大氣物理學(xué)：第四章地面和大氣中的輻射過程

1、大氣物理學(xué) 第四章 地面和大氣中的輻射過程,成都信息工程學(xué)院-大氣科學(xué)學(xué)院 Chengdu University of Information Technology-College of Atmospheric Sciences,第四章 地面和大氣中的輻射過程,1 輻射的基本概念 2 輻射的物理規(guī)律 3 大氣對輻射的吸收和散射 4 太陽輻射在地球大氣中的傳輸 5 地球大氣系統(tǒng)的長波輻射 6 地面、大氣及地氣系統(tǒng)的輻射平衡,2,2,輻射平衡,3,3,1輻射場物理量,輻射能Q 能量:焦耳、熱力學(xué)卡（1k=4.1840J） 輻射通量 （radiant flux 輻射功率W） 單位時(shí)間內(nèi)通過任意表面的

2、輻射能量，單位為J/s，即W,1輻射場物理量,5,輻射強(qiáng)度L(radiance輻亮度、輻射率) 單位立體角、單位波長、單位面積所通過的輻射功率，單位為W/m2srm,1輻射場物理量,輻射通量密度E(radiant flux density) 單位時(shí)間通過單位面積的輻射能量，單位為W/m2。設(shè)面元為dA： 表示面元接受的輻射時(shí)，又稱輻照度（irradiance） 表示從物體表面發(fā)射出的輻射，又稱輻出度、輻射度、輻射能力（emittance）,用F表示。,2,7,輻射通量密度根據(jù)發(fā)射和接收對象不同 分為輻照度和輻出度兩個(gè)概念。 輻照度：單位時(shí)間單位面積接收到的輻射功率 輻出度：單位時(shí)間單位面積發(fā)射

3、出的功率,輻照度 輻出度,1輻射場物理量,7,8,平面平行大氣 考慮到大氣中各種變量在水平方向的變化率遠(yuǎn)小于垂直方向的變化率，因此經(jīng)?？杉僭O(shè)大氣是水平均一的，相應(yīng)的大氣模型在大氣輻射學(xué)中稱為平面平行大氣。,1輻射場物理量,8,9,朗伯體（Lambert）光源 輻射強(qiáng)度不隨方向變化的面輻射源-朗伯體 如太陽、陸地表面。 例5.1(朗伯定律)P66,1輻射場物理量,9,2 輻射的物理規(guī)律,2.1 吸收率、反射率和透射率 2.2 平衡輻射的基本規(guī)律 2.3 太陽輻射和地球輻射的區(qū)別,10,10,11,絕對黑體 所有波長吸收率均為1 A = 1 單色黑體 某一波長吸收率為1 Al = 1 灰體 吸收率

4、不隨波長變化 但小于1,黑色物體?,2.1吸收率、反射率和透射率,11,黑色物體與黑體,黑色物體與黑體的區(qū)別？ 黑色物體只表明它對可見光的反射性質(zhì)，而對非可見光的吸收無法判定，而黑體是對整個(gè)電磁波譜范圍內(nèi)所有波長或某一特定波長而言，它對輻射是全部吸收的，它考慮的是對輻射的吸收性質(zhì)。,12,2.1吸收率、反射率和透射率,12,基爾霍夫定律,（1）在一定溫度下，對某一特定波長而言，任何物體的輻出度與吸收率之比是一個(gè)普適函數(shù)，該函數(shù)只與溫度和波長有關(guān)，而與物體的其它性質(zhì)無關(guān)。 FB(,T)絕對黑體的分光輻出度； F,T物體的輻出度 A,T物體的吸收率,13,13,（2）比輻射率 ：物體的放射能力和黑

5、體的輻射能力之。 （3）基爾霍夫定律的意義： 它將物體的放射與吸收聯(lián)系起來了，只要知道某物體的吸收率就可以知道其放射率，反之亦然。 它把各種物質(zhì)的吸收、放射與黑體的輻射能力聯(lián)系起來。使我們有可以通過研究黑體的輻射來了解一般物體的輻射。而對于黑體的研究，無論從理論上還是實(shí)驗(yàn)上都比較簡單。,基爾霍夫定律,15,對于絕對黑體物質(zhì)，單色輻射通量密度與發(fā)射物質(zhì)的溫度和輻射波長或頻率的關(guān)系 Planck定律： 第一輻射常數(shù) 第二輻射常數(shù),普朗克定律,15,由于絕對黑體是朗伯體，根據(jù)朗伯定律， B(,T) ：絕對黑體的分光輻亮度， 也稱普朗克函數(shù)， 單位為,絕對黑體輻亮度,絕對黑體輻出度,16,16,17,

6、黑體輻射與物質(zhì)組成無關(guān) 黑體輻射強(qiáng)度隨溫度增高而增大 Stefan-Boltzmann Law 最大強(qiáng)度的波長隨溫度增高而減小 Wien位移定律,普朗克定律,17,斯蒂芬-玻爾茲曼定律,黑體的積分輻出度FT與溫度T的四次方成正比。 （=5.669610-8 Wm-2K-4） FT黑體的積分輻出度 斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)， 有效溫度Te：將物體視作絕對黑體時(shí)計(jì)算出的溫度。,19,黑體的積分輻射通量密度與溫度的4次方成正比 由溫度可以求出絕對黑體的積分輻射通量密度；反之，也可由積分輻射通量密度反求其溫度，這就是用輻射方法測量物體溫度的基礎(chǔ)。 將太陽視作絕對黑體而計(jì)算出的溫度稱為太陽的有效溫度，約為6

