农业气象学经典――辐射课件

第二章辐射辐射的基本知识地面和大气辐射辐射与农业

辐射是以电磁波的形式向外放散的。是以波动的形式传播能量。§2.1辐射的基本知识一、辐射的基本概念

自然界中的一切物体,只要温度在绝对温度零度以上,都以电磁波的形式时刻不停地向外传送热量,这种传送能量的方式称为辐射。物体通过辐射所放出的能量，称为辐射能，简称辐射。波！粒！波粒两象性！2、光量子（quantum)1、光谱例：0.4μm是可见光中的蓝紫光，它的每个光量子所含能量是多少？普朗克第一定律：

其中：h—普兰克常数,它等于6.63×10-34J.S，c—光速=3×108m/s，λ—波长(μm)。从公式看出：波长越短,e就越大，即：波长超短，每个光量子所带的能量越多。e=hc/λ=6.63×10-34J.S×3.0×108m/s/0.4×106m=4.97×10-19JλE(J)

E值（kJ)E/J（1J能量含几个爱因斯坦）0.44.97×10-19

299.23.34×10-6(个爱因斯坦光量子群)0.53.97………239.44.18…..0.63.31………199.55.01…..0.72.87………171.05.85…..0.82.49………149.96.67…..爱因斯坦和爱因斯坦值：采用爱因斯坦值“E”作为光量子所携带的能量，即1mol光量子，也叫1个爱因斯坦（6.02×1023个光量子）所携带的能量E=e×6.02×1023。1个爱因斯坦指的是6.02×1023个光量子数。2.自然界物体辐射特性①辐射通量密度(radiation)：

物体在单位面积上单位时间内发射或吸收、反射、透射的辐射能量，单位W/m2或J.m-2.s-1。②吸收率(absorptivity)：③反射率(reflectivity)：④透射率(transmissivity)：其中如物体不透明则下垫面

短波长波短波反射率α

长波吸收率aL

长波反射率γL

土壤0.05~0.400.90~0.980.1~0.02作物植被0.15~0.250.90~0.990.1~0.01新雪0.950.990.01旧雪0.4~0.70.990.01金属铝箔0.950.100.905）关于黑体(a=1)和灰体(a<1)3.光合有效辐射（PAR）

太阳辐射中对植物光合作用有效的光谱成分称为光合有效辐射。PAR是PhotosyntheticallyActiveRadiation的英文缩写。PAR的波长范围在0.4～0.7μm,与可见光基本重合。PAR占太阳直接辐射的比例随太阳高度角的增加而增加，最高可达45%。而在散射辐射中，光合有效辐射的比例可达60%～70%之多，所以多云天反而提高了PAR的比例。

平均起来，光合有效辐射占太阳总辐射的50%比较合理。

在光合有效辐射波长范围内，决定植物光化学反应的不是叶片吸收了多少辐射能量，而是吸收了多少辐射光量子个数μEi或Ei。按光化学原理，一个分子吸收一个光量子，可以引起一个分子的化学反应。即要使1mol的化合物起反应，则需要吸收1Ei（爱因斯坦）的光量子。因此，在研究辐射与植物光合作用的关系时，实验所用观测仪器宜采用光量子辐射仪，其单位宜采用光量子通量密度较合理。近年来一些学者作了大量的有关“不同波长光量子光合产量测定”的科学实验，并从量子理论的角度加以证明后，建议采用光合光量子通量密度（Ei/(m2·s)或μEi/(m2·s））表示被植物光合作用利用的辐射光量子数。

光量子

叶绿体光合产量的多少与作物所吸收的辐射能的多少无关,而与作物所吸收的光量子个数有关。为了解植物光合作用的强弱进行的辐射强度的测量仪器要测的是在光合有效辐射即（0.4～0.7μm波段）的光量子数，个数越多，说明光合作用越强。测PAR要用光量子仪测出光量子个数，测光照强度要用照度仪测出辐射能强弱。CO2＋H2O(CH2O)n＋O2↑不同光谱成份对植物的作用是不同的。各种波长对植物的作用如下：1).波长＞1.0μm的辐射，被植物吸收转化为热能，影响植物体温和蒸腾，可促进干物质积累，不参加光合作用。2).1.0～0.7μm的辐射，只对植物伸长起作用，其中0.70～0.80μm称远红外光，控制开花与果实的颜色。

