大氣科學(xué)概論第九輻射

1、大氣科學(xué)概論課件第九輻射第1頁，共38頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)41分，星期二 大氣輻射學(xué)主要研究大氣中輻射傳輸?shù)?基本規(guī)律和物理過程，以及地球大氣系統(tǒng) 的輻射能量收支問題。 地球大氣系統(tǒng)的能量來源主要是太陽輻射能， 它從根本上決定了地球、大氣熱狀態(tài)，從而制 約大氣運(yùn)動(dòng)和其它大氣過程的能量，是產(chǎn)生各 種大氣物理、大氣化學(xué)過程和天氣現(xiàn)象的根本 原因，也是氣候形成的重要因子。第2頁，共38頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)41分，星期二 太陽是一個(gè)巨大灼熱的氣體球，它不斷地 進(jìn)行著氫核聚變，因而以巨大的能量向外輻射。 一年中整個(gè)地球可以從太陽獲得5.671024J 的輻射能量。 雖然地球大

2、氣也接收其他天體發(fā)送的粒子流， 但從能量角度來講微不足道。 而來自宇宙中其它星體的輻射能僅是來自太陽輻射 能的億分之一。從地球內(nèi)部傳遞到地面上的能量也僅是 來自太陽輻射能的萬分之一。 第3頁，共38頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)41分，星期二 地球圍繞太陽運(yùn)行，太陽輻射是地球 最重要的能源。地球作為飄浮在宇宙空間 的一個(gè)物體， 它只能通過輻射過程才能與 周圍環(huán)境交換能量，并最終達(dá)到某種平衡。 由此可見，太陽輻射是地球最重要的能源。 本章研究太陽、地球、大氣中的輻射能 交換，以及輻射能量在大氣中傳輸?shù)囊?guī)律。第4頁，共38頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)41分，星期二6.1 輻 射 概 述第

3、5頁，共38頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)41分，星期二 任何物體，只要溫度大于絕對(duì)零度(-273oC)， 都以電磁波的方式向四周放射能量，同時(shí)也接 受來自周圍的電磁波。 這是物質(zhì)的本性決定的，是由物質(zhì)本身的電子、質(zhì)子、 分子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。 這種傳播能量的方式稱為輻射。 通過輻射傳播的能量稱為輻射能， 簡(jiǎn)稱為輻射。 輻射是能量傳播方式之一，也是太陽能量能傳輸 到地球的唯一途徑。 第6頁，共38頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)41分，星期二 6.1.1 電磁輻射 一、描述電磁波的物理量 電磁波可以用頻率f、波長(zhǎng)、波數(shù)、 和波速c來描述。 單位：fHz；m,nm；cm-1；cm/s 各物理量的

4、關(guān)系是：第7頁，共38頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)41分，星期二 二、電磁波譜 不同波長(zhǎng)和頻率的電磁波有不同的物理特性， 可以用波長(zhǎng)和頻率來區(qū)別電磁輻射，并給以不同 的名稱，稱之為電磁波譜。 波長(zhǎng)由小到大分別為宇宙射線、射線、射線、 紫外線、可見光、紅外線、微波、無線電波。 第8頁，共38頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)41分，星期二第9頁，共38頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)41分，星期二 太陽、地面、大氣輻射的波長(zhǎng)范圍 基本上在0.1120m，即紫外波段、 可見光、紅外波段。 其中，太陽短波輻射0.14m， 地面和大氣輻射長(zhǎng)波3120m， 是大氣科學(xué)研究的重要波段。 第10頁，

5、共38頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)41分，星期二 可見光集中了太陽輻射的主要能量，不但對(duì)地球大氣輻射收支有著重要的影響，而且不同的波長(zhǎng)的輻射還供給人眼不同的色彩感覺。 第11頁，共38頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)41分，星期二第12頁，共38頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)41分，星期二 6.1.2 描述輻射場(chǎng)的物理量 如同溫度、氣壓、風(fēng)等許多參量都以場(chǎng)的形式出 現(xiàn)，它們都是空間和時(shí)間的函數(shù)（x，y，z，t)， 輻射場(chǎng)是更復(fù)雜的場(chǎng)。以下是輻射場(chǎng)的參量： 一、輻射能 指以輻射方式傳遞的能量。單位：J 二、輻射通量P P指單位時(shí)間內(nèi)通過某一平面的輻射能量， 也稱輻射功率。 單位：w；

6、J/s第13頁，共38頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)41分，星期二 三、輻射通量密度F F是指輻射場(chǎng)內(nèi)任一點(diǎn)處通過單位平面的 輻射功率（輻照度）。單位：w/m2 其中包括:輻照率:輻射場(chǎng)內(nèi)任一點(diǎn)處射入單位面積的輻射功率輻射率I：輻射場(chǎng)內(nèi)任一點(diǎn)處射出單位面積的輻射功率 四、輻射源 輻射源是指向外發(fā)射輻射的物體稱為輻射源, 分為點(diǎn)源和面源。 第14頁，共38頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)41分，星期二 把太陽光看成是點(diǎn)源（視張角為0.5） 在離點(diǎn)源距離相當(dāng)大且討論比較小范圍中的問題 時(shí)，可以把由點(diǎn)源發(fā)射的輻射當(dāng)作平行光處理。 如地氣接收的太陽輻射就可當(dāng)作平行光處理。對(duì)于平行輻射，由于平行輻

