第五章 地面和大气中的辐射过程 3 大气物理学课件
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大气中的辐射-ppt课件
(1)光学厚度
18
2. 辐射传输的有关物理量
(1)光学厚度
19
2. 辐射传输的有关物理量
(2) 光学质量
辐射传输路径上气体的质量
20
2. 辐射传输的有关物理量
(2) 光学质量
标准状态下厚度
21
2. 辐射传输的有关物理量
(3)单色透射率和单色吸收率
辐射通过一段大气路径后，辐射通量密度之比
常将整层大气在垂直方向的透过率称为透明系数
2
n
k
1.333
0
2.6
1.0
1.96
0.66
1.55
0
1.544
0
1.53
0
1.53
0
1.52
0
1.55
0
NOTE: hematite (赤铁矿) is a mineral that is a main light absorbing components of mineral d1u2st.
2．散射削弱系数
1
谱线增宽
2
5.3.2 大气吸收光谱
H2O
吸收约20%的太阳能量
几乎覆盖长波辐射整个波段 6.3 m振动带
大于12 m转动带
3
5.3.2 大气吸收光谱
• O2
• 主要在小于0.25 m的紫外区：
• 舒曼-龙格(Schumann-Runge)吸收带 • 赫 兹 堡 ( Herzberg) 带
• 因小于0.25 m的太阳辐射能量不到0.2%，而且 O2在可见光波段的两吸收带较弱，所以对太阳 辐射的削弱不大。
22
2. 辐射传输的有关物理量
• 透射率函数
• 光谱间隔内的平均透过率
18
2. 辐射传输的有关物理量
(1)光学厚度
19
2. 辐射传输的有关物理量
(2) 光学质量
辐射传输路径上气体的质量
20
2. 辐射传输的有关物理量
(2) 光学质量
标准状态下厚度
21
2. 辐射传输的有关物理量
(3)单色透射率和单色吸收率
辐射通过一段大气路径后，辐射通量密度之比
常将整层大气在垂直方向的透过率称为透明系数
2
n
k
1.333
0
2.6
1.0
1.96
0.66
1.55
0
1.544
0
1.53
0
1.53
0
1.52
0
1.55
0
NOTE: hematite (赤铁矿) is a mineral that is a main light absorbing components of mineral d1u2st.
2．散射削弱系数
1
谱线增宽
2
5.3.2 大气吸收光谱
H2O
吸收约20%的太阳能量
几乎覆盖长波辐射整个波段 6.3 m振动带
大于12 m转动带
3
5.3.2 大气吸收光谱
• O2
• 主要在小于0.25 m的紫外区：
• 舒曼-龙格(Schumann-Runge)吸收带 • 赫 兹 堡 ( Herzberg) 带
• 因小于0.25 m的太阳辐射能量不到0.2%，而且 O2在可见光波段的两吸收带较弱，所以对太阳 辐射的削弱不大。
22
2. 辐射传输的有关物理量
• 透射率函数
• 光谱间隔内的平均透过率
地面辐射与大气辐射课件
地面辐射的来源与影响
来源
主要来源于地球表面吸收的太阳辐射 能，以及地球内部的热能。
影响
地面辐射是地球表面热量交换的主要 方式，对气候变化、生态系统和人类 生活等方面都有重要影响。
地面辐射的测量与计算
测量
使用红外辐射计等仪器测量地面辐射的通量、光谱分布等参数。
计算
根据测量数据和相关公式，计算地面辐射的发射率、反射率 等参数，以及地面辐射通量等数值。
气象预测
气象服务
地面辐射与大气辐射的研究可以为气 象服务提供科学依据，如旅游气象服 务、农业气象服务等。
地面辐射与大气辐射的监测数据可以 用于气象预测，如短期天气预报、灾 害预警等。
在气候模型中的应用
01
02
03
气候模型验证
地面辐射与大气辐射的观 测数据可以用来验证气候 模型的准确性和可靠性。
