地面和大氣中的輻射過程課件

第五章地面和大氣中的輻射過程5.1輻射的基本概念5.2輻射的物理規(guī)律5.3地球大氣與輻射的相互作用5.4太陽輻射在地球大氣中的傳輸5.5地球－大氣系統(tǒng)的長(zhǎng)波輻射5.6地面、大氣及地氣系統(tǒng)的輻射平衡地面和大氣中的輻射過程5.1輻射的基本概念5.1.1電磁輻射5.1.2描述輻射場(chǎng)的物理量地面和大氣中的輻射過程任何物體，只要溫度大于絕對(duì)零度，都以電磁波形式向四周放射能量，同時(shí)也接收來自周圍的電磁波。這是物質(zhì)的本性決定的，是有物質(zhì)本身的電子、原子、分子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。一般把這種電磁波能量本身稱為輻射能（或簡(jiǎn)稱為輻射）。而把這種能量傳播方式稱為輻射。輻射能和輻射地面和大氣中的輻射過程EnergyTransfer能量傳輸Conduction傳導(dǎo)Convection對(duì)流Radiation輻射地面和大氣中的輻射過程EnergyTransferConduction（傳導(dǎo)）Transferofenergybymolecularmotion由分子運(yùn)動(dòng)傳輸能量HotCold地面和大氣中的輻射過程EnergyTransferConvection（對(duì)流）Transferofenergythroughthemovementofmass靠物質(zhì)運(yùn)動(dòng)傳輸能量地面和大氣中的輻射過程EnergyTransferConvection對(duì)流MeteorologyTerminology氣象學(xué)術(shù)語Convection（對(duì)流）Advection（平流）地面和大氣中的輻射過程Convection對(duì)流MeteorologyTerminology氣象學(xué)術(shù)語Convection

對(duì)流transferofenergythroughtheverticalmovementofmass通過物質(zhì)垂直運(yùn)動(dòng)傳輸能量HotCold地面和大氣中的輻射過程Convection對(duì)流MeteorologyTerminology氣象學(xué)術(shù)語Advection平流transferofenergythroughthehorizontalmovementofmass通過物質(zhì)的水平運(yùn)動(dòng)傳輸能量HotCold地面和大氣中的輻射過程EnergyTransfer能量傳輸Conduction傳導(dǎo)Convection對(duì)流Radiation輻射地面和大氣中的輻射過程EnergyTransferRadiationTransferofenergybyelectromagneticwave電磁波輻射傳輸能量地面和大氣中的輻射過程EnergyTransferRadiationTransverseWave橫波Particlemotionisperpendiculartothedirectionofwavevelocity質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)與波速方向垂直SpeedofWaveParticleMotion地面和大氣中的輻射過程EnergyTransferRadiation輻射Requiresnotransportmedium不需要傳輸介質(zhì)地面和大氣中的輻射過程ElectromagneticWavesWavesthatarepropagatedbysimultaneousperiodicvariationsofelectronicandmagneticfieldintensity靠電場(chǎng)和磁場(chǎng)密度的同步周期變化傳播波ElectricFieldMagneticField地面和大氣中的輻射過程ElectromagneticWavesSpeedofLight(c)光速3x108m/s(inavacuum)C地面和大氣中的輻射過程ElectromagneticWavesWavelength(

)波長(zhǎng)Distancebetweentwosuccessivecrestsofawave兩個(gè)相鄰波峰之間的距離

地面和大氣中的輻射過程ElectromagneticWavesFrequency(f)頻率Numberofcyclesthatthewaveisrepeatedoveratimeperiod一段時(shí)間內(nèi)波的重復(fù)循環(huán)次數(shù)12地面和大氣中的輻射過程ElectromagneticWavesFrequency(f)頻率MeasuredinCycles/Second循環(huán)數(shù)/秒Hertz赫茲12地面和大氣中的輻射過程ElectromagneticWavesRelationshipBetween光速/波長(zhǎng)/頻率之間的關(guān)系SpeedofLight(c)Wavelength(

