氣象遙感技術(shù)-輻射理論1

1、地面和大氣中的輻射過程地面和大氣中的輻射過程23大氣運動的大氣運動的能量來源能量來源于太陽輻射，地面于太陽輻射，地面和大氣中的輻射過程從大尺度和大氣中的輻射過程從大尺度開始開始控制控制了地球大氣系統(tǒng)的能量平衡，了地球大氣系統(tǒng)的能量平衡，從而從而決定決定了地球氣候的基本特征。了地球氣候的基本特征。研究輻射能在地球-大氣系統(tǒng)內(nèi)傳輸和轉(zhuǎn)換的規(guī)律及其應用，屬大氣物理學的一個重要分支。是天氣學、氣候?qū)W、動力氣象學、應用氣象學、大氣化學和大氣遙感等學科的理論基礎之一。輻射能是地面和大氣的基本能量來源，輻射是地氣系統(tǒng)與宇宙空間能量交換的唯一方式輻射傳輸規(guī)律是大氣遙感的理論基礎數(shù)值天氣預報中需要定量化考察大氣

2、輻射過程氣候問題輻射強迫 近年來人類活動造成的地球大氣氣候變遷成為大氣科學研究熱點，其原因也在于人類活動所排放的某些物質(zhì)會改變地球大氣中的輻射過程所致。光的本性之爭光的本性之爭17世紀70年代微粒說（牛頓）和波動說（胡克、惠更斯）光學170419世紀初波動說（橫波）占統(tǒng)治地位（托馬斯.楊和菲涅耳）20世紀統(tǒng)一麥克斯韋和電磁場方程的建立麥克斯韋和電磁場方程的建立W. Weber (1804-1891)G. F. B. Riemann (18261866)James Clerk Maxwell (1831-1879)1887年，德國物理學家赫茲(HRHenz，18571894)才用實驗證實了麥克斯

3、韋關(guān)于電磁波的預言“法拉第一麥克斯韋的電動力學使物理學家們在長期猶豫不決之后，終于逐漸地放棄了有可能把全部物理學建立在牛頓力學之上的信念?！睈垡蛩固刮募?880-19001880-1900七大實驗七大實驗1887年赫茲證實電磁波-光電效應1887年的邁克耳孫一莫雷實驗以太1895年倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線1896年貝可勒爾發(fā)現(xiàn)了放射性輻射1897年J.J. 湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子1898年居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性元素Planck黑體輻射實驗Max Planck (1858-1947)Max Planck (1858-1947)德國物理學家德國物理學家19011901：PlanckPlanck s Laws Law1

4、918 1918 Nobel PrizeNobel PrizeQuantum theory Quantum theory Gustav Robert Kirchhoff Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887)(1824-1887)德國物理學家德國物理學家18591859：KirchhoffKirchhoff s Laws Law光譜學光譜學電學電學發(fā)現(xiàn)了銫和銣發(fā)現(xiàn)了銫和銣Joseph Stefan (1835-1893)Joseph Stefan (1835-1893)奧地利物理學家、詩人奧地利物理學家、詩人18841884：Stefan-Boltzmann l

5、awStefan-Boltzmann lawStefan flowStefan flow熱學熱學電磁學電磁學Ludwig Boltzmann Ludwig Boltzmann (1844-1906)(1844-1906)奧地利物理學家奧地利物理學家18841884：Stefan-Boltzmann lawStefan-Boltzmann law（理論推導）統(tǒng)計力學統(tǒng)計力學Lord Rayleigh(John William Strutt 1842-1919)Lord Rayleigh(John William Strutt 1842-1919)英國物理學家英國物理學家18711871：Rayl

6、eigh ScatteringRayleigh Scattering聲學聲學電學電學1904 Nobel Prize1904 Nobel PrizeWilhelm Wien (1864-1928)Wilhelm Wien (1864-1928)德國物理學家德國物理學家18931893：WienWien s Displacement Laws Displacement Law1911 1911 Nobel PrizeNobel Prize定義定義 black body black bodyGustav Mie (1868-1957)Gustav Mie (1868-1957)德國物理學家德國物理

7、學家19081908：Mie theoryMie theory2020世紀世紀2020年代：計算地年代：計算地- -氣系統(tǒng)的輻氣系統(tǒng)的輻射收支射收支3030年代：輻射傳輸?shù)幕驹砟甏狠椛鋫鬏數(shù)幕驹?9501950年：美籍巴基斯坦學者年：美籍巴基斯坦學者Subramanyan Chandrasekhar Subramanyan Chandrasekhar 1983 1983 Nobel PrizeNobel PrizeRadiative Transfer Clarendon Press, Oxford, 1950, reprinted by Dover Publications, New

8、 York, 393 pp., 1960.1964:1964:英國英國Richard M. GoodyRichard M. GoodyAtmospheric Radiation, Theoretical Basis, (second edition by R. M. Goody and Y. Yung), Oxford University Press, 436 pp., 1964, 519 pp., 1989.19691969：蘇聯(lián)地球物理學家蘇聯(lián)地球物理學家Kondratyev, K. Ya. Radiation in the Atmosphere. Academic Press7070年