气候变化模拟
对气候变化的影响
气候变化
辐射强迫
气候反馈
气候变化涉及到地球表面状况的长期 变化，包括气温、降水、风等气象要 素的变化以及冰川、植被等自然环境 的改变。
人类活动和自然因素引起的温室气体 排放、气溶胶污染等会改变大气中的 成分，进而改变太阳辐射和地面辐射 在大气中的传输和散射特性。这种改 变称为“辐射强迫”，它会导致气候 变化。
气候模型可以通过模拟地 面辐射与大气辐射的相互 作用，预测未来气候变化 的情况。
气候变化应对
气候模型可以为应对气候 变化提供科学依据，如制 定减排政策、适应气候变 化的措施等。
在环境保护中的应用
大气污染监测
地面辐射与大气辐射的监测数据 可以用于监测大气污染物的浓度
和分布情况。
环境影响评估
地面辐射与大气辐射的研究可以为 环境影响评估提供科学依据，如建 设项目对环境的影响评估、规划方 案的环境影响评估等。
地面辐射和大气辐射及影响因素PPT课件
月球夜间由于没有大气的保温效应月球表面辐射强烈月面温度骤降气温很低白天大气削弱了到达地面的太阳辐射气温不会太高夜间地面辐射绝大部分热量又被大气逆辐射还给地面使气温不致降得过低白天由于没有大气对太阳辐射的削弱作用月面温度升得很高气温很高大气大气上界上界地球太阳辐射地面辐射与大气辐射的关系太阳辐射地面辐射与大气辐射的关系太阳辐射地面辐射与大气辐射的关系太阳辐射地面辐射与大气辐射的关系大气上界地面地面增温射向宇宙空间大气吸收太阳暖大地太阳暖大地大气还大地大气还大地大地暖大气大地暖大气1纬度因素太阳高度探究
①更多地吸收了地面长波辐射，提高了大气温度； ②增强了大气逆辐射，补偿了地面损失的热量。
• 利用“温室效应”原理，我国北方地区冬季采用 大棚技术种植蔬菜、花卉等作物。
（2）分别说明大棚技术对农业生产光、热、水条件 的有利影响。
①使冬季的太阳光照得以充分利用 ②提高了大棚内的温度，使作物在冬季也可种植
（可以减轻冻害，提高农业生产抗灾能力）
③有利于保持、调节大棚内空气和土壤的水分
SUCCESS
THANK YOU
2019/7/30
温度越高，辐射最强部分的波长越短；反之则越长。 太阳辐射为短波辐射，地面辐射为长波辐射
3、对流层大气与地面辐射的关系？
地面辐射（长波辐射）是对流层大气增温的直接热 量来源。
二、大气辐射
1、概念
大气吸收地面辐射增温的同时，也向外辐射能量， 即大气辐射。它属于长波辐射。 射向地面的大气辐射，称为大气逆辐射。
地面辐射和大气辐射
大气主要吸收的是红外光和紫外光，占了太阳辐 射能量绝大部分的可见光没有被吸收，那么太阳 辐射中的可见光部分去了哪里呢？
一、地面辐射
阅读教材P44，思考下列问题：
①更多地吸收了地面长波辐射，提高了大气温度； ②增强了大气逆辐射，补偿了地面损失的热量。
• 利用“温室效应”原理，我国北方地区冬季采用 大棚技术种植蔬菜、花卉等作物。
（2）分别说明大棚技术对农业生产光、热、水条件 的有利影响。
①使冬季的太阳光照得以充分利用 ②提高了大棚内的温度，使作物在冬季也可种植
（可以减轻冻害，提高农业生产抗灾能力）
③有利于保持、调节大棚内空气和土壤的水分
SUCCESS
THANK YOU
2019/7/30
温度越高，辐射最强部分的波长越短；反之则越长。 太阳辐射为短波辐射，地面辐射为长波辐射
3、对流层大气与地面辐射的关系？
地面辐射（长波辐射）是对流层大气增温的直接热 量来源。
二、大气辐射
1、概念
大气吸收地面辐射增温的同时，也向外辐射能量， 即大气辐射。它属于长波辐射。 射向地面的大气辐射，称为大气逆辐射。
地面辐射和大气辐射
大气主要吸收的是红外光和紫外光，占了太阳辐 射能量绝大部分的可见光没有被吸收，那么太阳 辐射中的可见光部分去了哪里呢？
一、地面辐射
阅读教材P44，思考下列问题：
地面辐射和大气辐射.ppt
