大氣科學(xué)基礎(chǔ)課件 3-1-16

第三章太陽(yáng)、地面和大氣的輻射§1輻射的基本知識(shí)§2

太陽(yáng)輻射§3地面和大氣輻射§4地面、大氣及地氣系統(tǒng)的輻射平衡§5溫室氣體效應(yīng)TheEarthSunSystemMethodsofenergytransferRadiation:electromagneticwavespropagatethroughspaceallbodiesradiate,warmerbodiesmoreinteractionsdependonwavelengthConduction:molecule-to-moleculehottocoldtemperatureConvection:mixinginairorwaterenhancestransferTmovesheat

&vapor§1輻射的基本知識(shí)（1）輻射和輻射能（2）輻射光譜（3）物體對(duì)輻射的吸收、反射和透射（4）輻射的基本定律輻射：以電磁波傳遞能量的過(guò)程

熱輻射：由于熱的原因而發(fā)生的輻射

熱輻射是電磁波，它有一般電磁波的共性，即它是以光速在空間傳播的。有下列關(guān)系成立：式中：C—

速度

f—頻率

—波長(zhǎng)（1）輻射和輻射能輻射，指物體以電磁波形式傳播能量的過(guò)程，通過(guò)輻射過(guò)程傳播的能量成為輻射能。所有物體，只要它的溫度高于絕對(duì)0度，都要以電磁波形式向外輻射能量；輻射能的傳播不需要介質(zhì)；輻射能在傳播過(guò)程中會(huì)被吸收或者被反射；

物體在輻射過(guò)程中會(huì)消耗能量：消耗本身內(nèi)能或者需要外界供給能量；

傳播輻射能的電磁波具有不同的波長(zhǎng)。熱輻射（溫度輻射），物體減少本身的內(nèi)能或者是物體吸收外界傳來(lái)的熱量而產(chǎn)生的輻射。

longwavelengths

shortwavelengthsradio---infrared-----visible-----ultraviolet----Xrays-----gammarays

太陽(yáng)輻射的波長(zhǎng)范圍主要在0.15-4微米

——太陽(yáng)短波輻射地面和大氣的輻射波長(zhǎng)范圍在3-120微米

——地面長(zhǎng)波輻射、大氣長(zhǎng)波輻射Sun’senergy0.3–5μm；Earth’senergy3–50μmThisaccountsforabouthalfofthesun’soutput.About10%isUV,and40%isinfrared.Earth’soutputfocusonthermalinfrared.

輻射能的度量輻射通量Radiantflux(radiantpower,luminosity),F,isthetotalradiantenergy,Q,perunittimeemittedbyorincidentuponasurface.ItsunitsareWatts.Asanexample,ourSunhasaradiantfluxof3.9x1026W.

輻射通量密度（輻射能力or輻射出射度）Irradiance

(fluxdensity,emittance),E,istheradiantenergyperunittimepassingthroughunitarea.Itusuallyreferstotheradiantenergyarrivingfrom2steradians;thatis,fromthehemisphereononesideofthesurface.Ingeneral,theirradiancedependsontheorientationofthesurface,whichcanbespecifiedbytheunitvectornormaltothesurface.Hencetheirradiancecanbethoughtofasavectorwhosedirectionisoppositetothatofthesurfacenormal.ItsunitsareWattspersquaremeter.對(duì)于放射面所放出的輻射通量密度稱(chēng)為輻射出射率，又稱(chēng)為輻射能力；對(duì)于到達(dá)接受面的輻射通量密度稱(chēng)為輻照度；

輻射強(qiáng)度Radiantintensity,I,istheradiantfluxperunitsolidanglefromapointsource.ItsunitsareWattspersteradian.單位時(shí)間內(nèi)，通過(guò)垂直于選定方向上的單位面積（對(duì)于球面坐標(biāo)來(lái)說(shuō)，即單位立體角）的輻射能就是輻射強(qiáng)度16

平面角如左圖，s為弧長(zhǎng)，r為半徑。=s/r（rad）

立體角如右圖，一個(gè)半球，在球面上取一個(gè)小面積，在這個(gè)面積周邊向球心做射線，則這些射線所包圍的空間即為立體角。立體角的度量用球面度。θ

r

s

平面角定義圖

立體角

輻射亮度考慮到輻射能在不同方向上的差別，引入輻射亮度的概念。輻射亮度，是指通過(guò)某一選定方向上，單位立體角中單位面積的輻射通量。AddAd輻射亮度示意圖(是給定方向和輻射源面元法線間的夾角

)θ一般輻射體的輻射強(qiáng)度與空間方向有關(guān)。有些輻射體的輻射強(qiáng)度在空間方向上的分布滿(mǎn)足：式中，I0是面元dA沿其法線方向的輻射強(qiáng)度。符合上式規(guī)律的輻射體稱(chēng)為余弦輻射體或朗伯體。將上式代入輻射亮度的定義得到余弦輻射體的輻射亮度為：可見(jiàn)，余弦輻射體的輻射亮度是均勻的，與方向角無(wú)關(guān)。

由輻射亮度的定義，可得：對(duì)半球空間求積分，由輻射通量密度的定義，可得：因此，對(duì)于余弦輻射體而言，其輻射通量密度，為其輻射亮度的π倍輻射通量、輻射通量密度、輻射強(qiáng)度和輻射亮度物理意義對(duì)比示意圖輻射通量：?jiǎn)挝粫r(shí)間燈泡的總輻射能量（W）輻射通量密度：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位面積的輻射能量（