7、000K，與太陽表面的實(shí)際溫度略有差異。 如果不是絕對黑體，反演出的溫度就會(huì)偏低。,斯蒂芬-玻爾茲曼定律,19,維恩定律,黑體輻射光譜極大值對應(yīng)的波長(max) 與其本身溫度(T)的乘積為一常數(shù)。 （ b=2897.8mK） 顏色溫度Tc：由光譜測定物體溫度。,20,20,21,黑體輻射最大單色通量密度與它的溫度成反比 例如對6000 K黑體，l max = 0.48 mm（藍(lán)色光） 由輻射最強(qiáng)的波長也可以確定絕對黑體的溫度，光譜方法測定物體溫度的基礎(chǔ)。 由維恩位移定律求出的溫度稱為顏色溫度或色溫。,維恩定律,21,22,普朗克定律 斯蒂芬-波爾茲曼（ Stefan-Boltzmann）定律

8、維恩（Wien）位移定律,基爾霍夫定律,22,23,小 結(jié)：普朗克定律給出絕對黑體的分光輻出度與波長、溫度的關(guān)系，從而繪出黑體輻射光譜曲線，而Wien位移定律描述了曲線中輻射能力最強(qiáng)對應(yīng)的波長與溫度的關(guān)系，Stefan-Boltzmann Law則描述了黑體積分輻射能力與溫度的四次方成正比，基爾霍夫定律把任何物體和絕對黑體聯(lián)系起來。,普朗克定律 維恩位移定律 斯蒂芬-波爾茲曼定律 基爾霍夫定律,23,太陽輻射與地球輻射的差別,太陽近似為溫度為6000K的黑體，地面近似溫度為300K的黑體。 太陽輻射的能量集中在0.1m至4.0m之間，地球大氣輻射的能量主要集中在4m至120m之間。 太陽輻射為

9、短波輻射，稱地氣輻射為長波輻射。短波和長波輻射以4m分界。,24,24,3 大氣對輻射的吸收和散射,3.1、大氣對輻射的吸收 3.2、大氣對輻射的散射 3.3、輻射能在介質(zhì)中的傳輸,25,25,大氣吸收光譜,（1）氣體分子的波長選擇性 短波輻射：主要是水汽，其次是氧、臭氧，而 CO2 吸收不多； 長波輻射：主要是水汽，其次是CO2和臭氧。 （2）氣體吸收對大氣輻射平衡的重要性取決于： 一是吸收的強(qiáng)度 二是吸收氣體的含量及其空間分布。,26,26,定義無量綱尺度參數(shù) ：尺度數(shù) ；r：粒子半徑；：入射輻射波長 當(dāng)50：幾何光學(xué)：折射。如大雨滴對可見光的折射、反射。,散射過程分類,27,散射過程分類

10、,散射類型是由入射輻射波長與質(zhì)點(diǎn)半徑的相對大小來確定。,r(m),28,28,散射過程分類,分子散射50 ：屬于幾何光學(xué)范疇，比如虹，暈就是光在雨滴或者冰晶上的反射折射造成的。,29,29,散射削弱系數(shù),（1）瑞利散射散射系數(shù)： N：單位體積中散射質(zhì)點(diǎn)的數(shù)目； m：介質(zhì)的折射指數(shù)； 對于處于特定狀態(tài)的特定介質(zhì)，m和N都是確定的數(shù)值，則散射系數(shù)與波長的四次方成反比。,30,30,散射削弱系數(shù),31,天空很藍(lán)？ 夕陽紅？,31,3 大氣對輻射的吸收和散射,一、大氣對輻射的吸收 二、大氣對輻射的散射 三、輻射能在介質(zhì)中的傳輸（大氣消光）,32,32,E,E+dE,dl,l=0,E，0,l=l,E，l

11、,對上式移項(xiàng)積分得：,對于單色輻射，光經(jīng)過介質(zhì)吸收后，其輻照度呈指數(shù)衰減，此為比爾定律。,1、布格朗伯定律（比爾定律）,4 太陽輻射在地球大氣中的傳輸,一、太陽輻射及日地關(guān)系 二、大氣上界太陽輻射光譜 三、太陽直接輻射 四、天空散射輻射 五、地面對太陽輻射的反射和吸收,34,34,4 太陽輻射在地球大氣中的傳輸,一、太陽輻射及日地關(guān)系 二、大氣上界太陽輻射光譜 三、太陽直接輻射 四、天空散射輻射 五、地面對太陽輻射的反射和吸收,35,35,1、太陽常數(shù),太陽常數(shù)：大氣上界在日地平均距離d0時(shí)，與日光垂直平面上的太陽的積分輻照度，稱為太陽常數(shù)，用 表示。,（4-1）,36,36,太陽,d,d0,

12、如圖，中心為太陽，以d0為半徑和以d為半徑兩個(gè)球面所通過的輻射通量相等。,同理可得：,37,1、太陽常數(shù),37,38,習(xí)題,39,習(xí)題,40,習(xí)題,41,習(xí)題,地氣系統(tǒng)輻射平衡,輻射差額（凈輻射）=收入輻射能-支出輻射能,42,輻射平衡,43,若將入射到大氣層頂?shù)奶栞椛錃w一化為100個(gè)單位，其中被大氣吸收的太陽輻射有20個(gè)單位（水汽、臭氧、塵埃吸收為16，云吸收為4），被地表吸收的有50個(gè)單位，被反射的太陽輻射有30個(gè)單位（空氣分子散射為6，云反射為20，地面反射為4），太陽輻射達(dá)到平衡； 被地表吸收的50個(gè)單位太陽短波輻射中，20個(gè)單位以長波（即紅外）輻射的形式進(jìn)入大氣（14個(gè)被大氣中的水汽和二氧化碳吸收，6個(gè)