9、代后：非球形粒子的吸收和散年代后：非球形粒子的吸收和散射、輻射傳輸方程的數(shù)值解法射、輻射傳輸方程的數(shù)值解法發(fā)展大氣遙感探測的理論和方法發(fā)展大氣遙感探測的理論和方法建立具有物理基礎的實際大氣輻射模式建立具有物理基礎的實際大氣輻射模式人類活動對全球氣候和局地大氣環(huán)境的影響人類活動對全球氣候和局地大氣環(huán)境的影響太陽活動的變化對氣候的影響太陽活動的變化對氣候的影響19321932年：嚴濟慈采用照相光年：嚴濟慈采用照相光度術(shù)方法，精確測定了臭氧度術(shù)方法，精確測定了臭氧在全部紫外區(qū)域（即在全部紫外區(qū)域（即215-345215-345納米）的吸收系數(shù)，并發(fā)現(xiàn)納米）的吸收系數(shù)，并發(fā)現(xiàn)了若干新光帶了若干新光帶國

10、際臭氧委員會把嚴濟慈精國際臭氧委員會把嚴濟慈精確測定的吸收系數(shù)定為標準確測定的吸收系數(shù)定為標準值，各國氣象學家用以每日值，各國氣象學家用以每日測定高空臭氧層厚度的變化，測定高空臭氧層厚度的變化，長達年之久長達年之久程純樞程純樞(1914-1997(1914-1997）根據(jù)）根據(jù)1931-1931-19351935年南京地區(qū)日射強度記錄，計年南京地區(qū)日射強度記錄，計算過大氣消光系數(shù)，分析了大氣混算過大氣消光系數(shù)，分析了大氣混濁度因子濁度因子19441944：郭曉嵐（郭曉嵐（Hsiao-Lan KuoHsiao-Lan Kuo）根據(jù)當時最完善的水汽與根據(jù)當時最完善的水汽與CO2CO2紅外吸紅外吸收

11、系數(shù)資料，重新計算了北半球大收系數(shù)資料，重新計算了北半球大氣輻射圖及大氣冷卻率，其計算精氣輻射圖及大氣冷卻率，其計算精度超過了當時的國際水平度超過了當時的國際水平廖國男（廖國男（Kuo-Nan LiouKuo-Nan Liou）廖國男著，1980，周詩健等譯，1985：大氣輻射導論，氣象出版社。第2版，2005，120元Liou, K.N., 1980: An Introduction to Atmospheric Radiation. Academic Press, New York, 392 pp. Liou, K.N., 2002: An Introduction to Atmosphe

12、ric Radiation. 2nd edition, Academic Press, San Diego, 583 pp.尹宏編著，1993：大氣輻射學基礎，氣象出版社劉長盛、劉文保編著，1990：大氣輻射學，南京大學出版社。周秀驥等，1991：高等大氣物理學，氣象出版社Grant W. Petty, A First Course In Atmospheric Radiation. Sundog Publishing, Madison, Wisconsin, 446 pp. 2004.吳北嬰等編著，1998，大氣輻射傳輸實用算法，氣象出版社。大氣光學分子散射Paltridge, G. W.

13、and C. M. Platt, 1976, 呂達仁等譯，1981：氣象學和氣候?qū)W中的輻射問題?？茖W出版社。M. Iqbal, 1983, An Introduction to Solar Radiation, Academic Press.Applied OpticsJournal of the Atmospheric Sciences 275.1.1 5.1.1 電磁波譜電磁波譜5.1.2 5.1.2 描述輻射場的物理量描述輻射場的物理量自然界一切物體都時刻不停地以電磁波的形式向四周傳遞能量，同時也接收外界投射來的電磁波，這種能量傳遞的方式稱為輻射。以這種方式傳遞的能量，稱為輻射能。以橫波

14、形式在空間傳播，速度即光速電磁波描述波長頻率f 波數(shù) 波速c cfcf1例1：波長10mm對應的頻率和波數(shù)？不同波長的電磁波有不同的物理特性，因此可以用波長來區(qū)分輻射，并給以不同的名稱，稱之為電磁波譜。紫外線：uv-A：0.315-0.400 微米uv-B：0.280-0.315微米uv-C：0.150-0.280微米可見光紅外線：近紅外：0.7-2.5微米遠紅外：2.5-1000微米微波無線電波長波、短波：4微米FLUXFLUX: INVERSE SQUARE LAW立體角錐體所攔截的球面積與半徑r的平方之比，單位為球面度（sr：Steradian）2r立體角sindrdrd 2sinddd

15、 dr 輻射能Q能量:焦耳、熱力學卡（1k=4.1840J）輻射通量 （radiant flux 輻射功率W）單位時間內(nèi)通過任意表面的輻射能量，單位為J/s，即WdQdt 輻射通量密度E(radiant flux density)單位時間通過單位面積的輻射能量，單位為W/m2。設面元為dA：表示面元接受的F時，又稱輻照度（irradiance）表示從物體表面發(fā)射出的E，又稱輻出度、輻射度、輻射能力（emittance）。ddQEdAdtdA輻射強度L(radiance輻亮度、輻射率)單位立體角、單位時間、單位面積所通過的輻射能量，單位為W/m2srd(,)dddddddELxyztAQA dt

