地面和大气中的辐射过程.ppt

1、第五章 地面和大气中的辐射过程,5.1 辐射的基本概念 5.2 辐射的物理规律 5.3 地球大气与辐射的相互作用 5.4 太阳辐射在地球大气中的传输 5.5 地球大气系统的长波辐射 5.6 地面、大气及地气系统的辐射平衡,5.1 辐射的基本概念,5.1.1 电磁辐射 5.1.2 描述辐射场的物理量,任何物体，只要温度大于绝对零度，都以电磁波形式向四周放射能量，同时也接收来自周围的电磁波。 这是物质的本性决定的，是有物质本身的电子、原子、分子运动产生的。 一般把这种电磁波能量本身称为辐射能（或简称为辐射）。 而把这种能量传播方式称为辐射。,辐射能和辐射,Energy Transfer能量传输,C

2、onduction 传导 Convection 对流 Radiation 辐射,Energy Transfer,Conduction（传导） Transfer of energy by molecular motion 由分子运动传输能量,Hot,Cold,Energy Transfer,Convection（对流） Transfer of energy through the movement of mass 靠物质运动传输能量,Energy Transfer,Convection 对流 Meteorology Terminology 气象学术语 Convection（对流） Advecti

3、on（平流）,Convection对流,Meteorology Terminology气象学术语 Convection 对流 transfer of energy through the vertical movement of mass 通过物质垂直运动传输能量,Hot,Cold,Convection对流,Meteorology Terminology气象学术语 Advection平流 transfer of energy through the horizontal movement of mass 通过物质的水平运动传输能量,Hot,Cold,Energy Transfer能量传输,Co

4、nduction 传导 Convection 对流 Radiation 辐射,Energy Transfer,Radiation Transfer of energy by electromagnetic wave 电磁波辐射传输能量,Energy Transfer,Radiation Transverse Wave 横波 Particle motion is perpendicular to the direction of wave velocity 质点运动与波速方向垂直,Speed of Wave,Particle Motion,Energy Transfer,Radiation辐射

5、Requires no transport medium 不需要传输介质,Electromagnetic Waves,Waves that are propagated by simultaneous periodic variations of electronic and magnetic field intensity 靠电场和磁场密度的同步周期变化传播波,Electromagnetic Waves,Speed of Light (c)光速 3 x 108 m/s (in a vacuum),C,Electromagnetic Waves,Wavelength ()波长 Distance

6、 between two successive crests of a wave 两个相邻波峰之间的距离,Electromagnetic Waves,Frequency (f)频率 Number of cycles that the wave is repeated over a time period 一段时间内波的重复循环次数,Electromagnetic Waves,Frequency (f)频率 Measured in Cycles/Second 循环数/秒 Hertz 赫兹,Electromagnetic Waves,Relationship Between 光速/波长/频率之间的

7、关系 Speed of Light (c) Wavelength () Frequency (f),m (10-6m) nm(10-9m),Electromagnetic Waves,c = f,High Frequency Short Wavelength 频率高/波长短,Low Frequency Long Wavelength 频率低/波长长,各种颜色光对应的波长,5.1.2 描述辐射场的物理量,1. 辐射通量(radiant flux) 2. 辐亮度(radiance) 3. 辐射通量密度(radiant flux density) 4. 辐射源,指单位时间内通过某一平面（或虚拟平面）

8、的辐射能，也称为辐射功率。 也可指单位时间内某个表面发射或接收的辐射能。,1. 辐射通量(radiant flux),Units energy per unit time Joules/sec Watts,Radiant Flux 辐射通量,Suns radiant flux 太阳辐射通量 3.9 x 1026 W,在辐射传输方向上的单位立体角内，通过垂直于该方向的单位面积、单位波长间隔的辐射功率。 一般来说，表示辐射场任一点在任一方向上、任一波长处辐射的强弱程度。 单位为：W m-2 sr-1 m -1,2. 辐亮度(radiance),2. 辐亮度(radiance),图5.2 公式5.1

9、.3,指辐射场内任一点处通过单位面积的辐射功率，也称辐照度(irradiance)。 净辐射通量密度：水平面上自上向下和自下向上的辐射通量密度之差，单位为W m-2 m -1,3. 辐射通量密度(radiant flux density),Irradiance (E),Rate at which radiant energy in a radiation field is transferred across a unit area,Units of E energy per unit time per unit area Watts/meter2 单位面积单位时间内通过的能量 W/m2,Gl

10、ossary of Meteorology,Unit Area,Irradiance (E),Radiant flux per area Also known as radiant flux density,Unit Area,Irradiance (E),Suns Irradiance太阳辐照度 Calculate the surface area of the Sun Suns Radius = 7 x 108 m,7 X 108 m,Irradiance (E),Suns Irradiance太阳辐照度 Suns Radiant Flux = 3.9 x 1026 W,假设源向四周发射是

11、均匀的 辐照度随距离的变化服从反平方规律。 平行辐射 在不考虑吸收和散射等因素时，平行光在任何位置上的辐照度应是常数。,4. 辐射源点源,Parallel Beam Radiation平行辐射,Most natural objects are isotropic radiators 大部分自然物体是各向同性的辐射体,Parallel Beam Radiation平行辐射,Change of angle with distance is small at great radii,150 x 106 km,Parallel-Beam Radiation,Sunlight reaching eart