地面辐射:地面吸收透过大气的太阳辐射后升温， 同时持续向外（主要是向大气层）释放辐射能 量。
大气辐射：大气吸收地面辐射增温的同时，也 向外辐射能量。
物体的温度越高，辐射的最大能量部分的波长愈短； 物体温度愈低，辐射的最大能量部分的波长愈长。
太阳辐射 短波辐射
地面辐射 大气辐射
长波辐射
太
阳
辐
射
地 大气吸收
大 气
面
辐
吸
射
射向宇宙空 间射
地面增温
地面
“太阳暖大地” “大气还大地” “大地暖大气”
注意：
★太阳辐射是地球的能量源泉；
★地面辐射是对流层大气的主要直接热源；
★大气逆辐射对地面起保温作用，云层越 厚，尘埃越多，大气逆辐射越强。
探究一：在晚秋和寒冬季节，霜冻为什么 多出现在晴朗的夜晚？
深秋的夜晚
哈啾 ，咯吱 咯吱，骨头都 快冻散架了。
云兄弟，深秋夜晚 的你犹如冬日的阳
光温暖着我。
探究一：在晚秋和寒冬季节，霜冻为什么 多出现在晴朗的夜晚？
答：因为晴朗的夜晚大气中的水汽含量少，云量 少，因而对地面长波辐射的吸收能力就弱，进而 导致大气逆辐射弱，对地面的保温作用就弱，所 以容易出现霜冻。
因为月球上没有大气白天太阳辐射不经过大气的削弱作用直接到达月面使月面的温度迅速上升夜晚月面辐射也没有经过大气逆辐射的保温作用温度迅速下降
深秋的夜晚
哈啾 ，咯吱 咯吱，骨头都 快冻散架了。
云兄弟，深秋夜晚 的你犹如冬日的阳
光温暖着我。
陕西延安果农放烟阻霜冻
望城二中 周敏
太阳辐射:太阳以电磁波的形式向宇宙空间放 射的能量。
8、图中，昼夜温差最小的是 （ ）
5．下列四幅图是纬度相同的四地，昼夜温差最小的是( ) 解析：选D。海洋温差小于陆地，阴天的海洋温差小于晴天海洋。
大气辐射：大气吸收地面辐射增温的同时，也 向外辐射能量。
物体的温度越高，辐射的最大能量部分的波长愈短； 物体温度愈低，辐射的最大能量部分的波长愈长。
太阳辐射 短波辐射
地面辐射 大气辐射
长波辐射
太
阳
辐
射
地 大气吸收
大 气
面
辐
吸
射
射向宇宙空 间射
地面增温
地面
“太阳暖大地” “大气还大地” “大地暖大气”
注意：
★太阳辐射是地球的能量源泉；
★地面辐射是对流层大气的主要直接热源；
★大气逆辐射对地面起保温作用，云层越 厚，尘埃越多，大气逆辐射越强。
探究一：在晚秋和寒冬季节，霜冻为什么 多出现在晴朗的夜晚？
深秋的夜晚
哈啾 ，咯吱 咯吱，骨头都 快冻散架了。
云兄弟，深秋夜晚 的你犹如冬日的阳
光温暖着我。
探究一：在晚秋和寒冬季节，霜冻为什么 多出现在晴朗的夜晚？
答：因为晴朗的夜晚大气中的水汽含量少，云量 少，因而对地面长波辐射的吸收能力就弱，进而 导致大气逆辐射弱，对地面的保温作用就弱，所 以容易出现霜冻。
因为月球上没有大气白天太阳辐射不经过大气的削弱作用直接到达月面使月面的温度迅速上升夜晚月面辐射也没有经过大气逆辐射的保温作用温度迅速下降
深秋的夜晚
哈啾 ，咯吱 咯吱，骨头都 快冻散架了。
云兄弟，深秋夜晚 的你犹如冬日的阳
光温暖着我。
陕西延安果农放烟阻霜冻
望城二中 周敏
太阳辐射:太阳以电磁波的形式向宇宙空间放 射的能量。
8、图中，昼夜温差最小的是 （ ）
5．下列四幅图是纬度相同的四地，昼夜温差最小的是( ) 解析：选D。海洋温差小于陆地，阴天的海洋温差小于晴天海洋。
大气中的辐射过程(ppt文档)
有时，把放射性物质的粒子放射也称为辐射。这种粒 子辐射不同于本章论述范围，我们只研究电磁波辐射 的问题。辐射和光一样，都是电磁波，具有波动性， 但同时也具有微粒性。物体的辐射是以光子形式不连 续的发射和吸收的。这里我们不研究辐射过程的内部 机制，只是从能量的观点出发，讨论与辐射热力学有 关的大气中的辐射问题。热辐射就是指物体吸收外界 传来的热量或减少本身内能而产生的辐射，也称之为 “温度辐射”。其他的辐射，如：光致辐射，电致辐 射是指物体靠外部供给的光、电能(称激发能)而进行 的辐射，如荧光风，气体放电发光;化学辐射是靠物体 化学反应过程放出的能量产生的辐射，如磷火(磷氧化 发光)都不属于本章讨论的范围。