16、輻射強度L(radiance輻亮度、輻射率)光度計示意圖 CE318自動跟蹤太陽分光光度計單色與譜段積分輻射量21QQ d各向同性輻亮度L與觀測方向（ , ） 無關(guān)（L是立體角的函數(shù)，即與方向有關(guān)各向異性）均勻輻射L與觀測位置（x, y, z） 無關(guān)（ L是觀測位置的函數(shù)非均勻輻射）定常輻射L與時間t無關(guān)（ L與時間t的函數(shù)非定常輻射）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小于垂直方向的變化率，因此經(jīng)?？杉僭O大氣是水平均一的，相應的大氣模型在大氣輻射學中稱為平面平行大氣。平面平行大氣可把從各個方向射來的輻亮度在垂直方向的分量累加起來，其計算公式為dcosLE凈輻射通量密度或凈輻

17、照度計算水平面上的輻射通量密度，分別對從上半球和下半球入射輻射的垂直分量進行積分 凈輻照度*EEE 2022020ddsincosddsincosLELE 凈輻射通量密度或凈輻照度輻射能收支為正：氣層溫度升高；反之降溫。點輻射源假設點源向四周發(fā)射是均勻的，發(fā)射輻射的功率為0 ，以點源為中心畫一個半徑為r的球面，則通過球表面的輻照度為點源的輻照度（或輻射通量密度）將隨r 2減小。 024Er平行輻射當光源的距離足夠遠時，所有來自該光源的輻射傳輸方向可以認為是相互平行的，這種輻射常被稱為平行輻射(或平行光)特點：在不考慮吸收散射等因素時，平行光的輻射通量密度應當是常數(shù)，即在任何位置上設置一個和輻射

18、傳輸方向相垂直的平面，通過這平面的輻射通量密度都應當是一個常數(shù)。平行輻射大氣輻射中，常把來自太陽的直接輻射看作平行光。因為地球離太陽的距離為149,597,890 km，而大氣輻射學中討論的最大尺度是地球半徑的尺度，即6,371 km。在這樣一個范圍中，太陽輻射的強度僅變化(149597890+6371)/149597890)2 = 1.000085。因此把太陽輻射當作平行光，其輻照度不隨距離變化是合理的。 平行輻射對于平行輻射，由于輻射能是在同一個方向傳播，射線所張的立體角為零，此時輻射強度的概念不再適用。這種情況下，只需要知道平行輻射的方向和輻射通量密度即可。地面接收的太陽輻射通量密度co

19、sSS面輻射源特點是它可以向2立體角中發(fā)射輻射能。對平面平行大氣，水平方向的輻射分量都是相同的，它們對局地能量平衡不起作用。因此只關(guān)心垂直方向的輻射通量密度。余弦輻射體或Lambert光源輻射強度不隨方向變化的面輻射源如黑體、太陽、陸地表面平靜水面？例5.1(朗伯定律)FL575.2.1 5.2.1 吸收率、反射率和透射率吸收率、反射率和透射率5.2.2 5.2.2 平衡輻射的基本規(guī)律平衡輻射的基本規(guī)律5.2.3 5.2.3 太陽輻射和地球輻射的區(qū)別太陽輻射和地球輻射的區(qū)別5.2.1 吸收率、反射率和透射率吸收率、反射率和透射率5.2 輻射的基本規(guī)律輻射的基本規(guī)律輻射能：電磁波中電場能量和磁場

20、能量的總和叫做電磁波輻射能：電磁波中電場能量和磁場能量的總和叫做電磁波的能量，也稱為輻射能。的能量，也稱為輻射能。 吸收率：被物體所吸收的入射輻射比率。吸收率：被物體所吸收的入射輻射比率。反射率：被表面反射的入射輻射比率。反射率：被表面反射的入射輻射比率。 透射率：被物體所透過的入射輻射比率。透射率：被物體所透過的入射輻射比率。射到物體的輻射能一部分會被物體吸收變?yōu)閮?nèi)能或者其他射到物體的輻射能一部分會被物體吸收變?yōu)閮?nèi)能或者其他形式的能量，一部分會被反射回去，而另一部分則會透射形式的能量，一部分會被反射回去，而另一部分則會透射物體物體 其中Q0是投射到物體的輻射能，Qa是吸收的部分，Qr是反射的

21、部分，Qc是透射的部分。吸收吸收反射反射透射透射由能量守恒定律可得：由能量守恒定律可得：Q0=Qa+Qr+Qc由此可定義：由此可定義：吸收率：吸收率：A= Qa /Q0 反射率：反射率：R= Qr /Q0 透射率：透射率：T= Qc /Q0 A+R+T=1 分析：當物體不透明時，分析：當物體不透明時，T=0。則有。則有A+R=1，這時反射，這時反射率大物體的吸收率一定小。率大物體的吸收率一定小。 同理可得，當吸收率大的物體的反射了一定小。同理可得，當吸收率大的物體的反射了一定小。 對于反射率、吸收率和透射率可以用于單一的波對于反射率、吸收率和透射率可以用于單一的波長，對于某一單一波長的輻射，稱

