大氣輻射傳輸理論-第一章

大氣輻射傳輸理論引言學科定義：1、大氣輻射學研究輻射能在地球-大氣系統(tǒng)內傳輸和轉換的規(guī)律及其應用，屬大氣物理學的一個分支。大氣輻射學是天氣學、氣候學、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根底之一。2、地球－大氣系統(tǒng)的輻射差額是天氣變化和氣候形成及其演變的根本因素，可以說輻射過程與動力過程的作用共同決定了地球的氣候環(huán)境。學習、研究的意義輻射是地氣系統(tǒng)與宇宙空間能量交換的唯一方式數值天氣預報中需要定量化考察大氣輻射過程輻射傳輸規(guī)律是大氣遙感的理論根底氣候問題——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會改變地球大氣中的輻射過程所致。大氣輻射學主要研究內容：一、地-氣系統(tǒng)輻射傳輸的根本物理過程和規(guī)律，包括1、太陽的輻射(97%E在0.3～3μm波段內，m=0.5μm附近)；2、地-氣系統(tǒng)輻射(絕大局部E在4～80μm波段內，m=10μm附近)；3、不同地表狀態(tài)云、氣溶膠、水汽、臭氧、二氧化碳等對輻射傳輸的影響。二、大氣輻射學還要研究輻射傳輸方程的求解。輻射傳輸方程：是描述輻射傳播通過介質時與介質發(fā)生相互作用(吸收、散射、發(fā)射等)而使輻射能按一定規(guī)律傳輸的方程，在地球大氣條件下，求解非常復雜，只能在一些假定下求得解析解，因此輻射傳輸方程的求解，一直是大氣輻射學研究的重要內容。三、另外，對輻射與天氣、氣候關系的研究也是大氣輻射學的重要內容，它是從地-氣系統(tǒng)輻射收支的角度，來研究天氣和氣候的形成以及氣候變遷問題的。相關內容：許多復雜的物理動力氣候學問題中，涉及到海洋、極冰、陸地外表的輻射和熱狀況，大氣中的云、氣溶膠、二氧化碳等因子在輻射過程中對氣候所造成的影響，以及這些過程和大氣輻射過程之間復雜的相互作用和反響關系。第一章用于大氣輻射的根本知識第一節(jié)輻射的根本概念太陽輻射和地球大氣輻射雖具有不同的特性，其本質是相同的，它們都是電磁輻射。電磁輻射是以波動和粒子形式表現出的一種能量傳送形式。電磁涉及其特性一、波：波是振動在空間的傳播。有橫波和縱波的形式之分。二、機械波：機械振動在媒質中的傳播，如聲波、水波和地震波。三、電磁波〔ElectroMagneticSpectrum〕：變化電場和變化磁場在空間的傳播。四、電磁輻射:電磁能量的傳遞過程〔包括輻射、吸收、反射和投射〕稱為電磁輻射。五、電磁波的特性：1、電磁波是橫波2、在真空中以光速傳播3、電磁波具有波粒二相性：波動性：表現在電磁輻射以波動方式在大氣中傳播，并發(fā)生反射、折射、衍射和偏振等效應。也就是說電磁波是以波動的形式在空間傳播，因此具有波動性。粒子性：電磁波是由密集的光電子微粒組成的，電磁輻射的實質是光子微粒的有規(guī)律的運動。電磁波的粒子性使得電磁輻射的能量具有統(tǒng)計性。表現在電磁輻射過程、吸收過程發(fā)生的氣體輻射譜線和吸收譜線、光電效應等。波粒二相性的程度與電磁波的波長有關：波長越短，輻射的粒子性越明顯；波長越長，輻射的波動性越明顯。這種雙重特性實際正是電磁輻射本質在不同方面的表現。輻射的物理本質自然界一切物體都時刻不停地以電磁波〔電場和磁場的交變波動〕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。輻射產生的原因光輻射：依靠入射光補充能量而導致的輻射〔如夜光等〕電輻射：依靠放電補充能量而導致的輻射〔如日光燈等〕化學輻射：依靠化學反響補充能量而導致的發(fā)光熱輻射：物體因吸收外界的熱量或減少本身的內能而產生的輻射，也稱為溫度輻射在物理學中，直接把輻射作為電磁波每份能量的輻射稱為光子。每個光子的能量為為輻射頻率，以S－1為單位，h為Planck常數，h＝6.626*10-34JS。在真空中以光速c傳播，c＝2.9979*108ms－1頻率與波長之間的關系：習慣上常用微米μm(1μm＝10-4cm)來表示太陽輻射的波長；其他的單位，如納米nm〔1nm＝10-7cm＝10-3μm〕和埃米?〔1?＝10-4μm〕也經常使用，特別是用于紫外輻射。頻率單位通常使用GHz，1GHz＝109Hz，因此，1cm相當于30GHz。波長的倒數稱為波數n，表示單位距離內波的數目，常以cm－1為單位，習慣上常用波數n來描述紅外輻射特征，它的定義是：因此，一個光子的能量與輻射的波長成反比，光子的輻射頻率和相應的能量與波數成正比。