(图3.4)，其表达式为
I
Q
t s cos
（3.4）
式中 Q为 t时间 s面积在与此面积的法线成角方向 的 球面度内放出的能量。 显然，辐射通量密度就是单位面积在单位时间内向整 个半球空间所辐射的能量即辐射通量密度F为
F
半球dF
I cosd
半球
0
0
所以对于各向同性的辐射来说，辐射通量密度等于辐射 强度的倍。
辐射强度的单位为：Wm-2sr-1( 瓦·米-2 ·球面度-1)。 对于平行辐射，辐射能是在同一方向传播，射线所的张 立体角为零。这时，只需要知道平行辐射的方向及其辐射 通量密度，就可决定辐射能。一个接受平行辐射照射的表 面，它得到的辐射能量只决定于该面与射线垂直方向上的 投影面积，而与自该面视光源的空间张角大小无关。
电磁波作为一种电场与磁场的交变波动，可以用频 率f，波长l，波数及波速c来描述。 不同波长的电 磁波有不同的物理性质，因此可以拉波长来区分辐射，
并给以都间的名称，称之为电磁波谱。如图3.1 电磁波的范围很广，从最短的字宙射线、射线、x
大气物理学：第五章_3节_大气与辐射相互作用规律(1)
16
17
4、谱线强度s (线强)
• 以某波数为中心的吸收曲线下的总面积 • 谱线强度与谱线线心位置、跃迁几率以
及高低能态的分子数有关. • 热动平衡状态下分子数按能态的分布服
从 Maxwell-Boltzman 定律。
18
5、谱线线型函数
线型函数是描述一条谱线的吸收系数随波 数（或波长、频率）变化的函数。 • 自然增宽型 • 压力增宽——Lorenz 型 • Doppler 型 • 混合型——Voigot 型
30
大气上界太阳辐射 VS 到达地面的太阳辐射
31
19
k
0
ν
20
5.1 自然增宽型和Lorenz 型
k(v) S
L
(v v0 )2
2 L
L 是定值
S 可由谱线汇编资料查到
21
5.2 Doppler 型
k (v)
k(v0 )
exp
l n 2
v v0
D
2
D
v0 c
2kT m
ln 2 3.58 107 v0
T M
k(v0 )
S
c v0
• 单原子分子和对称双原子分子（氦、氢、 氧、氮）对辐射吸收能力差
• 非对称双原子气体（一氧化碳、一氧化氮） 及多原子气体（水、二氧化碳、二氧化硫） 具有较强的辐射和吸收能力
13
2、谱线位置
• 爱因斯坦公式：分子辐射出的频率为 f 的
辐射能
f E / h （h:普朗克常数）
E Ee Eo Er (分子的能量变化)
m
2kT
22
5.3 Voigot 型
k
(v)
k
(v0
第五章辐射103SWRad 大气物理课件
/cfa/ep/broc hure/sao.html
2. 大气外界太阳光谱及太阳常数
太阳辐射谱标准
NASA标准：70年代初，美宇航局用飞机测量， 给出大气上界太阳辐射谱分布，辐照度(即太 阳常数)为1353 Wm-2 。
WRC标准：瑞士达佛斯的世界辐射中心给出的大 气上界太阳谱分布，辐照度(即太阳常数)为 1367 Wm-2 。 WMO仪器与观测方法委员会1981年10月决定采用 WRC标准。
地气系统发射：
4 r 2 Te4
4
在地–气系统达到辐射平衡时，有
S0 π r 2 (1 R) 4π r 2Te
有效温度
Te
4
S0 1 R 4
Te 255k
温室效应(大气保温效应)
大气能使太阳短波辐射到达地面， 但地表向外放出的长波热辐射线 却被大气吸收，这样就使地表与 低层大气温度增高，因其作用类 似于栽培农作物的温室，故名温室效应。
5.4.5地面对太阳辐射的反射和吸收
5.4.5地面对太阳辐射的反射和吸收
2 云的反照率
云的反照率既依赖于云的厚度、相态和含水量等云的宏微观特 性，而且和太阳高度角和下垫面反照率有关
5.4.5地面对太阳辐射的反射和吸收
2 云的反照率
