光源。安静的水面因有反射不能当做朗伯面处理。 F 在极坐标系中，对各向同性辐射，其单色辐射通量密度与单色辐射强度的关系为：〔1：证明此关系式〕辐射源球外表的辐射通量密度为：往外放射辐射的物体称为辐射源。最简洁的辐射源是点源，这是一种抱负的状况，即其几何尺度可以被忽f0r的球面，则通过球外表的辐射通量密度为：这里辐射传输的方向都在半径方向。由于与立体角相对的面积随距离以r2增大，因此通过单位面积的辐r2减小。在离点光源距离相当大并且在争论相比照较小的范围中的问题时，可以把由点源发出的辐射当作平行辐射处理。在大气辐射中，我们常把来自太阳的直接辐射看作平行光。在不考虑吸取散射等因素时，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。面辐射源：面辐射源的特点是其辐射的方向可以是不同的，它可以向2π立体角中放射辐射能。我们大部分争论的是水平均一或球面均匀的大气。吸取率、反射率和透射率定义：A=Ea/E0，R=Er/E0，A＋R＋＝1透射率=Et/E0。当物体不透亮时，=0,则有A+R=1单色吸取率、反射率和透射率，分别记为AλRλλ各种物体对不同波长的辐射具有不同的吸取率与放射率，构成了该物体的吸取光谱或辐射光谱。黑体和灰体确定黑体：对全部波长的辐射吸取率均为1单色黑体;对某一波长的辐射吸取率为1留意：黑体与黑色物体是有区分的！灰体吸取率<1的常数，不随波长而变选择性辐射体：吸取率小于1，且随波长而变化。辐射平衡当物体放射出的辐射能恰好等于吸取的辐射能，称该物体处于辐射平衡。这时物体处于热平衡态，因而可:基尔霍夫定律和有关黑体热辐射的三个定律。四个定律〔1〕PlanckLaw(1901)波长或频率的关系。从理论上得出，与试验准确符合Planck函数：第一辐射常数C1波长或频率的关系。从理论上得出，与试验准确符合Planck函数：第一辐射常数C1：其次辐射常数C2：B 5exphcc3.0108ms-1，kT1普朗克常数h=6.626210-34Js-1，波尔兹曼常数k=1.380610-23JK-1。由普朗克定律可以得出各种温度下确定黑体的辐射光谱曲线。黑体辐射与物质组成无关1、任何温度确实定黑体都放射波长0~无穷mm的辐射，但温度不同，辐射能量集中的波段不同。2、温度越高，各波段放射的能量均加大。积分辐射力量也随温度上升而快速加大。但能量集中的波段则〔例：铁〕3、每一温度下，都有辐射最强的波长lmax，即光谱曲线有一极大值，而且随温度上升，lmax变小。620380620380Stefan-Boltzmann通量密度很大的变化。Stefan-Boltzmann常数普朗克定律提出之前，1879StefanBoltzmann1884通量密度很大的变化。Stefan-Boltzmann常数是红外装置测定温度的理论根底。=5.66961*10-8Wm2K4Wien位移定律分，可得：1893年维恩从热力学理论推导出：黑体辐射最大强度的波长与它的温度成反比。同样将planck函数对波长微分，可得：黑体温度越高，lmax愈小。即：随着温度的上升，辐射最大值对应的峰值波长向短波方向移动。kirchhoff定律18591882年由热力学定律论证在辐射平衡条件下，任何物体的单色辐射通量密度FλT与吸取系数AλT成正比关系，二者比值只是波长和的函数，与物体性质无关，比值大小等于Planck函数的通量密度形式 T BA T

A610kirchhoff定律的意义：1、不仅将物体的辐射力量与其吸取率联系起来，同时又将物体的辐射力量与黑体的辐射力量联系在一起。可以将有关黑体的结果应用于非黑体，就给争论物体辐射的放射和吸取带来很大方便。2、该定律要求热力学平衡条件，所以要求到达均一的温度分布和各向同性辐射。明显，地球大60～70km以下的局部空间而言，可以作较好的近似。所以只有在局域热力学平衡的意义上，基尔霍夫定律才适用于大气。[2]FB=7.250104Wm2,计算该黑体的温度以及辐射最强的波长。=5.66961*10-8Wm2K4第四节辐射传输引论散射、吸取、放射散射(scattering):物体通过该过程从入射辐射中连续地提取能量，再将其向各方向重辐射出去RayleighMie散射；单次、二次和屡次散射吸取(absorption):辐射能量被吸取后被转换为其它形式的能量消光(extinction=attenuation):散射+吸取放射(emission)辐射传输方程辐射强度I在大气中传播，通过ds辐射强度I在大气中传播，通过ds的距离后变为I+dI，dI由以下两方面缘由产生：dI＝dI1＋dI2

Ids1、吸取和散射作用辐射能衰减 dI 1ρ是传输介质的密度，k称为单色辐射的质量消光系数，是质量吸取和质量散射系数之和.(cm2*g-1)截面〔crosssection〕σ表示粒子从初始光束中移除的能量大小面积：[L2]cm2相对质量：[L2M-1]cm2g-1质量消光截面k红外传输中，质量吸取截面吸取系数…〔体积〕消光系数β：[L-1]cm-1消光截面σ(cm2)×数密度N(cm-3)或质量消光截面k×密度ρ2、因物质放射的同波长辐射和屡次散射而增加定义源函数系数j〔质量放射系数W.g-1.sr-1〕dI j ds2

kIdsjdsdI dI dI1 2定义源函数Jj/kdIdIkdsJI普遍的辐射传输方程，争论任何辐射传输过程的根底sks=0积分到sks=0积分到s=s1可得

I(s)I(0)exp1

1kds0s假定传输介质均匀〔如薄层近似，则k不依靠于距离，因此定义光学路径长度path或光学质量opticalmas[ML-2]su

1dsII(s)I(0)eku10这就是著名的Beer-Bouguer-LambertLaw。表示通过均匀吸取介质传播的辐射按简洁的指数函数减弱，该指数函数的自变量是质量吸取截面和光学质量的乘积单色透过率T〔transmissivity〕TI(