電磁波譜不同波長的電磁波具有不同的物理性質，因此我們可以按波長或頻率來區(qū)分輻射，確定相應的名稱，它們共同組成了電磁波的頻譜。人眼視網膜敏感區(qū)相應的電磁波，稱為可見光區(qū)。在可見光區(qū)還可以分成幾個次波段，它們具有不同的顏色：紅橙黃綠藍靛紫電磁波譜紫外線：uv-A： 0.315-0.400微米uv-B： 0.280-0.315微米uv-C： 0.150-0.280微米nearuv： 0.3-0.4微米Middleuv: 0.2-0.3微米faruv： 0.1-0.2微米extremeuv： 0.01-0.1微米紅外線：近紅外：0.7-2.5微米遠紅外：2.5-1000微米長短波〔太陽輻射與地球輻射光譜不重疊〕分界：4微米根本輻射量立體角定義：錐體所攔截的球面積σ與半徑r的平方之比，單位為球面度sr，為一無量綱量。如：對外表積為4πr2的球，它的立體角為4πsr。以發(fā)射體為中心的球坐標中，立體角定義為：是極坐標中的天頂角[0，90]是方位角[0,360]常用輻射量輻射能E能量:焦耳、熱力學卡〔1k=4.1840J〕輻射通量〔發(fā)光度〕f〔輻射功率W〕單位時間內通過任意外表的輻射能量，單位為J/s，即W輻射通量密度F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〕表示從物體外表發(fā)射出的F，又稱輻出度、輻射度、輻射能力〔emittance〕。輻射強度I〔又稱輻亮度，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/m2sr。如面元法向與輻射方向成θ角，那么上式為：輻射率是指源或接收面上的點的輻射能力，應注意的是，它的定義在平行光束情形由于需要除以零立體角而不再適用。單色輻射術語的引用：在討論限制在一個指定的無窮小的波長λ、頻率或波數n間隔上的單色輻射時，各輻射量都有它對應的量，這些量是光譜量，在符號上分別用下標λ、和n來標注，如fλFλIλ。單色與譜段積分輻射量輻射通量密度與輻射強度的關系輻射強度與方向無關稱為各向同性，如太陽、陸地外表，又稱：余弦輻射體或朗伯體光源。平靜的水面因有反射不能當做朗伯面處理。在極坐標系中，對各向同性輻射，其單色輻射通量密度與單色輻射強度的關系為：〔習題1：證明此關系式〕輻射源往外發(fā)射輻射的物體稱為輻射源。最簡單的輻射源是點源，這是一種理想的情況，即其幾何尺度可以被忽略。假設源向四周發(fā)射是均勻的，發(fā)射輻射的功率為f0，以點源為中心畫一個半徑為r的球面，那么通過球外表的輻射通量密度為：這里輻射傳輸的方向都在半徑方向。由于與立體角相對的面積隨距離以r2增大，因此通過單位面積的輻射能，即輻射通量密度將隨r2減小。在離點光源距離相當大并且在討論相比照擬小的范圍中的問題時，可以把由點源發(fā)出的輻射當作平行輻射處理。在大氣輻射中，我們常把來自太陽的直接輻射看作平行光。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，即在任何位置上設置一個和輻射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。面輻射源：面輻射源的特點是其輻射的方向可以是不同的，它可以向2π立體角中發(fā)射輻射能。我們大局部討論的是水平均一或球面均勻的大氣。第二節(jié)黑體輻射定律吸收率、反射率和透射率定義：吸收率A=Ea/E0，反射率R=Er/E0，A＋R＋＝1透射率=Et/E0。當物體不透明時，=0,那么有A+R=1。吸收率、反射率、透射率的概念可用于各種波長的條件。單色吸收率、反射率和透射率，分別記為AλRλλ各種物體對不同波長的輻射具有不同的吸收率與放射率，構成了該物體的吸收光譜或輻射光譜。黑體和灰體絕對黑體：對所有波長的輻射吸收率均為1單色黑體;對某一波長的輻射吸收率為1注意：黑體與黑色物體是有區(qū)別的！灰體吸收率<1的常數，不隨波長而變選擇性輻射體：吸收率小于1，且隨波長而變化。輻射平衡當物體放射出的輻射能恰好等于吸收的輻射能，稱該物體處于輻射平衡。這時物體處于熱平衡態(tài)，因而可以用一態(tài)函數，溫度來描述它。熱力學定律可用來研究輻射平衡態(tài)時物體吸收和發(fā)射的規(guī)律:基爾霍夫定律和有關黑體熱輻射的三個定律。四個定律〔1〕普朗克PlanckLaw(1901)1901年Planck提出量子化輻射的假設，對于絕對黑體物質，單色輻射通量密度與發(fā)射物質的溫度和輻射波長或頻率的關系。