第五章地面和大气中的辐射过程1课件.ppt

1、 地球大气系统的能量来源主要是地球大气系统的能量来源主要是 太阳辐射能太阳辐射能，它从根本上决定了地球、大气，它从根本上决定了地球、大气 的热状态，从而制约大气运动和其它大气的热状态，从而制约大气运动和其它大气 过程的能量，是产生各种大气物理、大气化学过程的能量，是产生各种大气物理、大气化学 过程和天气现象的根本原因，也是气候形成的过程和天气现象的根本原因，也是气候形成的 重要因子。重要因子。 一年中整个地球可以从一年中整个地球可以从太阳太阳获得获得 5.445.4410102424J J的辐射能量。的辐射能量。 虽然地球大气也接收其他天体发送的粒子流，虽然地球大气也接收其他天体发送的粒子流，

2、 但从能量角度来讲微不足道。但从能量角度来讲微不足道。 来自宇宙中其它星体的辐射能仅是来自太阳辐射能来自宇宙中其它星体的辐射能仅是来自太阳辐射能 的的亿分之一亿分之一。从地球内部传递到地面上的能量也仅是。从地球内部传递到地面上的能量也仅是 来自太阳辐射能的来自太阳辐射能的万分之一万分之一 地球作为飘浮在宇宙空间的一个物体，地球作为飘浮在宇宙空间的一个物体， 它只能它只能 通过通过辐射辐射过程才能与周围环境交换能量，并最终过程才能与周围环境交换能量，并最终 达到某种平衡。达到某种平衡。 由此可见，由此可见，太阳辐射太阳辐射是地球最重要的能源。是地球最重要的能源。 本章研究太阳、地球、大气中的辐射

3、能交本章研究太阳、地球、大气中的辐射能交 换，以及辐射能量在大气中传输的规律。换，以及辐射能量在大气中传输的规律。5.1 辐射的基本概念 任何物体任何物体，只要温度大于绝对零度，只要温度大于绝对零度(-273(-273o oC)C)， 都以电磁波的方式向四周放射能量，同时也接都以电磁波的方式向四周放射能量，同时也接 受来自周围的电磁波。受来自周围的电磁波。 这是物质的本性决定的，是由物质本身的电子、质子、这是物质的本性决定的，是由物质本身的电子、质子、 分子运动产生的。分子运动产生的。 这种传播能量的方式称为这种传播能量的方式称为辐射辐射。 通过辐射传播的能量称为通过辐射传播的能量称为辐射能辐

4、射能， 简称为辐射。简称为辐射。 辐射是能量传播方式之一，也是太阳能量能传输辐射是能量传播方式之一，也是太阳能量能传输 到地球的唯一途径。到地球的唯一途径。 电磁辐射电磁辐射 一、描述电磁波的物理量一、描述电磁波的物理量 电磁波可以用电磁波可以用频率频率f f、波长波长、波数波数、 和和波速波速c c来描述。来描述。 单位：单位：fHzfHz；m,nmm,nm；cmcm-1-1；cm/scm/s 各物理量的关系是：各物理量的关系是：cfcf1* 二、电磁波谱二、电磁波谱 不同波长和频率的电磁波有不同的物理特性，不同波长和频率的电磁波有不同的物理特性， 可以用波长和频率来区别电磁辐射，并给以不同

5、可以用波长和频率来区别电磁辐射，并给以不同 的名称，称之为的名称，称之为电磁波谱电磁波谱。 波长由小到大分别为波长由小到大分别为宇宙射线宇宙射线、射线射线、射线射线、 紫外线紫外线、可见光可见光、红外线红外线、微波微波、无线电波无线电波 。 可见光可见光集中了太阳辐射的主要能量，不但对地集中了太阳辐射的主要能量，不但对地球大气辐射收支有着重要的影响，而且不同的波球大气辐射收支有着重要的影响，而且不同的波长的辐射还供给人眼不同的长的辐射还供给人眼不同的。太阳、地面、大气辐射的波长范围太阳、地面、大气辐射的波长范围 基本上在基本上在0.10.1120m120m，即紫外波段、，即紫外波段、 可见光、