7、射能是在同一方向上傳播，射線所張的立體角為零。若計(jì)算某一平面上的輻射通量密度只需知道平行輻射的輻照度和傳播方向即可。第15頁，共38頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)41分，星期二6.2 輻射的基本定律第16頁，共38頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)41分，星期二 6.2.1 吸收率、反射率、透射率 設(shè)投射到物體上的輻射能(Q0)： 一部分被物體吸收變?yōu)閮?nèi)能(Qa)； 一部分被反射回去(Qr)；一部分可能會(huì)透過物體(Qd)由能量守恒定律： Q0 Qa Qr Qd第17頁，共38頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)41分，星期二 定義: 吸收率a=Qa/Q0； 反射率r=Qr/Q0 ； 透射率d

8、=Qt/Q0 則 a+r+d=1 a、r、d都是01之間變化的無量綱量。且a、r、d 大小隨著輻射的波長(zhǎng)和物體的性質(zhì)而改變。例如: 干潔空氣對(duì)紅外線是近似透明的，而水汽對(duì)紅外線 卻能強(qiáng)烈地吸收； 雪面對(duì)太陽輻射的反射率很大，但對(duì)地面和大氣的 輻射則幾乎能全部吸收。 （見p31的表2.1為各種地表對(duì)太陽輻射反射率）第18頁，共38頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)41分，星期二 可見，一般物體對(duì)輻射具有“選擇性” 為研究方便，特假設(shè)兩種理想物體： 一、黑體 特別地，如果某一物體對(duì)投射到其上的任何波長(zhǎng) 的輻射能全部吸收，即a=1,則稱該物體為絕對(duì)黑體。 如果物體僅對(duì)某一波長(zhǎng)的輻射全部吸收，即 a=

9、1,則稱該物體對(duì)這一波長(zhǎng)為黑體。常把太陽輻射看成是黑體輻射 絕對(duì)黑體自然界是不存在的。如煙炱黑對(duì)可見光a1 ，但對(duì)遠(yuǎn)紅外線a遠(yuǎn)小于1。第19頁，共38頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)41分，星期二 實(shí)驗(yàn)室可人工制造接近絕對(duì)黑體的表面： 應(yīng)當(dāng)注意，黑體與黑色物體有區(qū)別： 因?yàn)楹谏矬w只表明它對(duì)可見光的反射性質(zhì)，我們不能僅根據(jù)顏色來判斷它對(duì)各波段的吸收能力。 如潔白的雪面對(duì)遠(yuǎn)紅外波段的吸收能力比其它物體強(qiáng)。第20頁，共38頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)41分，星期二 二、灰體 如果物體的吸收率a1，但a是一常量，且 不隨波長(zhǎng)而改變，這種物體稱灰體。 如地面對(duì)長(zhǎng)波輻射的吸收率a近于常數(shù)，a1，

10、故可 以認(rèn)為地面為灰體。第21頁，共38頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)41分，星期二 課外練習(xí)： 1、寫出以下有關(guān)的輻射概念： 輻射、輻射通量、輻射通量密度、黑體、 灰體。 2、寫出吸收率，反射率，透射率的定義 及三者的關(guān)系。物體的吸收率、反射 率和透射率大小隨著哪些因素而改變？第22頁，共38頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)41分，星期二 6.2.2 輻射平衡的基本規(guī)律 自然界的任何物體都通過輻射過程交換著能量。 如果沒有其它方式的能量交換，一物體的熱量得失 及熱狀態(tài)就取決于放射和吸收的輻射能之間的差值。 當(dāng)放射的輻射能恰好等于吸收的輻射能時(shí)，該物體 處于熱平衡狀態(tài)，可以用態(tài)函數(shù)溫度來

11、描述。一般認(rèn)為： 地面到60km以下的大氣處于局地輻射平衡狀態(tài)，可以用平衡輻射規(guī)律來解決平流層以下的大氣輻射問題。第23頁，共38頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)41分，星期二 下面討論物體處于熱平衡狀態(tài)下放射和 吸收輻射的物理規(guī)律：基爾霍夫（Kirchhoff）定律普朗克(planck)定律斯蒂芬（Stefan）-玻耳茲曼（Boltzman）定律維恩（Wein）位移定律第24頁，共38頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)41分，星期二 一、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 收光譜之間和輻射光譜之間，存在著一定的關(guān)系。 設(shè)想在一個(gè)真空封閉系統(tǒng)中，有幾