22、為單色（或分長，對于某一單一波長的輻射，稱為單色（或分光、譜）反射率、吸收率和透射率，分別用光、譜）反射率、吸收率和透射率，分別用R， A ，T。對于一比較寬的譜段（如可見光波段、太陽輻射對于一比較寬的譜段（如可見光波段、太陽輻射），常將物體表面的反射輻射通量與入射輻射通），常將物體表面的反射輻射通量與入射輻射通量之比稱為反照率。量之比稱為反照率。1、黑體如果某一物體對于任何波長的輻射都能全部吸收，即如果某一物體對于任何波長的輻射都能全部吸收，即A=1，則該物體為絕對黑體，相應的，必有反射和透射為零，則該物體為絕對黑體，相應的，必有反射和透射為零，即：即：R=0，T=0，如果物體對某一波長全部

23、吸收，即，如果物體對某一波長全部吸收，即A 則則稱稱 該物體對這一波長為黑體。該物體對這一波長為黑體。絕對黑體在自然界是不存在的，吸收率最大的物體：絕對黑體在自然界是不存在的，吸收率最大的物體：eg煙煙炱黑對可見光個波段的吸收率均超過炱黑對可見光個波段的吸收率均超過0.95，接近于，接近于1，但在，但在遠紅外段的吸收率比遠紅外段的吸收率比1小的多。因此不能說他是絕對黑體。小的多。因此不能說他是絕對黑體。容器是開一小孔容器是開一小孔c c的密閉空間，其壁層和內(nèi)層涂有煙炱黑，使其吸收的密閉空間，其壁層和內(nèi)層涂有煙炱黑，使其吸收率接近于率接近于1. 1. 經(jīng)過多次反射，最后只有很少一部分的能量由經(jīng)過

24、多次反射，最后只有很少一部分的能量由c c出來。出來。n n次反射后為次反射后為R Rn nQ Q0 0，而吸收率為，而吸收率為1-R1-Rn n，由此可見，即使，由此可見，即使R=0.1,n=4,R=0.1,n=4,吸吸收率可達到收率可達到0.99990.9999，已經(jīng)很接近，已經(jīng)很接近1 1了，當了，當n n還更大些，可認為小孔能還更大些，可認為小孔能吸收全部入射的輻射能，小孔所處的面就是一個絕對黑體面。吸收全部入射的輻射能，小孔所處的面就是一個絕對黑體面。c黑體與黑色物體的區(qū)別：黑體與黑色物體的區(qū)別： 黑色物體只是表明他對可見光的反射性質(zhì)，不能只由物體的顏色來判斷其黑色物體只是表明他對可

25、見光的反射性質(zhì)，不能只由物體的顏色來判斷其對整個波段的吸收能力。對整個波段的吸收能力。潔白的雪面對遠紅外波段而言，遠比一般物體更接近于黑體。潔白的雪面對遠紅外波段而言，遠比一般物體更接近于黑體。2、灰體物體的吸收率物體的吸收率A A不隨波長而變，但不隨波長而變，但A1A1，則稱物，則稱物體為灰體。體為灰體。地面對長波輻射的吸收率近于常數(shù)，故可以認地面對長波輻射的吸收率近于常數(shù)，故可以認為地面是灰體，且吸收率為地面是灰體，且吸收率A A接近于接近于1.1.對于單色輻射 A+ R +T =1 或 + R +T =1。均稱為能量守衡。單色輻射時，稱單色（或分光）吸收率、反射率、透射率、比輻射率。 黑

26、體黑體：A=1，R = T =0（對此波長為黑體）密閉空腔，R=0.1，四次，A=1-(0.1)4=0.9999，可認為是黑體。不能根據(jù)顏色來判定吸收能力?；殷w灰體：A1，但是常數(shù)窗區(qū)完全透明窗區(qū)完全透明：T =1，A +R =0不透明物體不透明物體：T =0，A +R =1舉例黑體：黑體： 能全部吸收入射輻射能的物體能全部吸收入射輻射能的物體模型：模型： 空腔小孔空腔小孔黑體是理想模型黑體是理想模型黑體黑體輻射輻射：物體吸收輻射能同時，物體吸收輻射能同時，又要又要向外輻射能量。向外輻射能量。能量守恒能量守恒Q0 = Qa + Qr + Qt 吸收率吸收率A = Qa / Q0反射率反射率R

27、= Qr / Q0透射率透射率 = Qt / Q0( (透過率透過率) )A + R + = 1 對于單色輻射，稱為單色吸收率、對于單色輻射，稱為單色吸收率、反射率和透射率。分別記為反射率和透射率。分別記為A , R , 各種物體對不同波長的輻射具有各種物體對不同波長的輻射具有不同的吸收率與放射率，構(gòu)成不同的吸收率與放射率，構(gòu)成了該物體的了該物體的吸收光譜吸收光譜或或輻射光輻射光譜譜。反照率：物體表面的反射輻射通反照率：物體表面的反射輻射通量與入射輻射通量之比量與入射輻射通量之比絕對黑體所有波長吸收率均為1A = 1單色黑體某一波長吸收率為1A = 1 灰體吸收率不隨波長變化但小于1黑色物體?