6、红外波段。可见光、红外波段。其中，其中，太阳太阳短波辐射短波辐射0.10.14m4m， 地面和大气地面和大气辐射长波辐射长波3 3120m120m， 是大气科学研究的重要波段。是大气科学研究的重要波段。描述辐射场的物理量描述辐射场的物理量 如同温度、气压、风等许多参量都以场的形式出如同温度、气压、风等许多参量都以场的形式出 现，它们都是空间和时间的函数（现，它们都是空间和时间的函数（x x，y y，z z，t)t)， 辐射场是更复杂的场。以下是辐射场的参量：辐射场是更复杂的场。以下是辐射场的参量： 一、辐射通量一、辐射通量 指单位时间内通过某一平面的辐射能量，指单位时间内通过某一平面的辐射能量

7、， 也称辐射功率。单位：也称辐射功率。单位：w w；J/sJ/s辐射通量也可指辐射通量也可指单位时间内某一平面放射和接收的辐单位时间内某一平面放射和接收的辐射能量。射能量。 二、辐射通量密度二、辐射通量密度 是指辐射场内任一点处通过单位平面的是指辐射场内任一点处通过单位平面的 辐射功率。单位：辐射功率。单位：w/mw/m2 2 其中包括其中包括: :辐照度辐照度: :辐射场内任一点处辐射场内任一点处射入射入单位平面的辐射功率单位平面的辐射功率辐出度（辐射率）：辐出度（辐射率）： 辐射场内任一点处辐射场内任一点处射出射出单位平面的辐射功率单位平面的辐射功率 三、辐射源三、辐射源 辐射源辐射源是指

8、向外发射辐射的物体称为辐射源是指向外发射辐射的物体称为辐射源, 分为分为点源点源和和面源面源。 点源忽略了几何尺度，是理想的情况。点源忽略了几何尺度，是理想的情况。 假设源向四周发射是均匀的，发射辐射假设源向四周发射是均匀的，发射辐射 的功率为的功率为W W，半径为，半径为r r的球表面上的辐照度：的球表面上的辐照度： 在离点源距离相当大且讨论比较小范围中在离点源距离相当大且讨论比较小范围中 的问题时，可以把由点源的问题时，可以把由点源发射发射的的辐射当作辐射当作平行光平行光处理。处理。24rWE 因日地平均距离为因日地平均距离为1.51.510108 8kmkm， 地球半径为地球半径为637

9、1km,6371km,所以，所以， 可以把地气系统接收到的太阳辐射当作可以把地气系统接收到的太阳辐射当作 平行光平行光处理。处理。 对于平行辐射，由于平行辐射能是在同一方向上对于平行辐射，由于平行辐射能是在同一方向上 传播，射线所张的立体角为零。若计算某一平面上的传播，射线所张的立体角为零。若计算某一平面上的 辐射通量密度只需知道平行辐射的辐照度和传播方向辐射通量密度只需知道平行辐射的辐照度和传播方向 即可。即可。 吸收率、反射率、透射率吸收率、反射率、透射率 设投射到物体上的辐射能设投射到物体上的辐射能( (Q Q0 0) )： 一部分被物体吸收变为内能一部分被物体吸收变为内能( (Q Qa

10、 a) )； 一部分被反射回去一部分被反射回去( (Q Qr r) )；一部分可能会透过物体一部分可能会透过物体( (Q Qt t) )由能量守恒定律：由能量守恒定律： Q0 Qa Qr Qt 定义定义: : 吸收率吸收率A=QA=Qa a/Q/Q0 0； 反射率反射率R=QR=Qr r/Q/Q0 0 ； 透射率透射率=Q=Qt t/Q/Q0 0 则则 A+R+=1 A+R+=1 A A、R R、都是都是0 01 1之间变化的无量纲量。且之间变化的无量纲量。且A A、R R、 大小随着辐射的波长和物体的性质而改变。大小随着辐射的波长和物体的性质而改变。例如例如: : 干洁空气干洁空气对对红外线

