第八章電磁輻射環(huán)境改版

電磁輻射環(huán)境物體以輻射的方式傳遞交換的能量。輻射的基本知識一、輻射及其特性輻射物體以電磁波或粒子流形式向周圍傳遞或交換能量的方式。輻射能基本特性波粒二象性波動性V＝λ·f波動性的反映電磁波譜名稱波長范圍紫外線100?！?.4微米可見光0.4微米～0.76微米紅外線近紅外0.76微米～3.0微米中紅外3.0微米～6.0微米遠(yuǎn)紅外6.0微米～15微米超遠(yuǎn)紅外15微米～1000微米微波毫米波1～10毫米厘米波1～10厘米分米波10厘米～1米色彩名稱波長范圍紫0.40～0.43微米藍(lán)0.43～0.47微米青0.47～0.50微米綠0.50～0.56微米黃0.56～0.59微米橙0.59～0.62微米紅0.62～0.76微米不同電磁波的具體波長范圍可見光波長范圍粒子性其中h＝6.626×10-34J·s，稱為普朗克常數(shù)。輻射的度量和單位輻射通量、輻射通量密度

輻射通量及單位：定義：單位時間通過任意面積上的輻射能量。單位：J·s-1或W

輻射通量密度（E）及單位定義：單位面積上的輻射通量。單位：J·s-1·m-2或W·m-2E=dF/(ds.dt)dFdsdFds輻射通量密度又被稱為輻射強度、輻射能力或放射能力。

光通量、光通量密度、照度光通量及單位定義：表征輻射通量而產(chǎn)生光感覺的量。單位：流明（lm）光通量密度及單位定義：單位面積上的光通量。單位：流明/米2（lm·m-2）照度及單位定義：單位面積上接受的光通量。單位：lx，音譯為勒克斯，1lx=1lm·m-2

物體對輻射的吸收、反射和透射

概念吸收率(a)：a=Qa/Q

反射率(r)：r=Qr/Q

透射率(d)：d=Qd/Q

入射反射吸收透射

a、r、d的變化黑體：對于投射到該物體上所有波長的輻射都能全部吸收的物體稱為絕對黑體。故有：a＝１，r＝d＝０?；殷w：透射率d＝０，吸收率a＝（１－r），且a不隨波長而變化的物體。

二、輻射的基本定律基爾荷夫(kirchoff)定律(選擇吸收定律)

定律在一定溫度下，任何物體對于某一波長的放射能力(eλ,T)與物體對該波長的吸收率(aλ,T)的比值，只是溫度和波長的函數(shù)，而與物體的其它性質(zhì)無關(guān)。即:…………(3-4)Eλ,T只是波長和溫度的函數(shù)。

推論

對不同性質(zhì)的物體，放射能力較強的物體，吸收能力也較強；反之，放射能力弱者，吸收能力也弱，黑體的吸收能力最強，所以它也是放射能力最強的物體。對同一物體，如果在溫度T時它放射某一波長的輻射，那么，在同一溫度下它也吸收這一波長的輻射。斯蒂芬—波爾茲曼(Stefan-Boltzmann)定律

定律黑體的總放射能力（ET）與它本身絕對溫度（T）的四次方成正比。即：ET＝σT4式中σ＝5.67×10-8W.m-2.K-4為斯蒂芬—波爾茲曼常數(shù)。

意義物體溫度愈高，其放射能力愈強。

λm＝C/T或λmT=C

如果波長以nm為單位，則常數(shù)C＝2,897×103nm·K,于是(3-6)式為：維恩(Wien)位移定律

定律絕對黑體的放射能力最大值對應(yīng)的波長(λm)

與其本身的絕對溫度(T)成反比。即：λmT＝2897×103nm·K不同溫度下黑體輻射強度與溫度的關(guān)系

意義物體的溫度愈高，放射能量最大值的波長愈短，隨著物體溫度不斷增高，最大輻射波長由長向短位移。太陽輻射是短波輻射，人、地面和大氣輻射是長波輻射。一、太陽輻射

太陽是一個及其炙熱的氣態(tài)球體，中心溫度為20×106K，表面溫度高達(dá)6000K，因此太陽時刻不停的向四周放射巨大的能量，稱為太陽輻射1、太陽電磁輻射太陽輻射能量隨波長的分布稱為太陽輻射光譜。太陽輻射的波長范圍很廣，但其能量的絕大部份集中在0.17～4微米之間，其中可見光區(qū)占50％，紅外區(qū)占43％，紫外區(qū)僅占7％。太陽最大輻射能力所對應(yīng)的波長為0．475微米（相當(dāng)于青光部份）。因此，一般稱太陽輻射為短波輻射。觀測表明，太陽輻射光譜不是嚴(yán)格連續(xù)光譜，其中有兩萬多條吸收暗線。當(dāng)太陽輻射經(jīng)過地球大氣時，由于地球大氣的吸收作用，使太陽光譜發(fā)生很大的變化。

