大气科学概论第九辐射

大气科学概论课件第九辐射第一页，共三十八页，编辑于2023年，星期日

大气辐射学主要研究大气中辐射传输的基本规律和物理过程，以及地球大气系统的辐射能量收支问题。

地球大气系统的能量来源主要是太阳辐射能，它从根本上决定了地球、大气热状态，从而制约大气运动和其它大气过程的能量，是产生各种大气物理、大气化学过程和天气现象的根本原因，也是气候形成的重要因子。第二页，共三十八页，编辑于2023年，星期日

太阳是一个巨大灼热的气体球，它不断地进行着氢核聚变，因而以巨大的能量向外辐射。

一年中整个地球可以从太阳获得5.67×1024J

的辐射能量。虽然地球大气也接收其他天体发送的粒子流，但从能量角度来讲微不足道。

而来自宇宙中其它星体的辐射能仅是来自太阳辐射能的亿分之一。从地球内部传递到地面上的能量也仅是来自太阳辐射能的万分之一。

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地球围绕太阳运行，太阳辐射是地球最重要的能源。地球作为飘浮在宇宙空间的一个物体，它只能通过辐射过程才能与周围环境交换能量，并最终达到某种平衡。由此可见，太阳辐射是地球最重要的能源。

本章研究太阳、地球、大气中的辐射能交换，以及辐射能量在大气中传输的规律。第四页，共三十八页，编辑于2023年，星期日6.1

辐射概述第五页，共三十八页，编辑于2023年，星期日

任何物体，只要温度大于绝对零度(-273oC)，都以电磁波的方式向四周放射能量，同时也接受来自周围的电磁波。这是物质的本性决定的，是由物质本身的电子、质子、分子运动产生的。这种传播能量的方式称为辐射。

通过辐射传播的能量称为辐射能，

简称为辐射。

辐射是能量传播方式之一，也是太阳能量能传输到地球的唯一途径。

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6.1.1电磁辐射一、描述电磁波的物理量

电磁波可以用频率f、波长λ、波数γ、

和波速c来描述。单位：f→Hz；λ→μm,nm；γ→cm-1；c→m/s

各物理量的关系是：第七页，共三十八页，编辑于2023年，星期日

二、电磁波谱

不同波长和频率的电磁波有不同的物理特性，可以用波长和频率来区别电磁辐射，并给以不同的名称，称之为电磁波谱。

波长由小到大分别为宇宙射线、γ射线、χ射线、

紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波。

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太阳、地面、大气辐射的波长范围基本上在0.1—120μm，即紫外波段、可见光、红外波段。

其中，太阳短波辐射0.1—4μm，

地面和大气辐射长波3—120μm，是大气科学研究的重要波段。

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可见光集中了太阳辐射的主要能量，不但对地球大气辐射收支有着重要的影响，而且不同的波长的辐射还供给人眼不同的色彩感觉。

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6.1.2描述辐射场的物理量

如同温度、气压、风等许多参量都以场的形式出现，它们都是空间和时间的函数（x，y，z，t)，辐射场是更复杂的场。以下是辐射场的参量：

一、辐射能φ

φ指以辐射方式传递的能量。单位：J

二、辐射通量P

P指单位时间内通过某一平面的辐射能量，也称辐射功率。单位：w；J/s

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三、辐射通量密度F

F是指辐射场内任一点处通过单位平面的辐射功率（辐照度）。单位：w/m2

其中包括:

辐照率Ｆ:辐射场内任一点处射入单位面积的辐射功率

辐射率I：辐射场内任一点处射出单位面积的辐射功率

四、辐射源

辐射源是指向外发射辐射的物体称为辐射源,

分为点源和面源。

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把太阳光看成是点源（视张角为0.5°）

在离点源距离相当大且讨论比较小范围中的问题时，可以把由点源发射的辐射当作平行光处理。

如地气接收的太阳辐射就可当作平行光处理。

对于平行辐射，由于平行辐射能是在同一方向上传播，射线所张的立体角为零。若计算某一平面上的辐射通量密度只需知道平行辐射的辐照度和传播方向即可。第十五页，共三十八页，编辑于2023年，星期日6.2辐射的基本定律第十六页，共三十八页，编辑于2023年，星期日