11、红外线是近似透明的，而是近似透明的，而水汽水汽对对红外线红外线 却能强烈地吸收；却能强烈地吸收； 雪面雪面对对太阳辐射太阳辐射的反射率很大，但对的反射率很大，但对地面和大气地面和大气的的 辐射则几乎能全部吸收。辐射则几乎能全部吸收。 可见可见，一般物体对辐射具有一般物体对辐射具有“选择性选择性” 为研究方便，特假设两种理想物体：为研究方便，特假设两种理想物体： 一、一、黑体黑体 特别地，如果某一物体对投射到其上的任何波长特别地，如果某一物体对投射到其上的任何波长 的辐射能全部吸收，即的辐射能全部吸收，即=1,=1,则称该物体为则称该物体为绝对黑体绝对黑体。 如果物体仅对某一波长的辐射全部吸收，

12、即如果物体仅对某一波长的辐射全部吸收，即 A A=1,=1,则称该物体对这一波长为则称该物体对这一波长为黑体黑体。 常把常把太阳辐射太阳辐射看成是黑体辐射看成是黑体辐射 绝对黑体自然界是不存在的。如烟炱黑对可见光绝对黑体自然界是不存在的。如烟炱黑对可见光A A1 1 ，但对，但对远红外线远红外线A A远小于远小于1 1。 实验室可人工制造接近绝对黑体的表面：实验室可人工制造接近绝对黑体的表面： 应当注意，黑体与黑色物体有应当注意，黑体与黑色物体有区别区别： 因为黑色物体只表明它对可见光的反射性质，我们因为黑色物体只表明它对可见光的反射性质，我们不能仅根据颜色来判断它对各波段的吸收能力。不能仅根

13、据颜色来判断它对各波段的吸收能力。 如洁白的雪面对远红外波段的吸收能力比其它物体强。如洁白的雪面对远红外波段的吸收能力比其它物体强。 二、二、灰体灰体 如果物体的吸收率如果物体的吸收率A1A1，但，但A A是一常量，且是一常量，且 不随波长而改变，这种物体称不随波长而改变，这种物体称灰体灰体。 如地面对长波辐射的吸收率如地面对长波辐射的吸收率A A近于常数，近于常数，A1A1，故可，故可 以认为以认为地面地面为为灰体灰体。 辐射平衡的基本规律辐射平衡的基本规律 自然界的任何物体都自然界的任何物体都通过通过辐射辐射过程交换着过程交换着能量。能量。 如果没有其它方式的能量如果没有其它方式的能量交换

14、，一交换，一物体的热量得失物体的热量得失 及热状态就取决于放射和吸收的及热状态就取决于放射和吸收的辐射能辐射能之间的差值。之间的差值。 当放射的当放射的辐射辐射能恰好等于吸收的能恰好等于吸收的辐射辐射能时，该物体能时，该物体 处于热处于热平衡状态，可以用态函数平衡状态，可以用态函数温度温度来描述。来描述。一般认为：一般认为： 地面到地面到60km60km以下的大气以下的大气处于局地辐射平衡状态，可以处于局地辐射平衡状态，可以用平衡辐射规律来解决平流层以下的大气辐射问题。用平衡辐射规律来解决平流层以下的大气辐射问题。 下面讨论物体处于热平衡状态下放射和下面讨论物体处于热平衡状态下放射和 吸收辐射

15、的物理规律：吸收辐射的物理规律： 基尔霍夫（基尔霍夫（KirchhoffKirchhoff）定律）定律 普朗克普朗克(planck)(planck)定律定律 斯蒂芬（斯蒂芬（StefanStefan）- -玻耳兹曼（玻耳兹曼（BoltzmanBoltzman）定律）定律 维恩（维恩（WeinWein）位移定律）位移定律 一、基尔霍夫（一、基尔霍夫（Kirchhoff）定律）定律 在物体的吸收能力和辐射能力之间，也就是吸在物体的吸收能力和辐射能力之间，也就是吸 收光谱之间和辐射光谱之间，存在着一定的关系。收光谱之间和辐射光谱之间，存在着一定的关系。 设想在一个真空封闭系统中，有几个温度不同的物体