)Frequency(f)C12

μm(10-6m)nm(10-9m)地面和大氣中的輻射過程ElectromagneticWavesc=

f

HighFrequencyShortWavelength頻率高/波長(zhǎng)短LowFrequencyLongWavelength頻率低/波長(zhǎng)長(zhǎng)地面和大氣中的輻射過程地面和大氣中的輻射過程地面和大氣中的輻射過程各種顏色光對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)地面和大氣中的輻射過程5.1.2描述輻射場(chǎng)的物理量1.輻射通量(radiantflux)2.輻亮度(radiance)3.輻射通量密度(radiantfluxdensity)4.輻射源地面和大氣中的輻射過程指單位時(shí)間內(nèi)通過某一平面（或虛擬平面）的輻射能，也稱為輻射功率。也可指單位時(shí)間內(nèi)某個(gè)表面發(fā)射或接收的輻射能。1.輻射通量(radiantflux)UnitsenergyperunittimeJoules/secWatts地面和大氣中的輻射過程RadiantFlux輻射通量Sun’sradiantflux太陽輻射通量3.9x1026W地面和大氣中的輻射過程在輻射傳輸方向上的單位立體角內(nèi)，通過垂直于該方向的單位面積、單位波長(zhǎng)間隔的輻射功率。一般來說，表示輻射場(chǎng)任一點(diǎn)在任一方向上、任一波長(zhǎng)處輻射的強(qiáng)弱程度。單位為：W·m-2·sr-1·μm-12.輻亮度(radiance)地面和大氣中的輻射過程2.輻亮度(radiance)圖5.2公式5.1.3地面和大氣中的輻射過程指輻射場(chǎng)內(nèi)任一點(diǎn)處通過單位面積的輻射功率，也稱輻照度(irradiance)。凈輻射通量密度：水平面上自上向下和自下向上的輻射通量密度之差，單位為W·m-2

·

μm-13.

輻射通量密度(radiantfluxdensity)地面和大氣中的輻射過程Irradiance(E)RateatwhichradiantenergyinaradiationfieldistransferredacrossaunitareaUnitsofEenergyperunittimeperunitareaWatts/meter2

單位面積單位時(shí)間內(nèi)通過的能量W/m2GlossaryofMeteorologyUnitArea地面和大氣中的輻射過程Irradiance(E)RadiantfluxperareaAlsoknownasradiantfluxdensityUnitArea地面和大氣中的輻射過程Irradiance(E)Sun’sIrradiance太陽輻照度CalculatethesurfaceareaoftheSunSun’sRadius=7x108m7X108m地面和大氣中的輻射過程Irradiance(E)Sun’sIrradiance太陽輻照度Sun’sRadiantFlux=3.9x1026W地面和大氣中的輻射過程假設(shè)源向四周發(fā)射是均勻的輻照度隨距離的變化服從反平方規(guī)律。平行輻射在不考慮吸收和散射等因素時(shí)，平行光在任何位置上的輻照度應(yīng)是常數(shù)。4.輻射源——點(diǎn)源地面和大氣中的輻射過程ParallelBeamRadiation

平行輻射Mostnaturalobjectsareisotropicradiators大部分自然物體是各向同性的輻射體Constantradianceinalldirections

各方向輻射恒定地面和大氣中的輻射過程ParallelBeamRadiation

平行輻射Changeofanglewithdistanceissmallatgreatradii150x106km地面和大氣中的輻射過程Parallel-BeamRadiationSunlightreachingearthcanbeassumedtobeparallel-beamradiation太陽輻射可假設(shè)為平行光輻射地面和大氣中的輻射過程Parallel-BeamRadiationThiseffectivelyeliminatestheneedtointegrateoversolidangle.這有效地避免對(duì)立體角積分.地面和大氣中的輻射過程特點(diǎn)可以向2π立體角中發(fā)射輻射能。輻出度即通過單位面積在面源的法線方向射出的能量有多少。郎伯體（面）向所有方向以同一輻亮度發(fā)射輻射的物體。常常把太陽、陸地表面看做朗伯體。4.輻射源——面輻射源地面和大氣中的輻射過程第五章地面和大氣中的輻射過程5.1輻射的基本概念5.2輻射的物理規(guī)律5.3地球大氣與輻射的相互作用5.4太陽輻射在地球大氣中的傳輸5.5地球－大氣系統(tǒng)的長(zhǎng)波輻射5.6地面、大氣及地氣系統(tǒng)的輻射平衡地面和大氣中的輻射過程5.2輻射的物理規(guī)律