6.2.1吸收率、反射率、透射率设投射到物体上的辐射能(Q0)：一部分被物体吸收变为内能(Qa)；一部分被反射回去(Qr)；一部分可能会透过物体(Qd)由能量守恒定律：

Q0＝Qa＋Qr

＋Qd第十七页，共三十八页，编辑于2023年，星期日

定义:

吸收率a=Qa/Q0；反射率r=Qr/Q0；透射率d=Qt/Q0

则

a+r+d=1

a、r、d都是0—1之间变化的无量纲量。且a、r、d

大小随着辐射的波长和物体的性质而改变。例如:

干洁空气对红外线是近似透明的，而水汽对红外线却能强烈地吸收；

雪面对太阳辐射的反射率很大，但对地面和大气的辐射则几乎能全部吸收。

（见p31的表2.1为各种地表对太阳辐射反射率）第十八页，共三十八页，编辑于2023年，星期日

可见，一般物体对辐射具有“选择性”

为研究方便，特假设两种理想物体：一、黑体

特别地，如果某一物体对投射到其上的任何波长的辐射能全部吸收，即a=1,则称该物体为绝对黑体。

如果物体仅对某一波长的辐射全部吸收，即

aλ=1,则称该物体对这一波长为黑体。

常把太阳辐射看成是黑体辐射

绝对黑体自然界是不存在的。如烟炱黑对可见光aλ≈1，但对远红外线aλ远小于1。第十九页，共三十八页，编辑于2023年，星期日

实验室可人工制造接近绝对黑体的表面：

应当注意，黑体与黑色物体有区别：

因为黑色物体只表明它对可见光的反射性质，我们不能仅根据颜色来判断它对各波段的吸收能力。如洁白的雪面对远红外波段的吸收能力比其它物体强。第二十页，共三十八页，编辑于2023年，星期日

二、灰体

如果物体的吸收率a<1，但a是一常量，且不随波长而改变，这种物体称灰体。

如地面对长波辐射的吸收率a近于常数，a<1，故可以认为地面为灰体。第二十一页，共三十八页，编辑于2023年，星期日

课外练习：

1、写出以下有关的辐射概念：辐射、辐射通量、辐射通量密度、黑体、灰体。

2、写出吸收率，反射率，透射率的定义及三者的关系。物体的吸收率、反射率和透射率大小随着哪些因素而改变？第二十二页，共三十八页，编辑于2023年，星期日

6.2.2辐射平衡的基本规律

自然界的任何物体都通过辐射过程交换着能量。如果没有其它方式的能量交换，一物体的热量得失及热状态就取决于放射和吸收的辐射能之间的差值。当放射的辐射能恰好等于吸收的辐射能时，该物体处于热平衡状态，可以用态函数—温度来描述。

一般认为：地面到60km以下的大气处于局地辐射平衡状态，可以用平衡辐射规律来解决平流层以下的大气辐射问题。第二十三页，共三十八页，编辑于2023年，星期日

下面讨论物体处于热平衡状态下放射和吸收辐射的物理规律：基尔霍夫（Kirchhoff）定律普朗克(planck)定律斯蒂芬（Stefan）-玻耳兹曼（Boltzman）定律维恩（Wein）位移定律第二十四页，共三十八页，编辑于2023年，星期日