3).0.7～0.6μm的红光、橙光可被叶绿素强烈吸收，光合作用最强。

4).0.6～0.5μm的光,主要为绿光,低光合作用与弱成形作用。森林反射绿光而呈绿色。5).0.5～0.4μm的光主要为蓝、紫光，被叶绿素和黑色素强烈吸收，次强光合作用。6)．波长0.40～0.32μm的紫外辐射起成形和着色作用，如使植物变矮、颜色变深、叶片变厚等。7).波长0.32～0.28μm紫外线对大多数植物有害。8).＜0.28μm的远紫外辐射可立即杀死植物。

俄国科学家基尔霍夫（Kirchhoff）发现：在自然界中，在一定温度下，物体对某波长的吸收率等于该物体在同温度下对该波长的发射率。二、辐射的基本定律1.基尔霍夫定律黑体吸收能力最强，那么它的反射能力就最弱解释：为什么冬季化雪融冰要往地上一些撤土？表中发射率是相对

而言。表2.7不同下垫面的发射率

A.长波B.短波C.任意波长下垫面黄土灰土黑土浅草麦地森林发射率0.980.910.900.900.930.98思考并讨论：2.普兰克第二定律

式中：h是普兰克常数6.63×10-34（J.s），c是光速3×108m/s，K是波尔兹曼常数1.38×10-23(J/k)。黑体发射辐射分布定律1）T越高，曲线下面积越大，发出的总辐射就越多；从右图可看出：2）发射辐射波长峰值（即在这一波长发出的辐射通量密度最大）随T下降向右偏移，即随温度降低，发射辐射的波长峰值就越长。

普朗克定律说明：某物体，当温度一定(如：太阳6000K，地球平均为288K)，它是可以发出不同波长的辐射的；当给定一个波长λ后，就可计算出此物体在这个温度下，所发出的这个波长λ的能量是多少。思考和讨论：太阳和地球的辐射光谱曲线关系如何？讨论并判断：(1).太阳辐射是短波辐射，地球辐射是长波辐射。╳地球发射的λ＝0.1～3.0μm的短波辐射Ee(2）.太阳发出的长波辐射比地球的长波辐射少。╳0计算并思考1.地表发射波长为0.1μm、0.4μm、3.0μm、10.0μm和100μm的光量子个数及光量子通量密度？波长量子个数通量密度μEi.m-2.s-1/μmol.m-2.s-1

0.12.3233*10-1803.8592*10-198/？？？0.49.2324*10-201.5336*10-37/？？？3.03.5984*10245.9775*106/？？？103.4351*10275.7062*109/？？？1003.1048*10255.1757*107/？？？物体所发出的所有波长的能量进行积分就得到物体在一定温度下发出的总辐射能量。即积分结果：3.斯第芬—波尔兹曼定律：δ是斯第芬—波尔兹曼常数5.67×10-8J/(m2.s.k4)。EBT=δT4作业1：求太阳和地球发射的辐射通量密度(W/m2）？ET的单位为W/m2，是辐射通量密度单位。如物体是灰体，则公式前加ε得：ET=εδT4已知：太阳半径＝6·96×105Km，T=6000K，ε＝1.0；地球平均半径＝6.37×103Km，T=288K，ε＝0.95。太阳：ET=εδT4=5.67×10-8×（6

×103）4

＝7.35×107（W/m2）地球：ET=εδT4=0.95×5.67×10-8×2884

＝3.7×102（W/m2）作业2.求太阳和地球一天（24小时）发射的辐射能量（KJ）？太阳一天发射辐射能：E’=7.35×107×

24×3600×4×3.14×（6.96×108）2＝3.86×1028（KJ）地球一天发射辐射能：E’=3.7×102×

24×3600×4×3.14×（6.37×106）2＝1.63×1019（KJ）

即当时，有极大值出现。4.维恩位移定律：

用求极大值的方法，对普朗克定律的λ求导T的单位用K，得到λmax单位为μm。并得到公式：λmax=2897/T作业2：求人体发射辐射的波长峰值？T=273+32K

λmax=2897/T＝9.48μm为远红外（长波）太阳发射辐射峰值：λmax=0.48μm

短波地球发射辐射峰值：λmax=10.06μm

长波作业1：分别求算太阳和地球发射辐射的波长峰值？

三、判断1.在相同能量下,波长越长的光实际所含光量子个数越多。（）2.某物体对长波辐射反射率高，则它对短波辐射的发射率就高。（）课后练习题一、名词解释1.辐射2.辐射通量密度3.基尔霍夫定律4.黑体/灰体5.斯蒂芬－波尔兹曼定律6.维恩位移定律

