大气科学概论课件第十辐射

大气科学概论课件第十辐射第1页，共35页，2023年，2月20日，星期一

6.3.1太阳和太阳辐射第2页，共35页，2023年，2月20日，星期一

一、太阳概况

太阳是一个巨大的等离子体球。

等离子体，指其正负两种离子所带的电荷的总量相等，因而整体上呈现中性。这种温度极高、电离度极高的物质聚集态，被称为物质的第四态。

包括太阳、恒星和星际气体在内，宇宙空间几乎99%

的物质是等离子体。第3页，共35页，2023年，2月20日，星期一

太阳是太阳系的中心天体,是太阳系里唯一的一颗恒星,也是离地球最近的一颗恒星。

1、太阳的大小

太阳的直径为139.2万千米，是地球的109倍。

太阳的体积为141亿亿立方千米，是地球的130万倍。

太阳的质量近2000亿亿亿吨，是地球的33万倍。

太阳的表面温度约为5800K，中心温度可达1.7×107K。

它集中了太阳系99.865%的质量，是一个绝对至高无上的“国王”。第4页，共35页，2023年，2月20日，星期一

2、太阳的大气主要成分

太阳是个炽热的气体星球，没有固体的星体或核心。太阳大气的主要成分是氢（质量约占71%）与氦（质量约占27%）。

3、太阳的结构太阳从中心到边缘可分为太阳内部和大气层。第5页，共35页，2023年，2月20日，星期一

太阳内部：日核区、中介层、对流层；大气层：光球、色球和日冕。

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太阳能量的99%是由中心的核反应区的热核反应产生的。太阳中心的密度和温度极高，它发生着由氢聚变为氦的热核反应，而该反应足以维持100亿年,因此太阳目前正处于中年期。

在进入地球大气之前，太阳光谱是怎样的？其辐射通量密度是多少？

这不仅是研究大气辐射问题时首先要了解的，而且在研究太阳物理、环境科学、宇航和太阳能利用等许多领域都具有重要的意义。第7页，共35页，2023年，2月20日，星期一

二、大气上界的太阳光谱及太阳常数

1、大气上界的太阳光谱太阳辐射通量密度或辐射率随波长的分布称为太阳辐射光谱。p36

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2、太阳常数太阳常数：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,单位时间单位面积内接受到的太阳辐射能量。

世界气象组织在1981年推荐的太阳常数最近值S0=1367±7W/m2。(1372)第9页，共35页，2023年，2月20日，星期一

大气中有各种气体成分以及水滴、尘埃等气溶胶颗粒，太阳辐射在大气中传输时，要受到大气的影响，其强度、传输方向以及偏振状态都会发生变化。

这种作用主要有吸收、散射和折射作用。由于折射作用一般与能量收支问题关系较小，该节主要讲述大气的吸收和散射对太阳辐射的衰减作用。第10页，共35页，2023年，2月20日，星期一6.3.2太阳辐射在大气中衰减第11页，共35页，2023年，2月20日，星期一

6.3.2.1

大气对太阳辐射的吸收

所谓吸收，就是指投射到介质上面的辐射能中的一部分被转化为物质本身的内能或其他形式的能量。

大气分子除选择性吸收外，还通过光化学反应和

光致电离两种途径，把投射到大气的辐射能中的一部分转化为大气本身的内能或其他形式的能量并引起温度升高。第12页，共35页，2023年，2月20日，星期一

一、大气吸收光谱

从整层和各主要吸收气体的吸收光谱看，大气的吸收有明显的选择性。

上曲线：

大气上界的辐射光谱。下曲线：海平面的辐射光谱。可见，被大气各成分吸收、散射后的光谱，极其不规则。第13页，共35页，2023年，2月20日，星期一

以下组图，a、黑体辐射；b、整层大气的的吸收谱;第14页，共35页，2023年，2月20日，星期一

c、11km以上大气吸收谱;d、不同气体的吸收谱第15页，共35页，2023年，2月20日，星期一

可见，吸收太阳短波辐射的主要气体是H2O，其次O2，O3，最少CO2。吸收长波辐射的主要气体是H2O，其次CO2

和

O3。p37

在8-12μm波段，大气吸收很弱，称大气透明窗。

大气透明窗对地气系统的辐射平衡有十分重要的意义：

因为地表温度约为300K，与此温度对应的黑体辐射能量主要集中在10μm这一范围，而大气对这一波长范围的辐射少有吸收，故地面发出的长波辐射透过这一窗口被送到宇宙空间。第16页，共35页，2023年，2月20日，星期一