可見光區(qū)(0.4-0.76μm）能量占總能量的50%，具有光效應(yīng)，是人類肉眼可見光譜區(qū)，也是植物光合作用的有效光譜區(qū)?？梢姽饪砂床ㄩL由長至短分解為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七色光。太陽輻射的最大波長。

紫外光區(qū)（λ<0.4μm）能量占總能量的7%，具有化學(xué)效應(yīng)，全部到達(dá)地面有毀滅生物的作用，幸大氣中O3層吸收而到達(dá)地面的極少，它具有殺菌消毒，促進種子萌發(fā)的作用。

紅外線區(qū)（λ>0.76μm）能量占總能量的43%，具有熱效應(yīng)，起著加熱地面、大氣、動、植物等物體的作用。太陽與地球間的距離不是一個常數(shù)，因此，地球大氣層上界的太陽輻射強度隨日地間距離的不同而不同。實際上，由于日地間距離很大（15000萬公里），其相對變化量很小，由此引起的太陽輻射強度的相對變化不超過3.4%，這就意味著地球大氣層外的太陽輻射強度幾乎是一個常數(shù)。我們使用“太陽常數(shù)”來描述大氣層上界的太陽輻射強度。當(dāng)日地間處于平均距離時，大氣上界垂直于太陽光線的平面上單位面積單位時間內(nèi)接受的太陽輻射能量作為標(biāo)準(zhǔn)值，稱為太陽常數(shù)S。太陽常數(shù)：用Isc表示。參考值為Isc=（13677）W/m2任意時刻的太陽輻射強度對于S。的測量和計算，因觀測方法，觀測地點的不同以及太陽活動的變化，世界各地區(qū)曾采用不同的數(shù)值。1981年世界氣象組織推薦了太陽常數(shù)的最佳值是S。＝1367±7瓦／米2。常采用取S。＝1367瓦／米2。到達(dá)地球的太陽輻射能隨日地距離的變化日期太陽輻射能（W/m2）日期太陽輻射能（W/m2）1月3日(近日點)13997月4日(遠(yuǎn)日點)13092月1日13938月1日13133月20日(春分)13659月23日(秋分)13454月3日135510月1日13505月3日132211月1日13746月21日(夏至)131012月22日(冬至)1398(1399-1353)/1353×100%=3.40%(1353-1309)/1353×100%=3.25%太陽輻射強度太陽輻射強度就是太陽在垂直照射情況下在單位時間(一分鐘、一天、一個月或者一年)內(nèi)，單位面積面積上所得到的輻射能量。用符號S表示,其單位為J/(m2.s)。2、太陽輻射在大氣中的減弱

太陽輻射先通過大氣圈，然后到達(dá)地表，由于大氣對太陽輻射有一定的吸收、散射和反射作用，使投射到大氣上界的太陽輻射不能完全到達(dá)地面，所以在地球表面所呈現(xiàn)的太陽輻射強度比1367瓦／米2小。大氣對太陽輻射的影響作用：折射、反射、吸收、散射、透射大氣對太陽輻射的減弱作用的表現(xiàn)

a、大氣對太陽輻射的吸收

太陽輻射穿過大氣層時，大氣中某些成分具有選擇吸收一定波長輻射的特性。大氣中吸收太陽輻射的成分主要有水汽、氧、臭氧、二氧化碳和固體雜質(zhì)等。太陽輻射被大氣吸收后變成熱能，因而使太陽輻射減弱，有24%的太陽輻射被大氣吸收?？梢姶髿鈱μ栞椛涞臏p弱是強烈的。

b、大氣對太陽輻射的散射

太陽輻射通過大氣遇到空氣、塵粒、云滴等質(zhì)點時，都要發(fā)生散射。散射改變輻射方向，使太陽輻射以質(zhì)點為中心向四面八方傳播開來，這樣，散射后，有一部分太陽輻射就到不了地面。