二、填空1.长波辐射和短波辐射的波长范围分别为

和

。太阳辐射中99%为

辐射。2.光合有效辐射（PAR）约占太阳总辐射的

％，PAR的波长范围是

，其中光合作用最强和次强的波长分别是

和

。四、计算题1.二个无限长的平板互相平行，中间是真空的。墙1发出的辐射通量密度是350W/m2,墙2的发射率ε=0.85，一红外辐射表对着墙2测到的辐射通量密度是577W/m2，问墙2的温度是多少？（50℃）2.某灰体的发射率是0.7，发射峰值是4μm，求其发射辐射通量密度是多少？如果此物是一个半径为1.0m的球体，求每秒从它表面散失的热能是多少？（137.2KJ）

3.一个红外辐射表测地板辐射为460W/m2，但实际地板本身只发出300W/m2，已知地板发射率为0.6，天花板发射率为0.9，问此时天花板的温度是多少？(24.5℃)§2.2太阳辐射一、太阳和地球太阳：恒星，是炽热气体球，半径=6·96×105Km，是地球半径的109倍，表面温度为6000K地球：行星，扁球体，表面平均温度288K左右,

赤道半径6378.140公里,极半径6356.755公里平均半径6371.004公里二、日地关系地球绕太阳公转，公转轨道（即黄道）近日点=1470万公里（1月3日）远日点=1520万公里（7月4日）平均距离=1496万公里（4月3日，10月5日）

地球只接收到太阳辐射极窄一束光，所以投射到整个地球上的太阳辐射，可以近似作平行光处理！！

到达地球表面的太阳辐射占太阳总辐射的比例有多大？为什么说只有一束平行光到达地表？1.太阳发射辐射通量密度2.太阳表面1s发射的辐射能3.到达以日地距离d为半径的球面1s受到的太阳辐照能4.到达此球面的太阳辐射通量密度5.受光照射的半个地球1s得到的太阳辐射能6.地表得到的太阳辐射占太阳总辐射的比例地表只接收到太阳辐射的亿分之四，所以投射到整个地球上的一束太阳光，可以近似作平行光处理。三、四季的形成

地球围绕太阳公转时地轴始终和公转轨道（黄道）平面保持66.33°的倾角，所以地球始终斜着自转,因而一年中太阳有时直射北半球有时直射南半球。

太阳直射点在南北纬度23.5°之间变化，南北23.5°的纬圈叫南北回归线。地球上太阳直射点所处纬度叫赤纬，并用δ表示，所以太阳赤纬δ在南北23.5°上变化。δ在北半球取正值，南半球为负。如夏至6月22日（北）δ=+23.5°,冬至12月22日（南）δ=-23.5°，春分3月21日和秋分9月23日太阳直射赤道，则δ=0

地球上某地获得的太阳辐射能与什么有关？a)与太阳高度角h⊙b)与太阳照射时间长短

a)太阳高度角h⊙指太阳能入射方向与地平面间夹角。直射时90°，斜射＜90°。直射时单位地表面积所获辐射能最多。

由公式计算：sinh⊙=sinφsinδ+cosφcosδcos15(t-12)

φ—纬度δ—太阳赤纬t—地方时（正午为12，1～24h）b)太阳照射时间可照时数：即白昼时间。昼越长获得的太阳辐射就越多。

例如：北京φ=40°N求：1）6月22日夏至中午12时h⊙及日长=？，2）12月22日冬至中午12时h⊙及日长=？，3）3月20日春分和9月23日秋分，中午12时h⊙及日长=？解：δ=23·4°，h⊙=73·7°，日长=15：00δ=-23·5°，h⊙=26·1°，日长=9：22δ=0·2°，h⊙=49·5°，日长=12：30对于我国各省而言：“长夏无冬，秋去春来”—福建、两广、台湾四省

“四季皆夏”—海南省

“长冬无夏，春秋相连”—黑龙江省

四季交换明显的是长江中下游地区到达地面的辐射包括两部分：

RS=RSb+RSd四、太阳辐射RS

(SolarRadiation）0.15~4μm占全部发射总能量的99%，属短波辐射。其中，光合有效辐射（PAR，0.4~0.7μm)占太阳总辐射的50%。

以平行光形式投射到地面上的太阳辐射。是地球表面获取太阳辐射最主要来源(b-beam)。1、太阳直接辐射RSb：RSb=am.RSc.Sinh⊙(1)太阳常数RSc（Solarconstant）