5.4.5地面对太阳辐射的反射和吸收
3. 行星反照率
地球-大气系统的反照率称为行星反照率，它 表示射入地球的太阳辐射被大气、云及地面 反射回宇宙空间的总百分数。
1981年，WMO推荐的太阳常数最佳值为：
2. 大气外界太阳光谱及太阳常数
太阳常数的变化
水平面上太阳辐射通量的计算
入射到大气上界水平面上的太阳辐照度
S0 ' S0 cos S0 d
2. 大气外界太阳光谱及太阳常数
太阳辐射谱标准
NASA标准：70年代初，美宇航局用飞机测量， 给出大气上界太阳辐射谱分布，辐照度(即太 阳常数)为1353 Wm-2 。
WRC标准：瑞士达佛斯的世界辐射中心给出的大 气上界太阳谱分布，辐照度(即太阳常数)为 1367 Wm-2 。 WMO仪器与观测方法委员会1981年10月决定采用 WRC标准。
地气系统发射：
4 r 2 Te4
4
在地–气系统达到辐射平衡时，有
S0 π r 2 (1 R) 4π r 2Te
有效温度
Te
4
S0 1 R 4
Te 255k
温室效应(大气保温效应)
大气能使太阳短波辐射到达地面， 但地表向外放出的长波热辐射线 却被大气吸收，这样就使地表与 低层大气温度增高，因其作用类 似于栽培农作物的温室，故名温室效应。
5.4.5地面对太阳辐射的反射和吸收
5.4.5地面对太阳辐射的反射和吸收
2 云的反照率
云的反照率既依赖于云的厚度、相态和含水量等云的宏微观特 性，而且和太阳高度角和下垫面反照率有关
5.4.5地面对太阳辐射的反射和吸收
2 云的反照率
5.4.5地面对太阳辐射的反射和吸收
3. 行星反照率
地球-大气系统的反照率称为行星反照率，它 表示射入地球的太阳辐射被大气、云及地面 反射回宇宙空间的总百分数。
1981年，WMO推荐的太阳常数最佳值为：
2. 大气外界太阳光谱及太阳常数
太阳常数的变化
水平面上太阳辐射通量的计算
入射到大气上界水平面上的太阳辐照度
S0 ' S0 cos S0 d
《大气科学基础》课件§3 地面和大气辐射
The left Fig. produced by the Earth Radiation Budget Experiment (ERBE) program of the National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) (Harrison et al, 1988), shows a map of outgoing longwave radiation, in Wm-2, for the month of April 1985 under clear-sky conditions.
This fig. shows a composite of the outgoing longwave radiation for 10 Januarys (Bess et al, 1989). A notable feature of this plot is that, while the South American and African minima in outgoing longwave radiation are confined to the continental borders, the longitudinally extended minimum in outgoing longwave radiation over Indonesia is much larger and spans a large area of ocean. This particular region of enhanced amount of deep cloudiness will be discussed when we discuss the Southern Oscillation and El Nino effects.