5.2.1吸收率、反射率和透射率5.2.2平衡輻射的基本規(guī)律5.2.3太陽輻射和地球輻射的差別地面和大氣中的輻射過程吸收率反射率透射率地面和大氣中的輻射過程絕對(duì)黑體：某一物體對(duì)任何波長(zhǎng)的輻射都能全部吸收，即A＝1。對(duì)某一波長(zhǎng)的黑體：如果某一物體僅對(duì)某一波長(zhǎng)全部吸收，即Aλ=1，則稱該物體對(duì)這一波長(zhǎng)為黑體。這里所討論的黑體與一般所謂黑色物體是黑色物體只表明它對(duì)可見光的反射性質(zhì)。1.黑體地面和大氣中的輻射過程2.灰體如果物體的吸收率A不隨波長(zhǎng)而變，但A<1，則稱該物體為灰體。如地面對(duì)長(zhǎng)波輻射的吸收率接近于常數(shù),故可認(rèn)為地面為灰體,且吸收率A極近于1.地面和大氣中的輻射過程5.2平衡輻射的基本規(guī)律輻射平衡：當(dāng)物體放射出的輻射能恰好等于吸收的輻射能時(shí)，該物體處于輻射平衡。這時(shí)物體處于熱平衡態(tài)，可以用態(tài)函數(shù)——溫度來描述，所以平衡輻射也稱為溫度輻射。地面和大氣中的輻射過程在熱平衡條件下，任何物體的輻射率（輻出度）和它的吸收率之比值是一個(gè)普適函數(shù)。該普適函數(shù)只是溫度和波長(zhǎng)的函數(shù)，而與物質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。

1.基爾霍夫（Kirchhoff）定律地面和大氣中的輻射過程若定義比發(fā)射率則有公式（5.2.3）、（5.2.5）都是Kirchhoff定律的表達(dá)式表明：任何物體的輻出度和它的吸收率之比都等于同一溫度下黑體的輻出度。地面和大氣中的輻射過程意義：將物體的吸收能力和放射能力聯(lián)系起來，只要知道了某種物體的吸收率，也就知道了它的比輻射率；特別是，將各種物體的吸收、放射能力與黑體的放射能力聯(lián)系了起來。有了這種聯(lián)系以后，我們就可以根據(jù)對(duì)黑體輻射的研究結(jié)果來了解一般物體的輻射規(guī)律，而對(duì)于絕對(duì)黑體的研究，無論從實(shí)驗(yàn)上或理論上都是比較簡(jiǎn)單的。地面和大氣中的輻射過程絕對(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年普朗克開創(chuàng)性地引進(jìn)了量子概念，將輻射當(dāng)做不連續(xù)的量子發(fā)射，成功地從理論上得出了與試驗(yàn)精確符合的絕對(duì)黑體輻射率隨波長(zhǎng)變化的函數(shù)關(guān)系，即普朗克定律。2.普朗克(Planck)定律

地面和大氣中的輻射過程普朗克(Planck)定律

第一輻射常數(shù)第二輻射常數(shù)是絕對(duì)黑體的分光輻出度地面和大氣中的輻射過程絕對(duì)黑體的分光輻出度指由一個(gè)表面向外發(fā)射能量的大小，并不涉及這些能量的出射方向。是向各個(gè)方向射出能量在表面法線方向分量的總和，是通量。絕對(duì)黑體服從朗伯定律，黑體的分光輻亮度：普朗克(Planck)定律