16、，设想在一个真空封闭系统中，有几个温度不同的物体， 物体间只能通过辐射交换能量。经过长时间物体间只能通过辐射交换能量。经过长时间 后，温度会彼此相等，达到辐射平衡。后，温度会彼此相等，达到辐射平衡。 由于各物体间有不同的由于各物体间有不同的吸收和放射能力，吸收和放射能力， 显然，显然，吸收率大吸收率大的物体其的物体其辐射辐射率也大率也大； 吸收率小吸收率小的物体其的物体其辐射辐射率也小率也小， 只有这样只有这样系统最终才能辐射平衡。系统最终才能辐射平衡。 进一步推论：进一步推论： 物体对某一波长的物体对某一波长的吸收率大，则对该吸收率大，则对该波波 长的辐射长的辐射率也大；率也大； 物体对某一

17、波长不物体对某一波长不吸收，也就不放射该吸收，也就不放射该波长。波长。 基尔霍夫在基尔霍夫在18591859由热力学论证了上述现象：由热力学论证了上述现象： 在热平衡条件下（在热平衡条件下（T=T=常数），任何物体辐常数），任何物体辐 射率射率（辐出度）（辐出度）F F，与物体的与物体的吸收率吸收率A A， 之比值之比值, ,是一个是一个普适函数普适函数。该普适函数只是温。该普适函数只是温 度和波长的函数，而与物体的性质无关。度和波长的函数，而与物体的性质无关。基尔霍夫定律：基尔霍夫定律：),(,TfAFTT 如果有几种物体，在同一温度下，对同一波长的如果有几种物体，在同一温度下，对同一波长的

18、 吸收率吸收率为为A A ， A A ， A A ， A A ， 对同一波长的对同一波长的辐出度辐出度分别为分别为 F F1 1 ， F F2 2 ， F F ， F F ， 则有：则有： F F1 1 ， A A ，F F ，A A ， F F ， A A ， F F ，A A ， f(,T)f(,T) 如果讨论的是如果讨论的是黑体黑体， 则有则有辐出度辐出度 F FB(B( ，），）f(,T)f(,T) 基尔霍夫定律基尔霍夫定律表明表明： 任何物体的辐出度和它的吸收率之比，都任何物体的辐出度和它的吸收率之比，都 等于同一温度下黑体的辐出度等于同一温度下黑体的辐出度F FB B(,T)(,T

19、)。 基尔霍夫定律的基尔霍夫定律的意义：意义： 它将它将物体的物体的吸收能力吸收能力和和放射能力放射能力联系起来了。联系起来了。 特别是它将特别是它将各种一般物体各种一般物体的吸收、放射能力的吸收、放射能力 与与的放射能力联系了起来。的放射能力联系了起来。 这很重要，因为黑体的辐射规律从理论上和实验上这很重要，因为黑体的辐射规律从理论上和实验上 都十分清楚了，只要知道物体的吸收光谱，物体的辐都十分清楚了，只要知道物体的吸收光谱，物体的辐射特性也就完全确定了。射特性也就完全确定了。 二、普朗克二、普朗克(planck)定律定律 绝对黑体的绝对黑体的辐射光谱辐射光谱对于研究一切对于研究一切物体的物

20、体的 辐射规律具有根本的意义。辐射规律具有根本的意义。 19001900年，普朗克成功地从理论上得出了与实验年，普朗克成功地从理论上得出了与实验 精确符合的精确符合的绝对黑体辐射辐出率绝对黑体辐射辐出率与与波长波长和和温度温度的关系。的关系。 F FB B(，T)T)是绝对黑体的分光辐出度是绝对黑体的分光辐出度c c ，c c2 2为第一、第二常数为第一、第二常数c c为光速，为光速，h h为普朗克常数为普朗克常数,k,k为玻耳兹曼常数为玻耳兹曼常数1251152) 1() 1(2),(TcTkchBecehcTF 由普朗克定律可以得到由普朗克定律可以得到各种温度下绝对各种温度下绝对黑体的黑体