2025届高考地理教学课件：地球上的大气-大气受热过程和大气运动
①高海拔地区（如青藏高原地区）：地势高→空气稀薄→大气的削弱作用弱→太阳能丰富。
②内陆地区：（如我国西北地区）：气候较为干旱→晴天多、阴雨天少→大气的削弱作用弱→太阳能丰富。
③湿润内陆盆地（如四川盆地）：
变式1 大气受热过程与昼夜温差
［人教必修1-P35图2.10变式］月球表面昼夜温差非常大，白昼时温度高达127 ℃，黑夜时低至-183 ℃。为适应极端环境，“玉兔号”月球车不得不遵守“日出而作，日落而息”的作息规律。图1示意“玉兔号”月球车沉睡了一个月后，“太阳翼”接收辐射，首次醒来的景观。图2为地球表面大气热量交换过程示意图。据此完成1—2题。
大气状况
主要包括大气成分和大气[4]________等状况。大气成分中的二氧化碳、水蒸气有利于大气吸收红外线，增强温室效应；大气透明度与海拔、天气（阴晴等）、大气中尘埃和污染物的含量相关，大气透明度较低时，大气一方面能够在以热量输入为主的白天对太阳辐射有削弱作用，另一方面能够在以热量输出为主的夜间对地面起保温作用
削弱
保温
2.影响大气受热过程的主要因素
大气受热过程可以简化为上图所示。太阳辐射状况（甲）、地面状况（乙）和大气状况（丙）共同影响大气受热过程。
太阳辐射状况
太阳辐射主要受纬度和季节等因素的影响，在空间上具有由低纬度向高纬度[3]______的规律，在时间上具有夏季多、冬季少的特点
递减
地面状况
最具复杂性，它包括地势高低、地形起伏、山地走向与坡向、地表反射率等状况。地面状况的差异导致太阳辐射分布状况更加复杂
1.“太阳翼”接收到的辐射对应图2中的( )
B
A.① B.⑦ C.③ D.⑤
教材素材变式
【解析】根据图2中各箭头的指向判断，①为经削弱后到达地面的太阳辐射，③为大气逆辐射，⑤为地面辐射，⑦为到达大气上界的太阳辐射。月球上没有大气，不存在大气对太阳辐射的削弱作用和大气逆辐射，因此“玉兔号”月球车的 “太阳翼【提示】实质上就是太阳能电池板”接收到的是没有经过削弱作用的太阳辐射，即图2中的⑦。故选B。
②内陆地区：（如我国西北地区）：气候较为干旱→晴天多、阴雨天少→大气的削弱作用弱→太阳能丰富。
③湿润内陆盆地（如四川盆地）：
变式1 大气受热过程与昼夜温差
［人教必修1-P35图2.10变式］月球表面昼夜温差非常大，白昼时温度高达127 ℃，黑夜时低至-183 ℃。为适应极端环境，“玉兔号”月球车不得不遵守“日出而作，日落而息”的作息规律。图1示意“玉兔号”月球车沉睡了一个月后，“太阳翼”接收辐射，首次醒来的景观。图2为地球表面大气热量交换过程示意图。据此完成1—2题。
大气状况
主要包括大气成分和大气[4]________等状况。大气成分中的二氧化碳、水蒸气有利于大气吸收红外线，增强温室效应；大气透明度与海拔、天气（阴晴等）、大气中尘埃和污染物的含量相关，大气透明度较低时，大气一方面能够在以热量输入为主的白天对太阳辐射有削弱作用，另一方面能够在以热量输出为主的夜间对地面起保温作用
削弱
保温
2.影响大气受热过程的主要因素
大气受热过程可以简化为上图所示。太阳辐射状况（甲）、地面状况（乙）和大气状况（丙）共同影响大气受热过程。
太阳辐射状况
太阳辐射主要受纬度和季节等因素的影响，在空间上具有由低纬度向高纬度[3]______的规律，在时间上具有夏季多、冬季少的特点
递减
地面状况
最具复杂性，它包括地势高低、地形起伏、山地走向与坡向、地表反射率等状况。地面状况的差异导致太阳辐射分布状况更加复杂
1.“太阳翼”接收到的辐射对应图2中的( )
B
A.① B.⑦ C.③ D.⑤
教材素材变式
【解析】根据图2中各箭头的指向判断，①为经削弱后到达地面的太阳辐射，③为大气逆辐射，⑤为地面辐射，⑦为到达大气上界的太阳辐射。月球上没有大气，不存在大气对太阳辐射的削弱作用和大气逆辐射，因此“玉兔号”月球车的 “太阳翼【提示】实质上就是太阳能电池板”接收到的是没有经过削弱作用的太阳辐射，即图2中的⑦。故选B。
第五章地面和大气中的辐射过程1
远红外线Aλ远小于1。
实验室可人工制造接近绝对黑体的表面：
应当注意，黑体与黑色物体有区别： 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。 如洁白的雪面对远红外波段的吸收能力比其它物体强。
二、灰体
如果物体的吸收率A<1，但A是一常量，且 不随波长而改变，这种物体称灰体。
电磁辐射
一、描述电磁波的物理量
电磁波可以用频率f、波长λ、波数γ、 和波速c来描述。
单位：f→Hz；λ→μm,nm；γ→cm-1；c→m/s
各物理量的关系是：
* f c 1 f
c
二、电磁波谱
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 的名称，称之为电磁波谱。
气象上常称太阳辐射为短波辐射，以可见光与 近红外波段为主；
称地球、大气辐射为长波辐射，以红外波段为主。