RSC≈1367±7W/m2(2)a是大气透明系数(atmospherictransmissioncoefficient)

无污染，a=o.9污染严重，a=0.6

一般地，a=0.84

气压越高，说明空气有堆积，所以大气质量数就大;

太阳高度角越小，相对射程越远，大气质量数相对就越大。(3)m是大气质量数(air-massnumber)

太阳光垂直到达海平面时所穿过的大气厚度定为1(即m=1)，斜穿大气层时m＞1。2、

太阳散射辐射RSd：(1)雷利散射，

(2)米氏散射，解释：为什么雨后天晴时，天空是湛蓝色的？而空气污染严重时，天空呈灰白色的？对流层以上看到的天空是什么颜色？RSb=am.RSc.Sinh⊙请问：m与RSb是正比还是反比关系？

（m越大，空气质量数越大，被空气质点吸收、反射、散射的太阳辐射量就越多，太阳辐射被削减得越多。）散射辐射：RSd=0.5RSc(1-am)sinhθ太阳辐射：RS=RSb+RSd=0.5RSc(1+am)sinhθ一、地球辐射

又称地球长波辐射（Length），它包括地面长波辐射和大气长波辐射，记作RLd和Rlu。§2.3地球辐射RL2、RLd－大气辐射：大气吸收辐射的主要成分:见P45图2.12

“大气天窗”8－12μm1、

RLu—地面辐射：发射辐射量:发射率：见P45表2.7

白天进多出少，夜间进少出多；夏季进多，冬季出多。Rn=RS(1-α)+RLd－RLu二、地面净辐射Rn地面由于吸收太阳辐射和大气辐射而获得热量，同时又不断向外发出辐射而失去热量。单位时间、单位面积地面吸收和发射辐射能量的差叫地面净辐射（net）。取地面获得辐射为“+”，失去“-”。辐射平衡公式见P47图2.13三、地球－大气系统内的辐射平衡

P50图2.15Rn=H+LE+G(能量平衡公式)书P49图2.141、地面：47（短波）+（-114+96）（长波）=+292、大气：25（短波）+（-163+109）（长波）=-29存在“地球－大气”系统内的热交换！3、热量输送：LE=24（H+G）=5§2.4

辐射与农业光照强度对作物生长的影响:P54光饱和点：光补偿点：光呼吸什么是C3、C4自学！1、普兰克第一定律

2、普兰克第二定律、斯蒂芬—波尔兹曼定律和维恩位移定律

3、辐射的基本特性、基尔霍夫定律

4、太阳的直接辐射和散射辐射

5、大气天窗、大气对太阳辐射的散射

6、地球表面（下垫面）对太阳辐射的吸收、反射和透射特性学习重点太阳常数：

太阳高度角：赤纬：大气质量数：

人体辐射属

，辐射能最大值对应的波长是

。“大气天窗”对应的波段是，其含义是。到达地面的太阳辐射分为和

。阴天

辐射大于

辐射。太阳辐射中99％属于

辐射。地球辐射包括

和

，它们属

辐射。冬季地球离太阳最远，夏季地球离太阳最近。（？

）

辐射通量密度：

基尔霍夫定律：

光合有效辐射（PAR）约占太阳总辐射的

％，PAR的波长范围是

，其中光合作用最强和次强的波长分别是

和

。

红外测温仪的测温原理是

，选择的辐射波段为

。

小测验一、名词解释：30分1、太阳常数、大气质量数、太阳高度角2、地球辐射、太阳直接辐射，散射辐射二、计算题：40分1、如果把0.48μm作为太阳黑体辐射的发射峰值，求太阳发射的辐射通量密度是多少W/m2？如把0.72μm作为太阳黑体辐射的平均波长，求太阳发射的光量子通量密度是多少Ei/(m2.s)？2、某物体温度为20℃，发射率为0.93，同时物体受到辐射通量密度为320w/m2的大气长波辐照，用红外测温仪测此物体的温度时，误把它的发射率当作1.0处理，问红外测温仪测得的此物温度是多少？与此物实际温度相比，是偏低还是偏高？三、简答题：30分1.提高大田作物光能利用率的途径有哪些？（如何提高大田作物光能利用率？）已知：λmax=0.48μm，

求：辐射通量密度Е＝？解：由λmax=2897/T得：T=2897/λmax=2897/0.48=6035.42(K)E=εδT4=1×5.67×10-8×6035.424=7.52×107