28、BLACKBODY RADIATION輻射平衡狀態(tài)吸收和發(fā)射輻射能量相等：1）物質(zhì)熱狀況保持不變，可用一確定溫度表示；2）各向同性局地輻射平衡狀態(tài)如果輻射熱交換的過程相當緩慢，物體中內(nèi)能的分布來得及變化均勻，這時物體的溫度雖然在變化，但每一給定瞬間，物體的狀態(tài)可以看作是平衡的，仍可用一定的溫度來描述。地球大氣中的輻射過程，一般認為地面至60公里以下的大氣處于局地輻射平衡狀態(tài)，因此可以應用平衡輻射的規(guī)律來解訣平流層以下的大氣輻射學的問題在輻射平衡條件下，任何物體的單色輻射通量密度FT與吸收系數(shù)AT成正比關(guān)系，二者比值只是波長和溫度的函數(shù)，與物體性質(zhì)無關(guān)，比值大小等于Planck函數(shù)的通量密度形式

29、,TBTFFTA1859年，基爾霍夫定律（對任意物體） 任何物體輻射率和吸收率之比相同，且僅是溫度的函數(shù)，物體的吸收率等于比輻射率（ ,T ）。 F,T / A,T = f(,T)=FB(,T)f(,T) 為普適函數(shù)，F(xiàn)B(,T)為黑體輻射率（黑體吸收率為1）。 歷史上首先關(guān)注黑體 完全吸收所有入射輻射（因此說黑）在所有波長和所有方向上有最大放射輻射 ,T =A,T ， ,T= F,T /FB(,T) 基爾霍夫定律表明：任何物體的輻射率（輻出度）和吸收基爾霍夫定律表明：任何物體的輻射率（輻出度）和吸收率之比都等于同一溫度下黑體的輻出度。在相同溫度時，黑率之比都等于同一溫度下黑體的輻出度。在相同

30、溫度時，黑體的輻出度是最大的，其他物體都無法超越它。體的輻出度是最大的，其他物體都無法超越它。 通常定義物體的發(fā)射能力通常定義物體的發(fā)射能力 和黑體的輻射能力和黑體的輻射能力 之比為比輻射率之比為比輻射率 , ,則基爾霍夫定律也可以寫成下列形則基爾霍夫定律也可以寫成下列形式：式： （物體的比輻射率與其吸收率相等）（物體的比輻射率與其吸收率相等） 基爾霍夫定律的意義：將物體的吸收能力和放射能力聯(lián)系基爾霍夫定律的意義：將物體的吸收能力和放射能力聯(lián)系起來，同時知道吸收率就知道了比輻射率；將各種物體的吸起來，同時知道吸收率就知道了比輻射率；將各種物體的吸收、放射能力與黑體的放射能力聯(lián)系起來。收、放射能

31、力與黑體的放射能力聯(lián)系起來。,TF,BFT,T,TTAGustav Robert Kirchhoff Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887)(1824-1887)德國物理學家德國物理學家18591859：KirchhoffKirchhoff s Laws Law光譜學光譜學電學電學發(fā)現(xiàn)了銫和銣發(fā)現(xiàn)了銫和銣對于絕對黑體物質(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)221B5/1152( , )(e1)(e1)chkTCTc hFTC212Chc2hcCk普朗克函數(shù)(黑體分光輻亮度)2B/1151(,)( ,)

32、(e1)CTBTF TC黑體輻射與物質(zhì)組成無關(guān)黑體輻射強度隨溫度增高而增大Stefan-Boltzmann Law最大強度的波長隨溫度增高而減小Wien位移定律Max Planck (1858-1947)Max Planck (1858-1947)德國物理學家德國物理學家19011901：PlanckPlanck s Laws Law1918 1918 Nobel PrizeNobel PrizeQuantum theory Quantum theory 瑞利瑞利金斯公式金斯公式)HzmW10/()(-1-29TF Hz10/14 瑞利瑞利 - - 金斯公式金斯公式實驗曲線實驗曲線k2000T

33、*kTcTF222)(紫外災難紫外災難頻率越高，相差越大頻率越高，相差越大紫紫 紅紅 : 4000 7000 : 7.69 1014Hz 3.95 1014Hz經(jīng)典物理的困難經(jīng)典物理的困難經(jīng)典物理不能解經(jīng)典物理不能解釋黑體輻射曲線釋黑體輻射曲線普朗克（普朗克（1858- -1947） 德國理論物理學家，量子論的德國理論物理學家，量子論的奠基人奠基人. 1900年他在德國物理學年他在德國物理學會上，宣讀了以會上，宣讀了以關(guān)于正常光譜關(guān)于正常光譜中能量分布定律的理論中能量分布定律的理論為題的為題的 論文論文. 勞厄稱這一勞厄稱這一 天是天是“量子論的量子論的 誕生日誕生日”.量子論量子論 和相對論