21、的光谱线：光谱线： 不同温度下的绝对不同温度下的绝对黑体黑体光谱的光谱的差异差异： 、理论上任何温度的绝对黑体都放射、理论上任何温度的绝对黑体都放射0-m0-m 波长的辐射，但温度不同辐射能量集中的波段也波长的辐射，但温度不同辐射能量集中的波段也 不同，随着温度的下降，辐射能量集中的波段向长不同，随着温度的下降，辐射能量集中的波段向长 波方向移动。波方向移动。 、当温度升高时，各波段放射的辐射能量均增大，、当温度升高时，各波段放射的辐射能量均增大， 积分辐射能力积分辐射能力F FT T也随着迅速加大，且能量集中的波段也随着迅速加大，且能量集中的波段 向短波方向移动。向短波方向移动。 、每一温度

22、下，都有辐射最强的波长、每一温度下，都有辐射最强的波长m m，即光谱曲，即光谱曲 线有一极大值，而且随着温度的升高，线有一极大值，而且随着温度的升高，m m变小。变小。 特别地，特别地， 注意注意6000K,300K,250K6000K,300K,250K的黑体辐射：的黑体辐射： 温度温度6000K6000K代表代表太阳太阳，能量集中在，能量集中在 0.170.174.0m4.0m，极值波长为，极值波长为0.483m0.483m。 温度温度300K300K代表代表地球地球，能量集中在，能量集中在 3.33.3 80m 80m，极值波长为，极值波长为9.659m9.659m。 温度温度200K2

23、00K代表代表大气大气( (平流层下层平流层下层) )，能量集中在，能量集中在 120m120m，极值波长为，极值波长为14.489m14.489m。 气象上常称气象上常称太阳辐射太阳辐射为为短波辐射短波辐射，以可见光与，以可见光与 近红外波段为主；近红外波段为主； 称称地球地球、大气辐射大气辐射为为长波辐射长波辐射，以红外波段为主。，以红外波段为主。 三、斯蒂芬玻耳兹曼定律三、斯蒂芬玻耳兹曼定律 18791879年，斯蒂芬由实验发现，黑体的积分辐出年，斯蒂芬由实验发现，黑体的积分辐出 度与其温度的四次方成正比。度与其温度的四次方成正比。 18841884年玻耳兹曼由热力学理论得出了公式：年玻

24、耳兹曼由热力学理论得出了公式： 式中式中=5.67=5.671010-8-8W/W/（m m2 2K K4 4） 为斯蒂芬为斯蒂芬- -波耳兹曼常数。波耳兹曼常数。 黑体的黑体的总放射能力总放射能力（积分辐出度）（积分辐出度）与它本身的与它本身的绝对温度绝对温度的四次方成正比。的四次方成正比。4TT=F 四、维恩（四、维恩（Wein）位移定律）位移定律 18931893年维恩由热力学理论推导得出：年维恩由热力学理论推导得出： 黑体辐射光谱黑体辐射光谱极大值极大值对应的波长对应的波长m m与其与其 绝对温度的乘积为一常数。绝对温度的乘积为一常数。 T8 .2897max 总之，总之， 有了上述有关的辐射定律，有了上述有关的辐射定律，黑体黑体辐射的辐射的 定律就全确定了，这些定律把黑体的温度定律就全确定了，这些定律把黑体的温度 与辐射光谱联系了起来。与辐射光谱联系了起来。 对对非黑体非黑体（一般物体）（一般物体），只要知道了它的，只要知道了它的 温度与吸收率，通过基尔霍夫定律，其辐射温度与吸收率，通过基尔霍夫定律，其辐射 光谱也就确定了。光谱也就确定了。