Wm-2）輻射強(qiáng)度：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位立體角的輻射能量（

Wsr-1）輻射亮度(L)：選定方向上，單位立體角中單位面積的輻射通量（2）輻射光譜輻射能，以電磁波的形式傳播的。對(duì)于一個(gè)輻射體，它所發(fā)射的輻射能可以包含各種各樣的波長(zhǎng)。為了準(zhǔn)確地描述輻射能的性質(zhì)，需要引入一個(gè)能確定輻射能按照波長(zhǎng)分布的函數(shù)——輻射光譜設(shè)一物體的輻射通量密度為F，在波長(zhǎng)λ至λ+dλ的輻射能力為dF，則：Fλ是單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的輻射出射度，它隨波長(zhǎng)而變，稱(chēng)為分光輻射出射度，或稱(chēng)為單色輻射通量密度，又稱(chēng)為輻射能隨波長(zhǎng)的分布函數(shù)。不同的輻射體有不同的分布函數(shù)。輻射體全波長(zhǎng)的輻射能可由積分得到：Radiationcharacterizedaccordingtowavelength.Asthewavelengthdecreases,theenergycarriedperwaveincreases.micrometerRadiationintheElectromagneticSpectrumisoftencategorizedbywavelength.Shortwavelengthradiationisofthehighestenergyandcanbeverydangerous-Gamma,X-raysandultravioletareexamplesofshortwavelengthradiation.Longerwavelengthradiationisoflowerenergyandisusuallylessharmful-examplesincluderadio,microwavesandinfrared.Arainbowshowstheoptical(visible)partoftheElectromagneticSpectrumandinfrared(ifyoucouldseeit)wouldbelocatedjustbeyondtheredsideoftherainbow.Visiblelightinarainbow物體發(fā)射（或反射、透射）電磁波輻射中的可見(jiàn)光部分到達(dá)人的眼睛，于是人的眼睛中便有了色彩斑斕的世界（3）物體對(duì)輻射的吸收、反射和透射28

光輻射大家是熟悉的。當(dāng)一束光投在一物體上后，一部分被吸收，一部分被反射，還有一部分穿過(guò)物體。熱輻射也有同樣的性質(zhì)。

投射輻射為Q,如圖，其中：

吸收：Qα

反射：Qρ

穿透：Qτ

輻射能守恒：或：Q吸收比(率)：反射比(率)：穿透比(率)：物體的吸收率、反射率和透射率隨物體的性質(zhì)以及輻射波長(zhǎng)而改變?nèi)绺蓾嵉目諝鈱?duì)紅外輻射幾乎是透明的，而水汽卻能強(qiáng)烈吸收紅外輻射；雪面對(duì)太陽(yáng)輻射的反射率很大，但對(duì)地面和大氣的長(zhǎng)波輻射幾乎能全部吸收。

黑體不是黑色物體；

黑體，鏡體和透明體并不存在。人工可以制造十分接近黑體(內(nèi)表面6%的小孔，α≈0.996)的模型；

黑體如同不可壓流體、孤立系統(tǒng)等一樣，是一種理想化的研究方法。黑體(perfect

black

body)

理想輻射模型

理想的反射體（perfect

reflector)

鏡體

(specular)

白體

(diffuse

perfect

reflector)透明體(transparent

media)如果吸收率不隨波長(zhǎng)變化，并且都等于1，那么所有入射到該物體的輻射全部被物體吸收，這種物體稱(chēng)為黑體。自然界不存在絕對(duì)的黑體，但對(duì)某一波段有的物體可近似看作黑體。如，就地面和大氣的長(zhǎng)波輻射而言，雪面可近似看成黑體。

吸收率不隨波長(zhǎng)變化的非黑體，稱(chēng)為“灰體”。自然界也不存在絕對(duì)的“灰體”，但對(duì)某一波段有的物體可近似看作“灰體”。如，對(duì)長(zhǎng)波輻射而言，地面可近似看成“灰體”。（3）輻射的基本定律Kirchhoff'sLawsPlanckRadiationLaw（黑體輻射）TheWienandStefan-BoltzmannLaws（黑體輻射）任何0K以上溫度的物體都會(huì)發(fā)射各種波長(zhǎng)的電磁波，這種由于物體中的分子、原子受到熱激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱(chēng)為熱輻射。熱輻射具有連續(xù)的輻射譜，波長(zhǎng)自遠(yuǎn)紅外區(qū)到紫外區(qū)，并且輻射能按波長(zhǎng)的分布主要決定于物體的溫度。下面介紹熱輻射的一些基本定律。

Kirchhoff'sLaws基爾霍夫定律，研究熱輻射的基礎(chǔ)，它說(shuō)明了一定溫度下物體輻射能力與吸收率之間的關(guān)系；

基爾霍夫定律表明，在輻射平衡條件下，任一物體的單色輻射能力與物體對(duì)該波長(zhǎng)的吸收率之比值，是一個(gè)溫度與波長(zhǎng)的普適函數(shù)，而與物體的性質(zhì)無(wú)關(guān)：如果該物體對(duì)某一波長(zhǎng)為黑體，吸收率等于1，這樣普適函數(shù)就和黑體的輻射能力相等。因此，基爾霍夫定律也可以表達(dá)為：任何物體的輻射能力與其吸收率之比等于相同溫度下的黑體輻射能力。基爾霍夫定律的意義：把物體的吸收率、放射率和黑體輻射聯(lián)系在一起。

PlanckRadiationLawTheprimarylawgoverningblackbodyradiationisthePlanckRadiationLaw,whichgovernstheintensityofradiationemittedbyunitsurfaceareaintoafixeddirection(solidangle)fromtheblackbodyasafunctionofwavelengthforafixedtemperature.

對(duì)應(yīng)任