概念定律大气对辐射的作用

概念定律大气对辐射的作用第1页，共44页，2023年，2月20日，星期五大气辐射学5.1辐射的基本概念5.2辐射的物理规律5.2.1吸收率、反射率、透射率5.2.2黑体辐射定律5.2.3太阳辐射和地球辐射的差异5.3地球大气对辐射的作用5.4太阳辐射在地球大气中的传5.5长波辐射在大气中的传输5.6地面、大气及地气系统的辐射平衡第2页，共44页，2023年，2月20日，星期五大气辐射学(5.1-5.3)5.1辐射的基本概念5.2辐射的物理规律5.2.1吸收率、反射率、透射率5.2.2黑体辐射定律5.2.3太阳辐射和地球辐射的差异5.3地球大气对辐射的作用第3页，共44页，2023年，2月20日，星期五5.1辐射的基本概念5.1.1电磁辐射1、定义：以电磁波形式传播能量的方式称为辐射。所传递的能量称为辐射能，有时也简称为辐射。第4页，共44页，2023年，2月20日，星期五3、电磁波长范围：10-16m~106m宇宙射线、γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波4、大气科学关注波段：

太阳、地球和大气辐射波段：0.1μm----120μm,既紫外、可见、红外遥感探测中：除了上面的，还有微波、无线电波

第5页，共44页，2023年，2月20日，星期五5.1.2辐射基本特征量分能量单位和光度测量单位1、辐射能Q：单位为焦耳（J）2、辐射通量φ：单位为瓦（W）3、辐射通量密度E：按方向分为辐出度和辐照度第6页，共44页，2023年，2月20日，星期五单位为W/m2第7页，共44页，2023年，2月20日，星期五大气辐射学(5.1-5.3)5.1辐射的基本概念5.2辐射的物理规律5.2.1吸收率、反射率、透射率5.2.2黑体辐射定律5.2.3太阳辐射和地球辐射的差异5.3地球大气对辐射的作用第8页，共44页，2023年，2月20日，星期五一、物体对辐射的作用和选择性吸收、反射、透射三种作用(P66图5.3）物体对不同波长辐射具有不同的吸收率、反射率和透射率，这种特性称为________________。物体对辐射的吸收、反射和透射的选择性：5.2辐射的物理规律5.2.1吸收率、反射率、透射率第9页，共44页，2023年，2月20日，星期五定义：1、吸收率，反射率，透射率，分别记做A，R，τ2、单色吸收率，反射率，透射率Aλ，Rλ，τλ3、反照率4、吸收光谱、辐射光谱第10页，共44页，2023年，2月20日，星期五某波长的黑体：见书67页灰体：见书67页二、黑体和灰体绝对黑体（黑体）：见书67页1、黑体2、灰体第11页，共44页，2023年，2月20日，星期五5.2.2黑体辐射定律第12页，共44页，2023年，2月20日，星期五MaxKarlErnstLudwigPlanck（1858-1947）德国物理学家，量子力学的开创人一、Planck定律1900年M.

Planck依据量子理论导出了黑体辐射关于温度T和波长λ的函数关系式第13页，共44页，2023年，2月20日，星期五其中h为普朗克常数6.62*10-34Js-1K为玻尔兹曼常数1.38*10-23

Jk-1从69页图5.5可直观看到黑体辐射与T、λ之间的关系5.2.6第14页，共44页，2023年，2月20日，星期五三、Stefan-Boltzmann定律其中σ=5.67*10-8Jm-2K-2s-1称为斯蒂芬——玻尔兹曼常数2、有效温度（等效黑体温度）Te:把实际物体的FT代入公式（5.2.8）所求出的温度称为此物体的有效温度。5.2.8第15页，共44页，2023年，2月20日，星期五

维恩维恩是一位理论、实验都有很高造诣的物理学家。

正象劳厄所评价的那样：“他的不朽的业绩在于引导我们走到量子物理学的大门口”。四、Wien位移定律（1864-1928）德国物理学家1911因发现了热辐射定律或诺贝尔物理学奖。第16页，共44页，2023年，2月20日，星期五2、色温度Tc:根据物体实际的λm由公式（2.2.6）所计算出的温度称为该物体的色温度（5.2.13）第17页，共44页，2023年，2月20日，星期五5.2.3太阳辐射和地球辐射的差异太阳表面辐射、地球表面、大气发出的辐射分别与T=6000K、T=300K、T=200K的黑体所发射辐射接近，常称太阳辐射为短波辐射，称地球和大气辐射为长波辐射，二者基本上以4μm为界（见76页图5.8a)第18页，共44页，2023年，2月20日，星期五第19页，共44页，2023年，2月20日，星期五大气辐射学(5.1-5.3)5.1辐射的基本概念5.2辐射的物理规律5.2.1吸收率、反射率、透射率5.2.2黑体辐射定律5.2.3太阳辐射和地球辐射的差异5.3地球大气对辐射的作用第20页，共44页，2023年，2月20日，星期五5.3地球大气对辐射的作用5.3.1大气对辐射吸收的物理过程5.3.2大气吸收光谱