34、構(gòu)成了近代物理學的研究和相對論構(gòu)成了近代物理學的研究 基礎基礎.普朗克假設普朗克假設量子力學量子力學宏觀領域宏觀領域經(jīng)典力學經(jīng)典力學現(xiàn)代物理的理論基礎現(xiàn)代物理的理論基礎量子力學量子力學相相 對對 論論量子力學量子力學微觀世界的理論微觀世界的理論起源于對波粒二相性的認識起源于對波粒二相性的認識 （1）黑體腔壁中的電子振動可視為諧振子，黑體腔壁中的電子振動可視為諧振子，), 3 , 2 , 1(量子數(shù)nnh 是分立的，只是分立的，只能取某一最小能量的整數(shù)倍，能取某一最小能量的整數(shù)倍，即即 ，2 ，3 . n , h稱為能量子，稱為能量子，sJ1063. 634h普朗克恒量普朗克恒量：振子的頻率 （

35、2）諧振子的能量諧振子的能量h1h3h2h4可連續(xù)取值經(jīng)典物理221kAE 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。將太陽視作絕對黑體而計算出的溫度稱為太陽的有效溫度，約為5777K，與太陽表面的實際溫度略有差異。如果不是絕對黑體，反演出的溫度就會偏低。4TFBTLudwig Boltzmann Ludwig Boltzmann (1844-1906)(1844-1906)奧地利物理學家奧地利物理學家18841884：Stefan-Boltzmann lawStefan-Bo

36、ltzmann law（理論推導）統(tǒng)計力學統(tǒng)計力學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， max = 0.42 mm（藍色光）由輻射最強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。由維恩位移定律求出的溫度稱為顏色溫度或色溫。 max2897.8()TmKmWilhelm Wien (1864-1928)Wilhelm Wien (1864-1928)德國物理學家德國物理學家18931893：WienWien s Displacement Laws Displacement Law1911 1911 Nobel PrizeNobel Prize定義定義

37、black body black body太陽輻射的能量集中在太陽輻射的能量集中在0.1m mm至至4.0m mm之間之間地球大氣輻射的能量主要集中在地球大氣輻射的能量主要集中在4m mm至至120m mm之間之間在大氣物理學中，常稱在大氣物理學中，常稱太陽輻射太陽輻射為為短波輻射短波輻射，稱，稱地球輻地球輻射射為長波輻射。短波和長波輻射以為長波輻射。短波和長波輻射以4m mm分界。分界。 T=6000K時時(代表太陽代表太陽,短波短波)， =0.174m mm max =0.483 m mmT=300K (代表地面代表地面,長波長波)， = 3.380 m mm max =9.659 m m

38、mT=200K時時(代表大氣代表大氣,長波長波)， =5120m mm max =14.489m mm占總能量的99%以上面積為絕對黑面積為絕對黑體積分出射度體積分出射度除以除以T4相對能量大小相對能量大小: :在所有的波長，太陽表面的輻射通量都遠大于地球表面在所有的波長，太陽表面的輻射通量都遠大于地球表面輻射通量。輻射通量。但輻射通量在傳輸過程中隨距離的平方減小。在地球表但輻射通量在傳輸過程中隨距離的平方減小。在地球表面或離地面幾百公里的范圍內(nèi)，在長波波段，地球的面或離地面幾百公里的范圍內(nèi)，在長波波段，地球的輻射通量遠大于太陽的輻射通量，故常常可以忽略太輻射通量遠大于太陽的輻射通量，故常?？?/p>

39、以忽略太陽的作用。陽的作用。例如，在大氣上界，入射的太陽長波輻射通量約10 Wm-2，而地球出射的長波輻射通量約270 Wm-2。 對于全波段輻射通量密度，太陽、地球兩者輻射通量密對于全波段輻射通量密度，太陽、地球兩者輻射通量密度數(shù)量級接近度數(shù)量級接近補充： 平衡輻射的基本定律主要內(nèi)容主要內(nèi)容輻射平衡基爾霍夫定律斯蒂芬玻爾茲曼定律維恩位移定律普朗克黑體輻射定律 輻射平衡：輻射平衡： (1) 自然界的任何物體都自然界的任何物體都通過輻射交換著能量通過輻射交換著能量。 (2) 如果沒有其他方式的能量交換如果沒有其他方式的能量交換，一物體的熱量得失和，一物體的熱量得失和熱狀態(tài)的變化就取決于熱狀態(tài)的變

40、化就取決于放射和輻射能之間的差值放射和輻射能之間的差值。 (3) 當物體當物體發(fā)射出的輻射能發(fā)射出的輻射能恰好等于恰好等于吸收的輻射能吸收的輻射能時，該時，該物體處于物體處于輻射平衡輻射平衡，這時，這時物體處于熱平衡態(tài)，可以用物體處于熱平衡態(tài)，可以用態(tài)函態(tài)函數(shù)溫度來描述數(shù)溫度來描述，因此也可稱為溫度輻射，因此也可稱為溫度輻射。一般物體一般物體不是輻射平衡不是輻射平衡的。的。如果如果輻射能交換的過程緩慢輻射能交換的過程緩慢，物體的內(nèi)能分布來得及均，物體的內(nèi)能分布來得及均勻變化，并持續(xù)處于熱平衡狀態(tài)，這時的輻射可是為具勻變化，并持續(xù)處于熱平衡狀態(tài)，這時的輻射可是為具有有準平衡性質(zhì)準平衡性質(zhì)。一般認