稱為普朗克函數(shù)地面和大氣中的輻射過程理論上，任何溫度的絕對(duì)黑體都放射0～∞μm波長(zhǎng)的輻射；但溫度不同，輻射能力集中的波段也就不同；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)。不同溫度黑體輻射光譜曲線地面和大氣中的輻射過程當(dāng)溫度升高時(shí)，各波段放射的能量均加大；積分輻射能力也隨著迅速加大；且能量集中的波段向短波方向移動(dòng)。不同溫度黑體輻射光譜曲線地面和大氣中的輻射過程每一溫度下，都有輻射最強(qiáng)的波長(zhǎng)λmax，而且隨溫度升高，λmax變小。地面和大氣中的輻射過程1879年斯蒂芬由實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，絕對(duì)黑體的積分輻出度與其溫度的4次方成正比1884年玻爾茲曼由熱力學(xué)理論得出該公式3.1斯蒂芬－玻爾茲曼

(Stefen-Boltzmann)定律地面和大氣中的輻射過程3.1斯蒂芬－玻爾茲曼(Stefen-Boltzmann)定律可以由溫度求出絕對(duì)黑體的積分輻出度；也可由積分輻出度反求起溫度；這就是用輻射方法測(cè)量物體溫度的基礎(chǔ)。將物體視作絕對(duì)黑體而計(jì)算出的溫度稱為有效溫度。地面和大氣中的輻射過程1893年維恩從熱力學(xué)理論推導(dǎo)出黑體輻射光譜極大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)λmax和溫度的乘積為一常數(shù)。即黑體溫度越高，則λmax越小，故稱維恩位移定律。若知道絕對(duì)黑體的溫度，可求出輻射最強(qiáng)的波長(zhǎng)；由輻射最強(qiáng)的波長(zhǎng)也可以確定絕對(duì)黑體的溫度；這是由光譜方法測(cè)定物體溫度的基礎(chǔ)。求出的溫度稱為顏色溫度或簡(jiǎn)稱色溫。3.2維恩(Wien)定律地面和大氣中的輻射過程有了上述有關(guān)輻射的定律，黑體輻射的規(guī)律就全部確定了。這些定律把黑體的溫度與輻射光譜聯(lián)系了起來。對(duì)于非黑體，只要知道了它的溫度和吸收率，通過基爾霍夫定律，其輻射光譜也就確定了。因此，在研究大氣輻射過程時(shí)，首先要確定地球和大氣的吸收率。地面和大氣中的輻射過程5.2.3太陽輻射和地球輻射的差別太陽表面的溫度和地球大氣的溫度差別很大,兩者輻射能量集中的光譜段是不同的.地面和大氣中的輻射過程若以溫度T=6000K代表太陽，則能量集中在0.17～4.0μm,極值波長(zhǎng)為0.483μm;稱太陽輻射為短波輻射，以可見光與近紅外為主；若以溫度T=300K代表地面，則能量集中在3.3～80μm,極值波長(zhǎng)為9.659μm;地球輻射和大氣輻射為長(zhǎng)波輻射，以紅外波段為主；若以溫度T=200K代表大氣（平流層下層），則能量集中在5～120μm,極值波長(zhǎng)為14.489μm。地面和大氣中的輻射過程短波輻射和長(zhǎng)波輻射基本上以4μm為分界。地球處于輻射平衡狀態(tài)。在太陽光譜中，可見光區(qū)(0.39~0.75μm)的能量占積分能量的44%，紫外區(qū)占8%,紅外區(qū)占48%。地面和大氣中的輻射過程第五章地面和大氣中的輻射過程5.1輻射的基本概念5.2輻射的物理規(guī)律5.3地球大氣與輻射的相互作用5.4太陽輻射在地球大氣中的傳輸5.5地球－大氣系統(tǒng)的長(zhǎng)波輻射5.6地面、大氣及地氣系統(tǒng)的輻射平衡地面和大氣中的輻射過程5.3.1大氣對(duì)輻射吸收的物理過程5.3.2大氣吸收光譜5.3.3大氣對(duì)輻射的散射5.3.4輻射能在介質(zhì)中的傳輸5.3地球大氣與輻射的相互作用地面和大氣中的輻射過程吸收投射到介質(zhì)上面的輻射能中的一部分被轉(zhuǎn)變?yōu)槲镔|(zhì)本身的內(nèi)能或其他形式的能量。