三、斯蒂芬－玻耳兹曼定律
1879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。 1884年玻耳兹曼由热力学理论得出了公式：
FT = σT 4
式中σ=5.67×10-8W/（m2·K4） 为斯蒂芬-波耳兹曼常数。
任何物体，只要温度大于绝对零度(-273oC)， 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。
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。
这种传播能量的方式称为辐射。
通过辐射传播的能量称为辐射能， 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 到地球的唯一途径。
ffbbt是绝对黑体的分光辐出度ct是绝对黑体的分光辐出度c1c22为第一第二常数c为光速h为普朗克常数k为玻耳兹曼常数为第一第二常数c为光速h为普朗克常数k为玻耳兹曼常数1251152112??????tctkchbecehctf??????由普朗克定律可以得到各种温度下绝对黑体的光谱线
实验室可人工制造接近绝对黑体的表面：
应当注意，黑体与黑色物体有区别： 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。 如洁白的雪面对远红外波段的吸收能力比其它物体强。
二、灰体
如果物体的吸收率A<1，但A是一常量，且 不随波长而改变，这种物体称灰体。
电磁辐射
一、描述电磁波的物理量
电磁波可以用频率f、波长λ、波数γ、 和波速c来描述。
单位：f→Hz；λ→μm,nm；γ→cm-1；c→m/s
各物理量的关系是：
* f c 1 f
c
二、电磁波谱
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 的名称，称之为电磁波谱。
气象上常称太阳辐射为短波辐射，以可见光与 近红外波段为主；
称地球、大气辐射为长波辐射，以红外波段为主。
三、斯蒂芬－玻耳兹曼定律
1879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。 1884年玻耳兹曼由热力学理论得出了公式：
FT = σT 4
式中σ=5.67×10-8W/（m2·K4） 为斯蒂芬-波耳兹曼常数。
任何物体，只要温度大于绝对零度(-273oC)， 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。
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。
这种传播能量的方式称为辐射。
通过辐射传播的能量称为辐射能， 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 到地球的唯一途径。
ffbbt是绝对黑体的分光辐出度ct是绝对黑体的分光辐出度c1c22为第一第二常数c为光速h为普朗克常数k为玻耳兹曼常数为第一第二常数c为光速h为普朗克常数k为玻耳兹曼常数1251152112??????tctkchbecehctf??????由普朗克定律可以得到各种温度下绝对黑体的光谱线
5~6.地面和大气辐射
1.地面净辐射 (或地面辐射差额 ) Rn ( Rsb Rsd )(1 r ) aRLd RLu a ( Rsb Rsd ) E0 aRs E0 (W / m 2 )
（1）地面净辐射的日变化
（2）地面净辐射的年变化
2. 地面能量平衡（或热量差额）
Rn H LE G (W / m 2 ) (1)感热通量密度 H CV (t / rH ) 其中 : 空气的容积热容量 CV 1300 / m3 . deg J t t s t a为下垫面与大气的温度 差, rH 为热量输送阻抗 (Re sistan ce _ for _ heat_ transfer 单位 s / m ), (2)潜热通量密度 LE L w (es ea ) L (es ea ) R*T rt RT rt
§2.3 地面和大气辐射
一、地面、大气的辐射和地面有效辐射 二、地面净辐射 二、地-气系统的辐射平衡
一、地面和大气的辐射
（一）地面和大气辐射的表示 （二）大气逆辐射和地面有效辐射
（一）地面和大气辐射的表示(1)
1.地面辐射 RLu ( Long wave _ radiation up ) RLu T 4 0.9 5.67 10 8 288 4 351 .07 (W / m 2 ) 如果把地球作为黑体 , 则RLu 390 .1(W / m 2 ) C 2897 m 10.01m T 288
7
干物质 )所释放的热量 ; Wm为生物学产量 (干重 )