c、大氣的云層和塵埃對太陽輻射的反射

大氣中云層和較大顆粒的塵埃能將太陽輻射中的一部分能量反射到宇宙空間中去。其中云的反射作用最為顯著，太陽輻射遇到云時能反射太陽輻射的一部分或大部分。反射對各種波長沒有選擇性，所以反射光呈白色。太陽輻射約有31%因反射和散射會宇宙空間。上述三種方式中，以反射作用最為重要，散射作用次之，吸收作用最小。3、到達(dá)地面的太陽輻射經(jīng)過大氣減弱后投射到地面的太陽輻射由兩部分組成，即太陽直接輻射和散射輻射。直接輻射是指以平行光線的形式直接投射到地面的太陽輻射。直接輻射照度是指單位面積，在單位時間內(nèi)所接受的直接輻射，用Sˊ表示。散射輻射是指經(jīng)散射后，由天空投射到地面的太陽輻射。散射輻射照度是指單位面積，在單位時間內(nèi)所接受的散射輻射，用D表示。直接輻射與散射輻射之和，稱為總輻射。直接輻射照度與散射輻射照度之和稱為總輻照度（Q）。即Q=S'+D返回a、直接輻射太陽直接輻射的強弱和許多因子有關(guān)，其中最主要有兩個，即太陽高度角和大氣透明度。太陽高度角簡稱太陽高度，系指太陽相對于地平面的角距離。太陽高度角主要是太陽高度角和大氣透明系數(shù)

(1)太陽高度角

當(dāng)太陽高度角增大時，直接輻射和散射輻射都增大，因而總輻射也增大。又由于太陽高度角有日、年變化和隨緯度的變化，因此總輻射也有日、年變化和空間水平變化。

（一）影響太陽總輻照度的因素（2)大氣透明度當(dāng)大氣透明系數(shù)增大時，直接輻射增大，但散射輻射減小，這時，輻射總量的變化就無法判斷。一般來說，直接輻射大于散射輻射，因此，當(dāng)大氣透明系數(shù)增大時，總輻射也增大。(3)海拔高度當(dāng)海拔升高時，大氣透明系數(shù)增大，總輻射也增大。(4)云量

云量增多，總輻射可能增大，也可能減小，分為以下三種情況：

①當(dāng)天空烏云密布時，直接輻射為零（Sˊ=0），到達(dá)地面的輻照度以散射輻射（D）為主，但其值也減小，則這時的總輻射（Q）必定減小。②當(dāng)部分天空有云，且云遮住陽光，這時，對該區(qū)域來講，直接輻射為零（Sˊ=0），而散射輻射（D）的增大量補償不了直接輻射（Sˊ）的減小量，則總輻射（Q）也減小。

③當(dāng)部分天空有云，而且是沒有遮住陽光的中云和高云，這時，對該區(qū)域來講，直接輻射（Sˊ）沒有明顯減小，或減小不多，而散射輻射（D）卻有明顯增大，因此使得總輻射（Q）增大。（二）太陽總輻照度的變化規(guī)律1、總輻照度的日變化一天中，總輻照度夜間為零，日出后逐漸增大，正午達(dá)到最大，午后又逐漸減小。2、總輻照度的年變化一年中，中、高緯度地區(qū)總輻照度夏季最大，冬季最小。赤道附近，一年中有兩個最大值，分別出現(xiàn)在春分和秋分。3、光照度的變化晴天時，光照度由直射光和散射光兩部分組成；陰天時，只有散射光。4、太陽輻射總量的變化一天內(nèi)，一般在中緯度地區(qū)，夏季太陽輻射日總量大，冬季太陽輻射日總量小；一年中，太陽輻射年總量一般隨緯度的增高而減少。4、地面對太陽輻射的反射

投射到地面的太陽輻射，并非完全被地面所吸收，其中一部分被地面所反射。地表對太陽輻射的反射率，決定地表的性質(zhì)和狀態(tài)。陸地表面對太陽輻射的反射履約為10-30%，雪面的反射率很大，約為60%，水面的反射率隨水的平靜程度和太陽高度角的大小而變，約為2-89.2%。地面對太陽輻射的反射和吸收1、地面的反射輻射:

到達(dá)地面的太陽總輻射中，有一部分被地面反射回到大氣中，稱為地面反射輻射。地面反射輻射占到達(dá)地面的總輻射的百分率，稱為地面反射率，以r表示。

反射率主要與下墊面性質(zhì)有關(guān)。下墊面：墊在空氣層下面的面。（p17)2、地面對太陽輻射的吸收由于太陽輻射不能穿透地球，所以地面吸收率為1-r返回二、地面、大氣輻射

1、地面輻射

地球表面在吸收太陽輻射的同時，又將其中的大部分能量以輻射的方式傳送給大氣。地表面這種以其本身的熱量日夜不停地向外放射輻射的方式，稱為地面輻射。由于地表溫度比太陽低得多(地表面平均溫度約為300K)，因而，地面輻射的主要能量集中在1～30微米之間，其最大輻射的平均波長為10微米，屬紅外區(qū)間，與太陽短波輻射相比，稱為地面長波輻射。