輻射在通過吸收介質(zhì)向前傳輸時(shí),能量就會(huì)不斷被削弱;介質(zhì)則由于吸收了輻射能而被加熱,溫度升高.地面和大氣中的輻射過程(1)分子光譜氣體分子或原子內(nèi)的電子能級(jí)躍遷，原子和分子的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷等，所發(fā)射和吸收的輻射譜是非連續(xù)性的，有分離的譜線和譜帶組成，構(gòu)成原子的線光譜和分子的帶光譜。1.大氣分子的選擇吸收地面和大氣中的輻射過程(1)分子光譜任何單個(gè)分子內(nèi)含的能量:Ee：大部分是圍繞各個(gè)原子核軌道運(yùn)動(dòng)的電子的能量（動(dòng)能和靜電勢(shì)能），Ev：一小部分是各原子在其分子平均位置周圍的振動(dòng)能量Er：分子繞其質(zhì)量中心轉(zhuǎn)動(dòng)的能量.分子的吸收光譜和輻射光譜必然是一致的。1.大氣分子的選擇吸收地面和大氣中的輻射過程(1)分子光譜輻射頻率及波數(shù)與能量改變的關(guān)系1.大氣分子的選擇吸收得到輻射頻率f和波數(shù)v即為分子吸收譜線或輻射譜線的位置。地面和大氣中的輻射過程(1)分子光譜分子光譜包括電子光譜、振動(dòng)光譜和轉(zhuǎn)動(dòng)光譜。僅有電子能級(jí)躍遷，光譜帶在X譜線、紫外線和可見光部分；僅有振動(dòng)能級(jí)躍遷，光譜帶在近紅外部分；僅有轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷，光譜帶在紅外和微波波段部分。1.大氣分子的選擇吸收地面和大氣中的輻射過程大氣中含量最多的是N2和O2分子對(duì)稱電荷分布，不具有電偶極子結(jié)構(gòu)，無振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)譜吸收和發(fā)射譜有電子軌道躍遷所造成，因而位于紫外和可見光輻射區(qū)。地面和大氣中的輻射過程大氣中吸收長(zhǎng)波輻射的主要是CO2、水汽和O3CO2分子以C原子為中心線型對(duì)稱，沒有轉(zhuǎn)動(dòng)帶，15μm的振動(dòng)帶（范圍從12～18μm）是CO2在紅外區(qū)的主要吸收帶。4.3μm帶是一個(gè)很窄而非常強(qiáng)的的吸收帶。水汽是極性分子，轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)態(tài)結(jié)合，吸收譜復(fù)雜而不規(guī)則，6.3μm帶H和2.7μm吸收區(qū)。O3分子的振動(dòng)－轉(zhuǎn)動(dòng)帶中比較重要的是9.6μm吸收帶。地面和大氣中的輻射過程1、自然增寬：沒有任何外界因素作用，譜線本身也必然具有一定的寬度，這是由于能級(jí)具有一定的寬度造成的（測(cè)不準(zhǔn)原理）。譜線增寬地面和大氣中的輻射過程譜線增寬2、壓力加寬(碰撞加寬)在對(duì)流層和平流層大氣中，由于分子、原子或離子處于不斷的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)中，頻繁碰撞的結(jié)果導(dǎo)致發(fā)射輻射的位相發(fā)生無規(guī)則變化，而使譜線加寬。壓力加寬與T、P有關(guān)，由于大氣壓力的變化比溫度的變化大得多，碰撞加寬的譜線寬度隨壓力的變化是主要的P地面和大氣中的輻射過程譜線增寬3、Doppler增寬由作熱運(yùn)動(dòng)的分子發(fā)射輻射的Doppler頻移引起。分子不停地向各個(gè)方向以不同速度作無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，即使每個(gè)分子所發(fā)射的輻射頻率相同，但因相對(duì)速度的原因使不同運(yùn)動(dòng)速度的分子的輻射之間有一定的頻率差異，從而引起輻射譜線有一定程度的增寬。與T有關(guān)，與P無關(guān)地面和大氣中的輻射過程1.