12、個(gè)溫度不同的物體， 物體間只能通過輻射交換能量。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間 后，溫度會(huì)彼此相等，達(dá)到輻射平衡。 由于各物體間有不同的吸收和放射能力， 顯然，吸收率大的物體其輻射率也大； 吸收率小的物體其輻射率也小， 只有這樣系統(tǒng)最終才能輻射平衡。第25頁，共38頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)41分，星期二 進(jìn)一步推論： 物體對(duì)某一波長(zhǎng)的吸收率大，則對(duì)該波 長(zhǎng)的輻射率也大； 物體對(duì)某一波長(zhǎng)不吸收，也就不放射該波長(zhǎng)。第26頁，共38頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)41分，星期二 基爾霍夫在1859由熱力學(xué)論證了上述現(xiàn)象： 在熱平衡條件下（T=常數(shù)），任何物體輻 射率I，與物體的吸收率a，之比值,是 一個(gè)普適

13、函數(shù)。該普適函數(shù)只是溫度和波長(zhǎng) 的函數(shù)，而與物體的性質(zhì)無關(guān)?；鶢柣舴蚨桑旱?7頁，共38頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)41分，星期二 如果有幾種物體，在同一溫度下，對(duì)同一波長(zhǎng)的 吸收率為a， a ， a ， a ， 對(duì)同一波長(zhǎng)的輻射率分別為 I1，I2，I， IF， 則有： I1， a ，I，a ， I，a ， I，a ， f(,T) 如果討論的是黑體，a 則有輻射率 Ibf(,T)第28頁，共38頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)41分，星期二 基爾霍夫定律表明： 任何物體的輻射率和它的吸收率之比，都 等于同一溫度下黑體的輻射率Ib 。第29頁，共38頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)

14、41分，星期二 基爾霍夫定律的意義： 它將物體的吸收能力和放射能力聯(lián)系起來了。 特別是它將各種一般物體的吸收、放射能力 與黑體的放射能力聯(lián)系了起來。 這很重要，因?yàn)楹隗w的輻射規(guī)律從理論上和實(shí)驗(yàn)上 都十分清楚了，只要知道物體的吸收光譜，物體的輻射特性也就完全確定了。第30頁，共38頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)41分，星期二 二、普朗克(planck)定律 絕對(duì)黑體的輻射光譜對(duì)于研究一切物體的輻射 規(guī)律具有根本的意義。 1900年，普朗克成功地從理論上得出了與實(shí)驗(yàn) 精確符合的絕對(duì)黑體輻射率與波長(zhǎng)和溫度的關(guān)系。 IB(，T)是絕對(duì)黑體的分光輻出度c ，c2為第一、第二常數(shù)c為光速，h為普朗克常

15、數(shù),k為玻耳茲曼常數(shù)第31頁，共38頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)41分，星期二 由普朗克定律可以得到各種溫度下絕對(duì) 黑體輻射的光譜曲線：第32頁，共38頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)41分，星期二 不同溫度下的絕對(duì)黑體光譜的差異： 、理論上任何溫度的絕對(duì)黑體都放射0-m 波長(zhǎng)的輻射，但溫度不同輻射能量集中的波段也 不同，隨著溫度的下降，輻射能量集中的波段向長(zhǎng) 波方向移動(dòng)。 、當(dāng)溫度升高時(shí)，各波段放射的輻射能量均增大， 積分輻射能力FT也隨著迅速加大，且能量集中的波段 向短波方向移動(dòng)。 、每一溫度下，都有輻射最強(qiáng)的波長(zhǎng)m，即光譜曲 線有一極大值，而且隨著溫度的升高，m變小。第33頁，共

16、38頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)41分，星期二 特別地， 注意6000K,300K,200K的黑體輻射： 溫度6000K代表太陽，能量集中在 0.174.0m，極值波長(zhǎng)為0.483m。 溫度300K代表地球，能量集中在 3.3 80m，極值波長(zhǎng)為9.659m。 溫度200K代表大氣(平流層下層)，能量集中在 120m，極值波長(zhǎng)為14.489m。 氣象上常稱太陽輻射為短波輻射，以可見光與 近紅外波段為主； 稱地球、大氣輻射為長(zhǎng)波輻射，以紅外波段為主。第34頁，共38頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)41分，星期二 三、斯蒂芬玻耳茲曼定律 1879年，斯蒂芬由實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，黑體的積分輻出 度與其

17、溫度的四次方成正比。 1884年玻耳茲曼由熱力學(xué)理論得出了公式： 式中=5.6710-8W/（m2K4） 為斯蒂芬-波耳茲曼常數(shù)。 黑體的總放射能力（積分輻出度）與它本身的絕對(duì)溫度的四次方成正比。第35頁，共38頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)41分，星期二 四、維恩（Wein）位移定律 1893年維恩由熱力學(xué)理論推導(dǎo)得出： 黑體輻射光譜極大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)m與其 絕對(duì)溫度的乘積為一常數(shù)。 第36頁，共38頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)41分，星期二 總之， 有了上述有關(guān)的輻射定律，黑體輻射的 定律就全確定了，這些定律把黑體的溫度 與輻射光譜聯(lián)系了起來。 對(duì)非黑體（一般物體），只要知道了它的 溫度與吸收率，通過基爾霍夫定律，其輻射 光譜也就確定了。第37頁，共38頁，2022年，5月20日，23