地面的輻射能力，主要決定于地面本身的溫度。由于輻射能力隨輻射體溫度的增高而增強，所以，白天，地面溫度較高，地面輻射較強；夜間，地面溫度較低，地面輻射較弱。

地面的輻射是長波輻射，除部分透過大氣奔向宇宙外，大部分被大氣中水汽和二氧化碳所吸收，其中水汽對長波輻射的吸收更為顯著。因此，大氣，尤其是對流層中的大氣，主要靠吸收地面輻射而增熱。2、大氣輻射大氣輻射：大氣向外放射的輻射。

大氣平均溫度比地面低，其輻射波長范圍為7-120μm，最大放射能力的波長為15μm，也屬于紅外長波輻射。

大氣輻射有一部分向上進入宇宙空間，有一部分向下到達(dá)地面，這一部分因與地面輻射的方向相反，稱為大氣逆輻射（Ea）。3、大氣逆輻射

大氣吸收地面長波輻射的同時，又以輻射的方式向外放射能量。大氣這種向外放射能量的方式，稱為大氣輻射。由于大氣本身的溫度也低，放射的輻射能的波長較長，故也稱為大氣長波輻射。

大氣輻射的方向既有向上的，也有向下的。大氣輻射中向下的那一部分，剛好和地面輻射的方向相反，所以稱為大氣逆輻射。大氣逆輻射是地面獲得熱量的重要來源。由于大氣逆輻射的存在，使地面實際損失的熱量比地面以長波輻射放出的熱量少一些，大氣的這種保溫作用稱為大氣的溫室效應(yīng)。這種大氣的保溫作用使近地表的氣溫提高了約18℃。月球則因為沒有象地球這樣的大氣，因而，致使它表面的溫度晝夜變化劇烈，白天表面溫度可達(dá)127℃，夜間可降至-183℃。4、地面有效輻射

地面放射的輻射與地面吸收的大氣逆輻射之差，稱為地面有效輻射。通常情況下，地面溫度高于大氣溫度，地面有效輻射為正值，這意味著通過長波輻射的放射和吸收，地表面經(jīng)常是失去熱量的。只有在近地層有很強的逆溫和空氣濕度很大的情況下,有效輻射才可能為負(fù)值，這時地面才能通過長波輻射的交換而獲得熱量。4、地面有效輻射用E表示：即E=Ee-Ea

通常地面溫度高于大氣溫度，相應(yīng)地Ee>Ea，E常為正值，這說明地面由于放射長波輻射大于吸收的長波輻射而經(jīng)常失去熱量，E是地面凈損失的熱量。E愈大，地面熱量損失愈多，降溫愈劇烈。影響地面有效輻射的因素

1．水汽

水汽是關(guān)鍵因素，空氣中水汽含量增加，大氣逆輻射增強，地面有效輻射減小，所以當(dāng)天空有云、霧存在時，地面有效輻射較小，云層越厚云底越低，地面有效輻射越小。2．風(fēng)

風(fēng)能促進對流，使上層熱量往下傳遞給地面，所以夜間有風(fēng)時地面有效輻射較小。3．地氣溫差

當(dāng)?shù)販馗哂跉鉁貢r，地面有效輻射為正值，且隨地氣溫差的增大而增大（這種情況多發(fā)生在白天）；

當(dāng)?shù)販氐陀跉鉁貢r，地面有效輻射為負(fù)值，且地氣溫差越大，地面有效輻射越?。ㄟ@種情況多發(fā)生在夜間）影響地面有效輻射的因素4.下墊面性質(zhì)

無植被覆蓋的地面有效輻射較有植被覆蓋的大；

起伏不平的粗糙地面較平坦地的有效輻射大；干燥的下墊面較潮濕的下墊面的有效輻射大。5．覆蓋

采用薄膜、草墊等材料在夜間覆蓋時地面有效輻射減小。6．海拔高度

隨海拔高度的增加，水汽量減少，大氣逆輻射減小，所以地面有效輻射增大。三、太陽可變性它是指太陽電磁輻射各波段輻射通量隨太陽活動的變化特性。太陽活動通常用太陽活動指數(shù)來表征。為描述太陽遠(yuǎn)紫外輻射的變化特性，常用的太陽活動指數(shù)有F10.7,F81和HelEW等。F10.7——為太陽10.7cm射電輻射的通量，單位為10-22W/m2·Hz。b.F81——太陽射電指數(shù)F10.7的81天平均值。c.HelEW——太陽1083nm氦發(fā)射線的等效寬度，單位為10-4nm。四、地氣系統(tǒng)