大氣分子的選擇吸收(2)吸收系數(shù)吸收截面：?jiǎn)蝹€(gè)離子所吸收的輻射能相當(dāng)于面積從入射輻射場(chǎng)中所截獲的輻射能。單位體積中各個(gè)粒子吸收截面之和稱為體積吸收系數(shù)：某一波數(shù)處的體積吸收系數(shù)，是所有譜線在該處的疊加作用的總和：地面和大氣中的輻射過程分子由于要分裂為原子而吸收足夠的輻射；不穩(wěn)定的原子由于要互相結(jié)合成較穩(wěn)定的分子而釋放多余的輻射能。在光化反應(yīng)過程中，電磁輻射的吸收或發(fā)射在供給和取走能量方面起著決定性的作用。在地球大氣中，大多數(shù)光化反應(yīng)都需要有紫外輻射和可見光輻射。2.光化反應(yīng)和光致電離地面和大氣中的輻射過程PhotochemicalReactionsAbsorptionofradiationcausesmoleculetobreakdownintoatomiccomponentsO2+hn=O+O地面和大氣中的輻射過程PhotochemicalReactionsCanoccuratacontinuumofwavelengthsShorterwavelengthswithsufficientenergyO2+hn=O+Ol<.2424mm地面和大氣中的輻射過程任何原子都能被波長(zhǎng)非常短的輻射所電離。具有足夠能量的光子把電子從繞原子核旋轉(zhuǎn)的外層軌道上剝離開來，這種過程稱為光致電離。要求輻射具有低于一定的臨界波長(zhǎng)的連續(xù)波。引起電離的輻射波長(zhǎng)通常小于0.1μm。2.光化反應(yīng)和光致電離地面和大氣中的輻射過程PhotoionizationAtomsthatareioniziedbyhighenergyradiation+地面和大氣中的輻射過程PhotoionizationPhotons‘strip’outerelectronsfromitsorbitOccursatacontinuumofwavelengthsl<.1mm地面和大氣中的輻射過程5.3地球大氣與輻射的相互作用5.3.1大氣對(duì)輻射吸收的物理過程5.3.2大氣吸收光譜5.3.3大氣對(duì)輻射的散射5.3.4輻射能在介質(zhì)中的傳輸?shù)孛婧痛髿庵械妮椛溥^程大氣吸收光譜大氣透明窗大氣光譜窗地面和大氣中的輻射過程大氣中的O2和O3把太陽輻射中小于0.29μm的紫外輻射幾乎全部都吸收了。在可見光區(qū)，大氣的吸收很少，只有不強(qiáng)的吸收帶。在紅外區(qū)，主要是水汽的吸收，其次有CO2和CH4的吸收。在14μm以外，大氣可以看成是近于黑體，地面發(fā)射的大于14μm的遠(yuǎn)紅外輻射全部被吸收，不能透過大氣傳向空間。地面和大氣中的輻射過程在8～12μm波段，大氣的吸收很弱，被稱為大氣的透明窗或大氣光譜窗。只有9.6μm附近臭氧有一個(gè)較強(qiáng)的吸收帶，臭氧主要分布在高空，這一吸收帶對(duì)由大氣上界向外的輻射有明顯作用。大氣窗區(qū)對(duì)地氣系統(tǒng)的輻射平衡有十分重要的意義：地表溫度約300K，與此溫度向?qū)?yīng)的黑體輻射能量主要集中在10μm這一范圍，大氣對(duì)這一波長(zhǎng)范圍的輻射少有吸收，地面發(fā)出的長(zhǎng)波輻射透過這一窗口被發(fā)送到宇宙空間。地面和大氣中的輻射過程散射現(xiàn)象的本質(zhì)氣體分子以及氣溶膠粒子由電子和帶正電的質(zhì)子組成，當(dāng)電磁波照射到氣體分子和氣溶膠粒子后，正負(fù)電荷中心產(chǎn)生變異而構(gòu)成電偶極子或多極子，并在電磁波激發(fā)下作受破振動(dòng)，向個(gè)方向發(fā)射次生電磁波。波長(zhǎng)與原始波相同，并且與原始波有固定的相位關(guān)系。5.3.3大氣對(duì)輻射的散射地面和大氣中的輻射過程r為粒子尺度λ為波長(zhǎng)散射過程的分類瑞利(Rayleigh)散射：α?1，即r<λ；氣體