概念定律大氣對輻射的作用

概念定律大氣對輻射的作用大氣輻射學5.1輻射的基本概念5.2輻射的物理規(guī)律5.2.1吸收率、反射率、透射率5.2.2黑體輻射定律5.2.3太陽輻射和地球輻射的差異5.3地球大氣對輻射的作用5.4太陽輻射在地球大氣中的傳5.5長波輻射在大氣中的傳輸5.6地面、大氣及地氣系統(tǒng)的輻射平衡第2頁,共44頁，星期六，2024年，5月大氣輻射學(5.1-5.3)5.1輻射的基本概念5.2輻射的物理規(guī)律5.2.1吸收率、反射率、透射率5.2.2黑體輻射定律5.2.3太陽輻射和地球輻射的差異5.3地球大氣對輻射的作用第3頁,共44頁，星期六，2024年，5月5.1輻射的基本概念5.1.1電磁輻射1、定義：以電磁波形式傳播能量的方式稱為輻射。所傳遞的能量稱為輻射能，有時也簡稱為輻射。第4頁,共44頁，星期六，2024年，5月3、電磁波長范圍：10-16m~106m宇宙射線、γ射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線、微波、無線電波4、大氣科學關注波段：

太陽、地球和大氣輻射波段：0.1μm----120μm,既紫外、可見、紅外遙感探測中：除了上面的，還有微波、無線電波

第5頁,共44頁，星期六，2024年，5月5.1.2輻射基本特征量分能量單位和光度測量單位1、輻射能Q：單位為焦耳（J）2、輻射通量φ：單位為瓦（W）3、輻射通量密度E：按方向分為輻出度和輻照度第6頁,共44頁，星期六，2024年，5月單位為W/m2第7頁,共44頁，星期六，2024年，5月大氣輻射學(5.1-5.3)5.1輻射的基本概念5.2輻射的物理規(guī)律5.2.1吸收率、反射率、透射率5.2.2黑體輻射定律5.2.3太陽輻射和地球輻射的差異5.3地球大氣對輻射的作用第8頁,共44頁，星期六，2024年，5月一、物體對輻射的作用和選擇性吸收、反射、透射三種作用(P66圖5.3）物體對不同波長輻射具有不同的吸收率、反射率和透射率，這種特性稱為________________。物體對輻射的吸收、反射和透射的選擇性：5.2輻射的物理規(guī)律5.2.1吸收率、反射率、透射率第9頁,共44頁，星期六，2024年，5月定義：1、吸收率，反射率，透射率，分別記做A，R，τ2、單色吸收率，反射率，透射率Aλ，Rλ，τλ3、反照率4、吸收光譜、輻射光譜第10頁,共44頁，星期六，2024年，5月某波長的黑體：見書67頁灰體：見書67頁二、黑體和灰體絕對黑體（黑體）：見書67頁1、黑體2、灰體第11頁,共44頁，星期六，2024年，5月5.2.2黑體輻射定律第12頁,共44頁，星期六，2024年，5月MaxKarlErnstLudwigPlanck（1858-1947）德國物理學家，量子力學的開創(chuàng)人一、Planck定律1900年M.

Planck依據(jù)量子理論導出了黑體輻射關于溫度T和波長λ的函數(shù)關系式第13頁,共44頁，星期六，2024年，5月其中h為普朗克常數(shù)6.62*10-34Js-1K為玻爾茲曼常數(shù)1.38*10-23

Jk-1從69頁圖5.5可直觀看到黑體輻射與T、λ之間的關系5.2.6第14頁,共44頁，星期六，2024年，5月三、Stefan-Boltzmann定律其中σ=5.67*10-8Jm-2K-2s-1稱為斯蒂芬——玻爾茲曼常數(shù)2、有效溫度（等效黑體溫度）Te:把實際物體的FT代入公式（5.2.8）所求出的溫度稱為此物體的有效溫度。5.2.8第15頁,共44頁，星期六，2024年，5月

維恩維恩是一位理論、實驗都有很高造詣的物理學家。

正象勞厄所評價的那樣：“他的不朽的業(yè)績在于引導我們走到量子物理學的大門口”。四、Wien位移定律（1864-1928）德國物理學家1911因發(fā)現(xiàn)了熱輻射定律或諾貝爾物理學獎。第16頁,共44頁，星期六，2024年，5月2、色溫度Tc:根據(jù)物體實際的λm由公式（2.2.6）所計算出的溫度稱為該物體的色溫度（5.2.13）第17頁,共44頁，星期六，2024年，5月5.2.3太陽輻射和地球輻射的差異太陽表面輻射、地球表面、大氣發(fā)出的輻射分別與T=6000K、T=300K、T=200K的黑體所發(fā)射輻射接近，常稱太陽輻射為短波輻射，稱地球和大氣輻射為長波輻射，二者基本上以4μm為界（見76頁圖5.8a)第18頁,共44頁，星期六，2024年，5月第19頁,共44頁，星期六，2024年，5月大氣輻射學(5.1-5.3)5.1輻射的基本概念5.2輻射的物理規(guī)律5.2.1吸收率、反射率、透射率5.2.2黑體輻射定律5.2.3太陽輻射和地球輻射的差異5.3地球大氣對輻射的作用第20頁,共44頁，星期六，2024年，5月5.3地球大氣對輻射的作用5.3.1大氣對輻射吸收的物理過程5.3.2大氣吸收光譜