一、基尔霍夫（Kirchhoff）定律

在物体的吸收能力和辐射能力之间，也就是吸收光谱之间和辐射光谱之间，存在着一定的关系。

设想在一个真空封闭系统中，有几个温度不同的物体，物体间只能通过辐射交换能量。经过长时间后，温度会彼此相等，达到辐射平衡。

由于各物体间有不同的吸收和放射能力，显然，吸收率大的物体其辐射率也大；

吸收率小的物体其辐射率也小，只有这样系统最终才能辐射平衡。第二十五页，共三十八页，编辑于2023年，星期日

进一步推论：物体对某一波长的吸收率大，则对该波长的辐射率也大；物体对某一波长不吸收，也就不放射该波长。第二十六页，共三十八页，编辑于2023年，星期日

基尔霍夫在1859由热力学论证了上述现象：

在热平衡条件下（T=常数），任何物体辐射率Iλ，Ｔ与物体的吸收率aλ，Ｔ之比值,是一个普适函数。该普适函数只是温度和波长的函数，而与物体的性质无关。

基尔霍夫定律：第二十七页，共三十八页，编辑于2023年，星期日

如果有几种物体，在同一温度下，对同一波长的

吸收率为a１λ，Ｔ，

a

２λ，Ｔ，

a

３λ，Ｔ，

a

４λ，Ｔ，…

对同一波长的辐射率分别为

I1λ，Ｔ，I2λ，Ｔ，I３λ，Ｔ，

IF４λ，Ｔ…

则有：

I1λ，Ｔ／a

１λ，Ｔ＝I２λ，Ｔ／a

２λ，Ｔ＝I３λ，Ｔ／a

３λ，Ｔ

＝I４λ，Ｔ／a

４λ，Ｔ

＝f(λ,T)

如果讨论的是黑体，a＝１

则有辐射率

IλＴb＝f(λ,T)

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基尔霍夫定律表明：任何物体的辐射率和它的吸收率之比，都等于同一温度下黑体的辐射率IλＴb

。

第二十九页，共三十八页，编辑于2023年，星期日

基尔霍夫定律的意义：

它将物体的吸收能力和放射能力联系起来了。

特别是它将各种一般物体的吸收、放射能力与黑体的放射能力联系了起来。这很重要，因为黑体的辐射规律从理论上和实验上都十分清楚了，只要知道物体的吸收光谱，物体的辐射特性也就完全确定了。第三十页，共三十八页，编辑于2023年，星期日二、普朗克(planck)定律

绝对黑体的辐射光谱对于研究一切物体的辐射规律具有根本的意义。

1900年，普朗克成功地从理论上得出了与实验精确符合的绝对黑体辐射率与波长和温度的关系。

IB(λ，T)是绝对黑体的分光辐出度

c１，c2为第一、第二常数

c为光速，h为普朗克常数,k为玻耳兹曼常数第三十一页，共三十八页，编辑于2023年，星期日

由普朗克定律可以得到各种温度下绝对

黑体辐射的光谱曲线：第三十二页，共三十八页，编辑于2023年，星期日

不同温度下的绝对黑体光谱的差异：１、理论上任何温度的绝对黑体都放射0-∞μm

波长的辐射，但温度不同辐射能量集中的波段也不同，随着温度的下降，辐射能量集中的波段向长波方向移动。２、当温度升高时，各波段放射的辐射能量均增大，积分辐射能力FT也随着迅速加大，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λm，即光谱曲线有一极大值，而且随着温度的升高，λm变小。第三十三页，共三十八页，编辑于2023年，星期日

特别地，注意6000K,300K,200K的黑体辐射：

温度Ｔ＝6000K代表太阳，能量集中在

0.17—4.0μm，极值波长为0.483μm。

温度Ｔ＝300K代表地球，能量集中在3.3—80μm，极值波长为9.659μm。

温度Ｔ＝200K代表大气(平流层下层)，能量集中在５—120μm，极值波长为14.489μm。

气象上常称太阳辐射为短波辐射，以可见光与近红外波段为主；称地球、大气辐射为长波辐射，以红外波段为主。第三十四页，共三十八页，编辑于2023年，星期日三、斯蒂芬－玻耳兹曼定律

1879年，斯蒂芬由实验发现，黑体的积分辐出度与其温度的四次方成正比。

1884年玻耳兹曼由热力学理论得出了公式：

式中