41、為地面至一般認為地面至60km60km以下以下的大氣處于的大氣處于局地輻射平衡局地輻射平衡狀態(tài)狀態(tài)，因此可以，因此可以用平衡輻射規(guī)律來解決用平衡輻射規(guī)律來解決平流層以下平流層以下的大氣輻的大氣輻射問題。射問題。 黑體：黑體： 能全部吸收入射輻射能的物體能全部吸收入射輻射能的物體模型：模型： 空腔小孔空腔小孔黑體是理想模型黑體是理想模型黑體黑體輻射輻射：物體吸收輻射能同時，物體吸收輻射能同時，又要又要向外輻射能量。向外輻射能量。1.基爾霍夫（Kirchhoff)定律在物體的吸收能力和輻射能力之間，也就是吸收光譜和輻射光譜之間，存在著一定關(guān)系。實驗表明，相同溫度的物體，吸收率大的輻射率（輻射出射度

42、）也大，反之，吸收率小的輻射率也小。1859年，基爾霍夫定律（對任意物體） 任何物體輻射率和吸收率之比相同，且僅是溫度的函數(shù)，物體的吸收率等于比輻射率（ ,T ）。 F,T / A,T = f(,T)=FB(,T)f(,T) 為普適函數(shù)，F(xiàn)B(,T)為黑體輻射率（黑體吸收率為1）。 歷史上首先關(guān)注黑體 完全吸收所有入射輻射（因此說黑）在所有波長和所有方向上有最大放射輻射 ,T =A,T ， ,T= F,T /FB(,T)基爾霍夫定律證明 如一黑體和一物體在真空中達輻射平衡：對黑體，放射=吸收，為 FB(,T) d = F,T d + (1- A,T ) FB(,T) d對物體平衡，F(xiàn),T d

43、= A,T FB(,T) d都有A,T FB(,T) = F,T 黑體吸收物黑體吸收物體的放射體的放射黑體吸收物體吸黑體吸收物體吸收后剩下的輻射收后剩下的輻射黑體的放射黑體的放射物體的放射物體的放射物體的吸收物體的吸收 基爾霍夫定律表明：任何物體的輻射率（輻出度）和吸收基爾霍夫定律表明：任何物體的輻射率（輻出度）和吸收率之比都等于同一溫度下黑體的輻出度。在相同溫度時，黑率之比都等于同一溫度下黑體的輻出度。在相同溫度時，黑體的輻出度是最大的，其他物體都無法超越它。體的輻出度是最大的，其他物體都無法超越它。 通常定義物體的發(fā)射能力通常定義物體的發(fā)射能力 和黑體的輻射能力和黑體的輻射能力 之比為比輻

44、射率之比為比輻射率 , ,則基爾霍夫定律也可以寫成下列形則基爾霍夫定律也可以寫成下列形式：式： （物體的比輻射率與其吸收率相等）（物體的比輻射率與其吸收率相等） 基爾霍夫定律的意義：將物體的吸收能力和放射能力聯(lián)系基爾霍夫定律的意義：將物體的吸收能力和放射能力聯(lián)系起來，同時知道吸收率就知道了比輻射率；將各種物體的吸起來，同時知道吸收率就知道了比輻射率；將各種物體的吸收、放射能力與黑體的放射能力聯(lián)系起來。收、放射能力與黑體的放射能力聯(lián)系起來。,TF,BFT,T,TTA40d)()(TTFTF428KmW10670. 5斯蒂芬斯蒂芬玻爾茲曼常量玻爾茲曼常量總輻出度總輻出度式中式中O 1000 200

45、01.0 )mW10/()(314TFnm/可見光區(qū)可見光區(qū)3000K3000K6000K6000Km0.52. bT m峰值波長峰值波長O 1000 20001.0 )mW10/()(314TMnm/可見光區(qū)可見光區(qū)3000K3000K6000K6000Km0.5Km10898. 23b常量常量瑞利瑞利金斯公式金斯公式)HzmW10/()(-1-29TF Hz10/14 瑞利瑞利 - - 金斯公式金斯公式實驗曲線實驗曲線k2000T*kTcTF222)(紫外災難紫外災難頻率越高，相差越大頻率越高，相差越大紫紫 紅紅 : 4000 7000 : 7.69 1014Hz 3.95 1014Hz經(jīng)