從理論上得出，與實驗精確符合Planck函數：第一輻射常數C1：第二輻射常數C2：光速c=3.0108ms-1，普朗克常數h=6.626210-34Js-1，波爾茲曼常數k=1.380610-23JK-1。由普朗克定律可以得出各種溫度下絕對黑體的輻射光譜曲線。黑體輻射與物質組成無關1、任何溫度的絕對黑體都放射波長0~無窮mm的輻射，但溫度不同，輻射能量集中的波段不同。2、溫度越高，各波段放射的能量均加大。積分輻射能力也隨溫度升高而迅速加大。但能量集中的波段那么向短波方向移動。〔例：鐵〕3、每一溫度下，都有輻射最強的波長lmax，即光譜曲線有一極大值，而且隨溫度升高，lmax變小。620K620K380K〔2〕斯蒂芬－玻耳茲曼定律

Stefan-Boltzmann普朗克定律提出之前，1879年Stefan從實驗得出，后經Boltzmann于1884年從熱力學理論上予以證明。即黑體總輻射通量隨溫度的增加而迅速增加，它與絕對溫度的四次方成正比。因此，溫度的微小變化，就會引起輻射通量密度很大的變化。Stefan-Boltzmann常數是紅外裝置測定溫度的理論根底。=5.66961*10-8Wm2K4〔3〕維恩Wien位移定律1893年維恩從熱力學理論推導出：黑體輻射最大強度的波長與它的溫度成反比。同樣將planck函數對波長微分，可得：黑體溫度越高，lmax愈小。即：隨著溫度的升高，輻射最大值對應的峰值波長向短波方向移動。〔4〕基爾霍夫kirchhoff定律1859年提出，于1882年由熱力學定律論證在輻射平衡條件下，任何物體的單色輻射通量密度FλT與吸收系數AλT成正比關系，二者比值只是波長和溫度的函數，與物體性質無關，比值大小等于Planck函數的通量密度形式基爾霍夫kirchhoff定律的意義：1、不僅將物體的輻射能力與其吸收率聯(lián)系起來，同時又將物體的輻射能力與黑體的輻射能力聯(lián)系在一起?？梢詫⒂嘘P黑體的結果應用于非黑體，就給討論物體輻射的發(fā)射和吸收帶來很大方便。2、該定律要求熱力學平衡條件，所以要求到達均一的溫度分布和各向同性輻射。顯然，地球大氣的輻射場就整體而言不是各向同性的，他的溫度也不均一。但是對大約60～70km以下的局部空間而言，可以作較好的近似。所以只有在局域熱力學平衡的意義上，基爾霍夫定律才適用于大氣。[習題2]假設黑體積分輻射能力FB=7.250104Wm2,計算該黑體的溫度以及輻射最強的波長。=5.66961*10-8Wm2K4第四節(jié)輻射傳輸引論散射、吸收、發(fā)射散射(scattering):物體通過該過程從入射輻射中連續(xù)地提取能量，再將其向各方向重新輻射出去Rayleigh散射、和Mie散射；單次、二次和屢次散射吸收(absorption):輻射能量被吸收后被轉換為其它形式的能量消光(extinction=attenuation):散射+吸收發(fā)射(emission)輻射傳輸方程輻射強度I在大氣中傳播，通過ds的距離后變?yōu)镮+dI，dI由以下兩方面原因產生：dI＝dI1＋dI21、吸收和散射作用輻射能衰減ρ是傳輸介質的密度，k稱為單色輻射的質量消光系數，是質量吸收和質量散射系數之和.(cm2*g-1)截面〔crosssection〕σ表示粒子從初始光束中移除的能量大小面積：[L2]cm2相對質量：[L2M-1]cm2g-1質量消光截面k紅外傳輸中，質量吸收截面吸收系數…〔體積〕消光系數β：[L-1]cm-1消光截面σ(cm2)×數密度N(cm-3)或質量消光截面k×密度ρ2、因物質發(fā)射的同波長輻射和屢次散射而增強定義源函數系數j〔質量發(fā)射系數W.g-1.sr-1〕綜合上述兩方面作用：定義源函數普遍的輻射傳輸方程，討論任何輻射傳輸過程的根底Beer-Bouguer-LambertLaw輻射傳輸最簡單的情形：忽略散射和發(fā)射的奉獻，此時k只代表質量吸收系數。那么從s=0積分到s=s1可得假定傳輸介質均勻〔如薄層近似〕，那么k不依賴于距離s，因此定義光學路徑長度〔pathlength〕或光學質量〔opticalmass〕，量綱為[ML-2]這就是著名的Beer-Bouguer-LambertLaw。表示通過均勻吸收介質傳播的輻射按簡單的指數函數減弱，該指數函數的自變量是質量吸收截面和光學質量的乘積單色透過率T〔transmissivity〕對于無散射介質，單色吸收率為對于有散射作用的介質，定義單色反射率R為反射強度與入射強度之比無散射介質+發(fā)射，一個黑體處于局部熱力平衡，源函數可用Planck函數給出該方程稱為Schwarzschild方程右邊第一項表示由于物體的黑體