5.3.3大气对辐射的散射5.3.4大气消光的数学描述第21页，共44页，2023年，2月20日，星期五5.3.1大气对辐射吸收的物理过程辐射吸收的定义：72页吸收：投射到介质上面的辐射能中的一部分被转变为物质本身的内能或其它形式的能量物理过程(略)第22页，共44页，2023年，2月20日，星期五5.3地球大气对辐射的作用5.3.1大气对辐射吸收的物理过程5.3.2大气吸收光谱5.3.3大气对辐射的散射5.3.4大气消光的数学描述第23页，共44页，2023年，2月20日，星期五5.3.2大气吸收光谱（见76页图5.8）水汽的吸收几乎覆盖长波辐射整个波段6.3m振动带大于12m转动带第24页，共44页，2023年，2月20日，星期五H2O主要集中在大气下层，吸收作用主要在对流层，特别是对流层下层第25页，共44页，2023年，2月20日，星期五O2主要在小于0.25m的紫外区：因小于0.25m的太阳辐射能量不到0.2%，而且O2在可见光波段的两吸收带较弱，所以对太阳辐射的削弱不大。第26页，共44页，2023年，2月20日，星期五O3强吸收在的紫外区：O3层吸收太阳辐射的2%—平流层温度高的原因第27页，共44页，2023年，2月20日，星期五CO2大于2m的红外区：5.3.2大气吸收光谱第28页，共44页，2023年，2月20日，星期五5.3.2大气吸收光谱（见76页图5.8）1、大气对辐射的吸收有明显的选择性2、吸收太阳辐射的气体主要是H2O，其次是O2、O3，CO2吸收的不多，吸收长波辐射的主要是H2O，其次是CO2和O3第29页，共44页，2023年，2月20日，星期五第30页，共44页，2023年，2月20日，星期五3、整层大气的吸收特征1）对于波长小于0.29μ的太阳辐射，吸收率接近1；对可见光区，大气吸收很少，只有不强的吸收带；在红外区有许多很强的吸收带2）大气对太阳辐射的吸收带都位于太阳辐射光谱两端能量较小的区域，对能量较大的可见光的吸收是很小的。第31页，共44页，2023年，2月20日，星期五大气透明窗或大气光谱窗8—12m大气的吸收很弱5.3.2大气吸收光谱第32页，共44页，2023年，2月20日，星期五4、大气透明窗：在8-12μm波段，大气的吸收很弱，被称为大气透明窗或大气光谱窗。第33页，共44页，2023年，2月20日，星期五5.3地球大气对辐射的作用5.3.1大气对辐射吸收的物理过程5.3.2大气吸收光谱

5.3.3大气对辐射的散射5.3.4大气消光的数学描述第34页，共44页，2023年，2月20日，星期五5.3.3大气对辐射的散射1、散射的定义

散射是指微粒把入射到其上的辐射重新向各方向辐射出去的一种现象。

大气中起散射作用的微粒在10-8cm—100cm范围内，如空气分子、尘埃、云滴、雨滴、雪花、冰雹等。第35页，共44页，2023年，2月20日，星期五2、散射分类引进无量纲尺度参数，对散射进行划分，式中r为散射微粒的半径，λ为入射辐射的波长。（1）若α<0.1，即，则称为分子散射，也称为瑞利散射。例如，空气分子对可见光的散射（2）若0.1<α<50,即r~λ,则称为米散射（Mie散射）。如云滴、尘埃等对可见光的散射。第36页，共44页，2023年，2月20日，星期五3、容积散射系数ksc,λ定义1：单位容积散射质粒在整个空间散射的总散射通量与入射辐射通量密度之比。如图所示第37页，共44页，2023年，2月20日，星期五dA

EλdlΦ散ksc,λ5.3.3第38页，共44页，2023年，2月20日，星期五定义2：辐射经单位长度气柱散射削弱的辐照度占入射辐照度的份数。越大表明散射越强，散射削弱越大4、瑞利散射和米散射的容积散射系数ksc,λksc,λ5.3.4第39页，共44页，2023年，2月20日，星期五（1）Rayleigh散射LordRayleigh：1842~1919，英国数学家和物理学家当入射辐射为非偏振时，如自然光上式中，N—单位体积空间中所含被研究成分的个数；λ—辐射波长；ksc,λ5.3.12第40页，共44页，2023年，2月20日，星期五n---介质折射率，是电磁波速在介质中与真空中差异有关的一个光学参数。瑞利散射可用来解释天空颜色：空气分子对紫光（0.4μ）和红光（0.7μ）散射能力之比近似为9.4（2）Mie散射G.Mie（1868~1957）：德国物理学家，在电磁散射理论和分子运动方面，进行了基本研究第41页，共44页，2023年，2月20日，星期五其中，am、bm与粒子尺度参数α、折射率n有关σsλ与λ的关系非常复杂。ksc,λ5.3.12第42