在研究地球及其大氣作為一個整體的能量平衡時，通常它們作為一個統(tǒng)一的系統(tǒng)考慮，稱之為地球-大氣系統(tǒng)，簡稱地氣系統(tǒng)。五、太陽電磁輻射、地氣系統(tǒng)對航天器的影響太陽電磁輻射、地氣系統(tǒng)輻射和地球反射率是衛(wèi)星溫控系統(tǒng)設(shè)計所必須考慮的主要外界輸入能量；太陽可見光和近紅外波段的光譜輻照度是衛(wèi)星能源系統(tǒng)設(shè)計的重要資料；而對大型航天器而言，太陽電磁輻射和地氣輻射對對姿控系統(tǒng)的影響也是需要考慮的因子。太陽輻射對近地軌道航天器的影響對航天器溫控系統(tǒng)的影響：主要外熱源。對航天器姿控系統(tǒng)的影響：A.太陽輻射和地氣輻射壓是航天器姿態(tài)控制中所必須考慮的因素之一。B.太陽輻射引起大氣密度的變化，使航天器所受阻力增加。對航天器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的影響：熱機械應(yīng)力對航天器電源系統(tǒng)的影響：太陽可見光和近紅外波段的光譜輻照度決定航天器太陽電池方陣功率的精確計算。對航天器通信系統(tǒng)的影響：短波和中波無線電信號衰落，甚至完全中斷；背景噪聲的增強。對航天遙感器、探測器的影響：光學(xué)背景、材料性能、光學(xué)遙感系統(tǒng)污染。對人體和生物體的影響：人體器官和眼睛有不同的損傷，誘發(fā)皮膚癌。1、對衛(wèi)星電離環(huán)境、通信系統(tǒng)的影響

太陽Lymanα線是地球電離層D層的主要電離源，而太陽X射線爆發(fā)則可能是引起電離層突然騷擾的主要原因。當(dāng)太陽爆發(fā)時，X射線和紫外輻射突然增加，使電離層D層電子濃度急劇增大，導(dǎo)致短波和中波無線電信號衰落、甚至完全中斷。此外，太陽射電爆發(fā)引起射電背景噪聲的增強，在一定條件下也會對通信系統(tǒng)造成干擾。在大射電爆發(fā)時，L波段的太陽射電噪聲可增大2～4個量級，而對S波段也將增加2～3個量級。在另一方面，太陽極紫外輻射是地球電離層E、F層的主要電離源。隨太陽活動的增強，地球大氣的電離狀況也隨之改變。在太陽活動最大比太陽活動最小時F2層電子濃度約增大近一個量級。2、對星載探測器光學(xué)部件的侵蝕、污染太陽極紫外輻射是熱層大氣氧原子產(chǎn)生的主要能源。隨著太陽活動的變化，熱層大氣氧原子密度將變化一個量級以上。它和航天器表面的相互作用，將增強其對表面的侵蝕作用，破壞太陽電池保護層、危害航天器能源系統(tǒng)。太陽紫外輻射對航天器表面的照射將使其表面涂層的光學(xué)性能變化，使航天器表面溫度升高，影響其溫控。航天器材料中包含的氣體雜質(zhì)在高真空環(huán)境下釋放出來，在太陽紫外輻射照射下可對其上各種光學(xué)遙感系統(tǒng)形成污染。3、對人體和生物體的影響太陽X射線輻射對人體器官和眼睛有不同的損傷，而太陽紫外輻射可使人體發(fā)生皮膚癌，破壞生物體的脫氧核糖核酸。4、空間外熱流模擬太陽電磁輻射中的可見光輻射、近紅外輻射和遠(yuǎn)外輻射構(gòu)成了衛(wèi)星在空間飛行時所受到的加熱源，也叫做空間外熱流。對于近地衛(wèi)星，外熱流還包括地球反射太陽輻射的能量和地球自身的紅外輻射部分。衛(wèi)星所吸收的熱流Q可寫成Q=aQf式中，a——衛(wèi)星表面材料的吸收率；Qf——空間外熱流。如上式可以知道衛(wèi)星熱設(shè)計時選擇的Q值取決于a和Qf，Qf值的選定是根據(jù)國內(nèi)外利用火箭、衛(wèi)星測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計值，而a值取決于衛(wèi)星溫控涂層材料或衛(wèi)星表面材料的物質(zhì)特性及在太陽輻照環(huán)境