46、典物理的困難經(jīng)典物理的困難經(jīng)典物理不能解經(jīng)典物理不能解釋黑體輻射曲線釋黑體輻射曲線普朗克（普朗克（1858- -1947） 德國理論物理學家，量子論的德國理論物理學家，量子論的奠基人奠基人. 1900年他在德國物理學年他在德國物理學會上，宣讀了以會上，宣讀了以關(guān)于正常光譜關(guān)于正常光譜中能量分布定律的理論中能量分布定律的理論為題的為題的 論文論文. 勞厄稱這一勞厄稱這一 天是天是“量子論的量子論的 誕生日誕生日”.量子論量子論 和相對論構(gòu)成了近代物理學的研究和相對論構(gòu)成了近代物理學的研究 基礎基礎.普朗克假設普朗克假設量子力學量子力學宏觀領域宏觀領域經(jīng)典力學經(jīng)典力學現(xiàn)代物理的理論基礎現(xiàn)代物理的理

47、論基礎量子力學量子力學相相 對對 論論量子力學量子力學微觀世界的理論微觀世界的理論起源于對波粒二相性的認識起源于對波粒二相性的認識 （1）黑體腔壁中的電子振動可視為黑體腔壁中的電子振動可視為諧振子諧振子，), 3 , 2 , 1(量子數(shù)nnh 是是分立的分立的，只，只能取某一最小能量的整數(shù)倍，能取某一最小能量的整數(shù)倍，即即 ，2 ，3 . n , h稱為稱為能量子能量子，sJ1063. 634h普朗克恒量普朗克恒量：振子的頻率 （2）諧振子的能量諧振子的能量h1h3h2h4可連續(xù)取值經(jīng)典物理221kAE 4、普朗克黑體輻射定律1900年普朗克開創(chuàng)性的引進了量子概念，將輻射當做不連續(xù)的量子發(fā)射，

48、得出了絕對黑體輻射率隨波長變化的函數(shù)關(guān)系，即普朗克定律。 其中 是絕對黑體的分光輻出度，單位為 第一輻射常數(shù)： 第二輻射常數(shù)： 其中c為光速，h為普朗克常數(shù)，k為玻爾茲曼常數(shù) 根據(jù)黑體的定義，黑體它吸收所有波長的輻射，即吸收能力為1，又能發(fā)射所有波長的電磁波22111552,(1)(1)cchk TTBcc hFTee,BFT21Wmmm2842123.7424 10cc hWmmm214388chcm Kkm普朗克公式：普朗克公式：在所有波段里都與實驗符合很好。在所有波段里都與實驗符合很好?；蚧?2111552,(1)(1)cchk TTBcc hFTee1e2),(/32kThchTFB1

49、ed2d),(/32kThchTF普朗克黑體輻射公式普朗克黑體輻射公式o 1 2 3 6Hz10/14)HzmW10/()(1-29TF2 4實驗值實驗值*k2000T普朗克公式的理論曲線普朗克公式的理論曲線用玻爾茲曼用玻爾茲曼統(tǒng)計代替能統(tǒng)計代替能量均分定理量均分定理普朗克函數(shù)（輻射強度）黑體的分光輻亮度（W m2m1sr1） 黑體：朗伯體亮度溫度（等效黑體溫度，遙感測溫的基礎）1/51) 1(),(1),(2TcBecTFTL不同溫度時黑體輻射光譜的差異：不同溫度時黑體輻射光譜的差異：（1）理論上，任何溫度的絕對黑體都放射）理論上，任何溫度的絕對黑體都放射 波長輻射，但波長輻射，但溫度不同溫

50、度不同，輻射能量集中的波段也就不同，輻射能量集中的波段也就不同。隨著。隨著溫度的下降溫度的下降，輻射能量集中的波，輻射能量集中的波段段向長波方向向長波方向移動。移動。（2）當）當溫度升高溫度升高時，各波段時，各波段放射的能量均加大放射的能量均加大，積分輻射能力，積分輻射能力 也隨著也隨著迅速加大，且能量集中的波段向短波方向移動。迅速加大，且能量集中的波段向短波方向移動。 （3）每一溫度下，都有輻射最強的波長）每一溫度下，都有輻射最強的波長 ，即光譜曲線有一極大值，而，即光譜曲線有一極大值，而且且隨溫度升高隨溫度升高， 變小變小。普朗克定律的物理解釋0mmTFmaxmax普朗克定律導出斯蒂芬玻爾茲曼定律1879年斯蒂芬由實驗發(fā)現(xiàn)，絕對年斯蒂芬由實驗發(fā)現(xiàn)，絕對黑體的積分輻出度黑體的積分輻出度與其與其溫度溫度的的4次方成次方成正比，即正比，即 后來后來1884年玻爾茲曼由熱力學理論得出了這個公式。式中年玻爾茲曼由熱力學理論得出了這個公式。式中 稱為斯蒂稱為斯蒂芬芬玻爾玻爾 茲曼常數(shù)。茲曼常數(shù)。說明黑體輻射只與物體的溫度有關(guān)。說明黑體輻射只與物體的溫度有關(guān)。放射體的溫度越高，放射的能量放射體的溫度越高，放射的能量就越大。就越大。這是描述較熱的物體輻射方式的定律。這是描述較熱的物體輻射方式的定律。4TFT)(106696. 515,15151,1,TX) 1(),(4284421444