12、h can be assumed to be parallel-beam radiation 太阳辐射可假设为平行光辐射,Parallel-Beam Radiation,This effectively eliminates the need to integrate over solid angle. 这有效地避免对立体角积分.,特点 可以向2立体角中发射辐射能。 辐出度 即通过单位面积在面源的法线方向射出的能量有多少。 郎伯体（面） 向所有方向以同一辐亮度发射辐射的物体。 常常把太阳、陆地表面看做朗伯体。,4. 辐射源面辐射源,第五章 地面和大气中的辐射过程,5.1 辐射的基本概念 5.2

13、 辐射的物理规律 5.3 地球大气与辐射的相互作用 5.4 太阳辐射在地球大气中的传输 5.5 地球大气系统的长波辐射 5.6 地面、大气及地气系统的辐射平衡,5.2 辐射的物理规律,5.2.1 吸收率、反射率和透射率 5.2.2 平衡辐射的基本规律 5.2.3太阳辐射和地球辐射的差别,吸收率,反射率,透射率,绝对黑体： 某一物体对任何波长的辐射都能全部吸收，即A1。 对某一波长的黑体： 如果某一物体仅对某一波长全部吸收，即A=1，则称该物体对这一波长为黑体。 这里所讨论的黑体与一般所谓黑色物体是黑色物体只表明它对可见光的反射性质。,1. 黑体,2. 灰体,如果物体的吸收率A不随波长而变，但A

14、1，则称该物体为灰体。 如地面对长波辐射的吸收率接近于常数,故可认为地面为灰体,且吸收率A极近于1.,5.2 平衡辐射的基本规律,辐射平衡：当物体放射出的辐射能恰好等于吸收的辐射能时，该物体处于辐射平衡。 这时物体处于热平衡态，可以用态函数温度来描述，所以平衡辐射也称为温度辐射。,在热平衡条件下，任何物体的辐射率（辐出度）和它的吸收率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，而与物质的性质无关。,1. 基尔霍夫（Kirchhoff）定律,若定义比发射率,则有,公式（5.2.3）、（5.2.5）都是Kirchhoff 定律的表达式,表明：任何物体的辐出度和它的吸收率之比都等于同一温

15、度下黑体的辐出度。,意义： 将物体的吸收能力和放射能力联系起来，只要知道了某种物体的吸收率，也就知道了它的比辐射率； 特别是，将各种物体的吸收、放射能力与黑体的放射能力联系了起来。,有了这种联系以后，我们就可以根据对黑体辐射的研究结果来了解一般物体的辐射规律，而对于绝对黑体的研究，无论从实验上或理论上都是比较简单的。,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年普朗克开创性地引进了量子概念，将辐射当做不连续的量子发射，成功地从理论上得出了与试验精确符合的绝对黑体辐射率随波长变化的函数关系，即普朗克定律。,2. 普朗克(Planck)定律,普朗克(Planck)定律,

16、第一辐射常数,第二辐射常数,是绝对黑体的分光辐出度,绝对黑体的分光辐出度指由一个表面向外发射能量的大小，并不涉及这些能量的出射方向。 是向各个方向射出能量在表面法线方向分量的总和，是通量。 绝对黑体服从朗伯定律，黑体的分光辐亮度：,普朗克(Planck)定律,称为普朗克函数,理论上，任何温度的绝对黑体都放射0m波长的辐射； 但温度不同，辐射能力集中的波段也就不同； 随着温度的下降，辐射能量集中的波段向长波方向移动。,不同温度黑体辐射光谱曲线,当温度升高时，各波段放射的能量均加大； 积分辐射能力也随着迅速加大； 且能量集中的波段向短波方向移动。,不同温度黑体辐射光谱曲线,每一温度下，都有辐射最强

17、的波长max，而且随温度升高，max变小。,1879年斯蒂芬由实验发现，绝对黑体的积分辐出度与其温度的4次方成正比 1884年玻尔兹曼由热力学理论得出该公式,3.1 斯蒂芬玻尔兹曼(Stefen-Boltzmann)定律,3.1 斯蒂芬玻尔兹曼(Stefen-Boltzmann)定律,可以由温度求出绝对黑体的积分辐出度； 也可由积分辐出度反求起温度； 这就是用辐射方法测量物体温度的基础。 将物体视作绝对黑体而计算出的温度称为有效温度。,1893年维恩从热力学理论推导出黑体辐射光谱极大值对应的波长max和温度的乘积为一常数。即黑体温度越高，则max越小，故称维恩位移定律。 若知道绝对黑体的温度，

18、可求出辐射最强的波长； 由辐射最强的波长也可以确定绝对黑体的温度； 这是由光谱方法测定物体温度的基础。 求出的温度称为颜色温度或简称色温。,3.2 维恩(Wien)定律,有了上述有关辐射的定律，黑体辐射的规律就全部确定了。 这些定律把黑体的温度与辐射光谱联系了起来。 对于非黑体，只要知道了它的温度和吸收率，通过基尔霍夫定律，其辐射光谱也就确定了。 因此，在研究大气辐射过程时，首先要确定地球和大气的吸收率。,5.2.3 太阳辐射和地球辐射的差别,太阳表面的温度和地球大气的温度差别很大, 两者辐射能量集中的光谱段是不同的.,若以温度T=6000K代表太阳，则能量集中在0.174.0m,极值波长为0.483 m ;称太阳辐射为短波辐射，以可见光与近红外为主； 若以温度T=300K代表地面，则能量集中在3.380m,极值波长为9.659 m ;地球辐射和大气辐射为长波辐射，以红外波段为主； 若以温度T=200K代表大气（平流层下层），则能量集中在5120 m,极值波长为14.489 m 。,短波辐射和长波辐射基本上以4 m为分界。 地球处于辐射平衡状态。 在太阳光谱中，可见光区(0.390.75 m)的能量占积分能量的44%，紫外区占8%,红外区占48%