5.3.3大氣對輻射的散射5.3.4大氣消光的數(shù)學描述第21頁,共44頁，星期六，2024年，5月5.3.1大氣對輻射吸收的物理過程輻射吸收的定義：72頁吸收：投射到介質上面的輻射能中的一部分被轉變?yōu)槲镔|本身的內(nèi)能或其它形式的能量物理過程(略)第22頁,共44頁，星期六，2024年，5月5.3地球大氣對輻射的作用5.3.1大氣對輻射吸收的物理過程5.3.2大氣吸收光譜5.3.3大氣對輻射的散射5.3.4大氣消光的數(shù)學描述第23頁,共44頁，星期六，2024年，5月5.3.2大氣吸收光譜（見76頁圖5.8）水汽的吸收幾乎覆蓋長波輻射整個波段6.3

m振動帶大于12

m轉動帶第24頁,共44頁，星期六，2024年，5月H2O主要集中在大氣下層，吸收作用主要在對流層，特別是對流層下層第25頁,共44頁，星期六，2024年，5月O2主要在小于0.25

m的紫外區(qū)：因小于0.25

m的太陽輻射能量不到0.2%，而且O2在可見光波段的兩吸收帶較弱，所以對太陽輻射的削弱不大。第26頁,共44頁，星期六，2024年，5月O3強吸收在的紫外區(qū)：O3層吸收太陽輻射的2%—平流層溫度高的原因第27頁,共44頁，星期六，2024年，5月CO2大于2

m的紅外區(qū)：5.3.2大氣吸收光譜第28頁,共44頁，星期六，2024年，5月5.3.2大氣吸收光譜（見76頁圖5.8）1、大氣對輻射的吸收有明顯的選擇性2、吸收太陽輻射的氣體主要是H2O，其次是O2、O3，CO2吸收的不多，吸收長波輻射的主要是H2O，其次是CO2和O3第29頁,共44頁，星期六，2024年，5月第30頁,共44頁，星期六，2024年，5月3、整層大氣的吸收特征1）對于波長小于0.29μ的太陽輻射，吸收率接近1；對可見光區(qū)，大氣吸收很少，只有不強的吸收帶；在紅外區(qū)有許多很強的吸收帶2）大氣對太陽輻射的吸收帶都位于太陽輻射光譜兩端能量較小的區(qū)域，對能量較大的可見光的吸收是很小的。第31頁,共44頁，星期六，2024年，5月大氣透明窗或大氣光譜窗8—12

m大氣的吸收很弱5.3.2大氣吸收光譜第32頁,共44頁，星期六，2024年，5月4、大氣透明窗：在8-12μm波段，大氣的吸收很弱，被稱為大氣透明窗或大氣光譜窗。第33頁,共44頁，星期六，2024年，5月5.3地球大氣對輻射的作用5.3.1大氣對輻射吸收的物理過程5.3.2大氣吸收光譜

5.3.3大氣對輻射的散射5.3.4大氣消光的數(shù)學描述第34頁,共44頁，星期六，2024年，5月5.3.3大氣對輻射的散射1、散射的定義

散射是指微粒把入射到其上的輻射重新向各方向輻射出去的一種現(xiàn)象。

大氣中起散射作用的微粒在10-8cm—100cm范圍內(nèi)，如空氣分子、塵埃、云滴、雨滴、雪花、冰雹等。第35頁,共44頁，星期六，2024年，5月2、散射分類引進無量綱尺度參數(shù)，對散射進行劃分，式中r為散射微粒的半徑，λ為入射輻射的波長。（1）若α<0.1，即，則稱為分子散射，也稱為瑞利散射。例如，空氣分子對可見光的散射（2）若0.1<α<50,即r~λ,則稱為米散射（Mie散射）。如云滴、塵埃等對可見光的散射。第36頁,共44頁，星期六，2024年，5月3、容積散射系數(shù)ksc,λ定義1：單位容積散射質粒在整個空間散射的總散射通量與入射輻射通量密度之比。如圖所示第37頁,共44頁，星期六，2024年，5月dA

EλdlΦ散ksc,λ5.3.3第38頁,共44頁，星期六，2024年，5月定義2：輻射經(jīng)單位長度氣柱散射削弱的輻照度占入射輻照度的份數(shù)。越大表明散射越強，散射削弱越大4、瑞利散射和米散射的容積散射系數(shù)ksc,λksc,λ5.3.4第39頁,共44頁，星期六，2024年，5月（1）Rayleigh散射LordRayleigh：1842~1919，英國數(shù)學家和物理學家當入射輻射為非偏振時，如自然光上式中，N—單位體積空間中所含被研究成分的個數(shù)；λ—輻射波長；ksc,λ5.3.12第40頁,共44頁，星期六，2024年，5月n---介質折射率，是電磁波速在介質中與真空中差異有關的一個光學參數(shù)。瑞利散射可用來解釋天空顏色：空氣分子對紫光（0.4μ）和紅光（0.7μ）散射能力之比近似為9.4（2）Mie散射G.Mie（1868~1957）：德國物理學家，在電磁散射理論和分子運動方面，進行了基本研究第41頁,共44頁，星期六，2024年，5月其中，am、bm與粒子尺度參數(shù)α、折射率n有關σsλ與λ的關系非常復雜。ksc,λ5.3.12第42頁,共