根据以上大气中各种物质对辐射的

吸收可归纳为：辐射的吸收具有选择性!。

不同气体成分的吸收带及吸收强烈程度不同，因而使穿过大气后的太阳辐射有以下特点：

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１、大气对太阳波谱变得极其不规则。２、大气主要吸收物质的吸收带位于太阳光谱能量较小的两端。大气中主要吸收物质（臭氧和水汽）对太阳辐射的吸收带，都位于太阳辐射波谱两端能量较小的红外线和紫外线区，平流层以上主要是臭氧对紫外线的吸收，平流层至地面主要是水汽和二氧化碳对红外线辐射的吸收。３、整层大气吸收削弱入射太阳辐射能的20%左右。

吸收对太阳辐射的减弱作用不是很大，也就是说大气直接吸收太阳辐射并不多，特别是对流层大气，太阳辐射不是它的直接热源，地面的辐射和其他能量才是对流层大气的直接热源。第18页，共35页，2023年，2月20日，星期一

6.3.2.2

大气对太阳辐射的散射

电磁辐射在遇到大气中的气体分子以及悬浮尘埃、云滴、雨滴、冰粒和雪花等粒子时，会产生散射现象，使一部分入射波能量改变方向，射向四面八方，而原方向的辐射能被削弱。

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散射并不象吸收那样把辐射能转变为大气内能，而只是改变辐射的方向，并使一部分太阳辐射不能到达地面。但同时却把整个天空变得明亮起来。

如果没有大气的散射，即使太阳再光亮耀眼，对于地球上的观测者来说，除了能看见闪闪发光的太阳光外，天空是一片漆黑。第20页，共35页，2023年，2月20日，星期一

散射在电磁波谱上的各个波长都会发生。但散射的强弱和空间分布与散射粒子的大小、入射的波长有关。

引入尺度参数

α=2πr/λ，

r为散射粒子的半径，λ为入射辐射的波长。下图给出α随r，λ的变化关系：第21页，共35页，2023年，2月20日，星期一

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一、α《1,(即r《λ),瑞利散射

空气分子对太阳辐射的散射为瑞利散射，也叫分子散射。（可见光的波长在0.5μm左右，空气分子的大小约10-4μm左右，即r《λ）

大气对辐射散射削弱作用的强弱取决于气溶胶散射粒子的数密度及每个散射粒子的散射截面。

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瑞利散射的体积散射削减系数

C为洛希米德数,标准状态下,C=1.0563*10-30m3,ksc,λ的单位为m

–1。

瑞利散射的削减系数与波长的四次方成反比，这种散射是有选择性的:

波长越短，散射削减越强！第24页，共35页，2023年，2月20日，星期一

第25页，共35页，2023年，2月20日，星期一

第26页，共35页，2023年，2月20日，星期一

第27页，共35页，2023年，2月20日，星期一

例：

λ蓝光＝470μm,λ红光=700μm,

则蓝光的散射比红光强9倍。

蓝光的散射比红光强9倍，在高空，分子首选紫光，并在高空散射掉了，再选兰光散射，所以，晴天天空呈蓝色。日出日落时，由于太阳光经历的路途较远，紫、蓝光被削减完，到达地平线上空余下黄橙红光，如果有云，把光线反射过来，形成绚丽的早晚霞。第28页，共35页，2023年，2月20日，星期一

二、0.1<α<50即(r≈λ)，米散射

尘埃的颗粒大小为0.1--10μm，云滴一般也为几μm(即r≈λ)，所以，它们相对可见光是米散射（大颗粒散射），相对红外辐射或微波是瑞利散射。

各种辐射具有几乎相同强度的散射，而且散射光中各种波长的比例也和入射辐射中的一致。第29页，共35页，2023年，2月20日，星期一

三、α>50即(r》λ)，几何光学的散射范畴。

大雨滴(1--4μm)对可见光的散射就属于此类。

虹、晕、华等光学现象就是光在雨滴和冰晶上发生反射和折射造成的，它们服从几何光学规律。第30页，共35页，2023年，2月20日，星期一