例 : 亩产500 kg稻谷 , 其生物学产量约 1000 kg , 在水稻生长 季节, 每亩面积上接受的太阳 辐射能约为 1.78 101 2 J , 求 其光能利用率 . 解 : 生物学产量的光能利用 率 : 1000 kg / 亩 1.78 10 7 J / kg U 100 % 2.0% 12 1.78 10 J / 亩 50% 经济学产量的光能利用 率 : U 1.0% 答 :略
（1）地面净辐射的日变化
（2）地面净辐射的年变化
2. 地面能量平衡（或热量差额）
Rn H LE G (W / m 2 ) (1)感热通量密度 H CV (t / rH ) 其中 : 空气的容积热容量 CV 1300 / m3 . deg J t t s t a为下垫面与大气的温度 差, rH 为热量输送阻抗 (Re sistan ce _ for _ heat_ transfer 单位 s / m ), (2)潜热通量密度 LE L w (es ea ) L (es ea ) R*T rt RT rt
§2.3 地面和大气辐射
一、地面、大气的辐射和地面有效辐射 二、地面净辐射 二、地-气系统的辐射平衡
一、地面和大气的辐射
（一）地面和大气辐射的表示 （二）大气逆辐射和地面有效辐射
（一）地面和大气辐射的表示(1)
1.地面辐射 RLu ( Long wave _ radiation up ) RLu T 4 0.9 5.67 10 8 288 4 351 .07 (W / m 2 ) 如果把地球作为黑体 , 则RLu 390 .1(W / m 2 ) C 2897 m 10.01m T 288
7
干物质 )所释放的热量 ; Wm为生物学产量 (干重 )
例 : 亩产500 kg稻谷 , 其生物学产量约 1000 kg , 在水稻生长 季节, 每亩面积上接受的太阳 辐射能约为 1.78 101 2 J , 求 其光能利用率 . 解 : 生物学产量的光能利用 率 : 1000 kg / 亩 1.78 10 7 J / kg U 100 % 2.0% 12 1.78 10 J / 亩 50% 经济学产量的光能利用 率 : U 1.0% 答 :略
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• 玻尔的原子理论给出这样的原子图像：电子在一些特定的可能轨道上 绕核作圆周运动，离核愈远能量愈高；可能的轨道由电子的角动量必 须是 h/2π的整数倍决定；当电子在这些可能的轨道上运动时原子不 发射也不吸收能量，只有当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时原子 才发射或吸收能量，而且发射或吸收的辐射是单频的，辐射的频率和 能量之间关系由 E＝hν给出。玻尔的理论成功地说明了原子的稳定 性和氢原子光谱线规律。 • 玻尔的理论大大扩展了量子论的影响，加速了量子论的发展。1915年， 德国物理学家索末菲（Arnold Sommerfeld，1868-1951）把玻尔的原 子理论推广到包括椭圆轨道，并考虑了电子的质量随其速度而变化的 狭义相对论效应，导出光谱的精细结构同实验相符。 • 1916年，爱因斯坦（Albert Einstein，1879-1955）从玻尔的原子理 论出发用统计的方法分析了物质的吸收和发射辐射的过程，导出了普 朗克辐射定律。爱因斯坦的这一工作综合了量子论第一阶段的成就， 把普朗克、爱因斯坦、玻尔三人的工作结合成一个整体。
第五章 地面和大气中的辐射过程
5.3 地球大气与辐射的相互作用
重点： • 吸收光谱、散射特征、布格定律 • 相关物理量
5.3.1 大气吸收的物过程
吸收: 投射到介质上面的辐射能中的一部分被
转变为物质本身的内能或其它形式的能量.
大气中有各种气体成分及气溶胶粒子
对辐射具有选择吸收的特性
是分子和原子结构及其所处运动状态决定的。
Ee：绕原子核转动的外层电子的动能和静电位能
• • • •
An electron some distance from a nucleus has a particular value of potential energy Based on distance from the nucleus and the size of the electric field If you give the electron more energy, it gain potential energy and will move farther away from the nucleus!!! The opposite is also true. When an electron gives up energy to move closer, it will be emitted as a photon of light
分子光谱—举例
其吸收和发射谱由电子轨道跃迁造成，位于紫外
N2和O2分子：对称的电荷分布没有振动或转动谱。 和可见光辐射区。
•
H2O分子的原子呈三角形分布，是极性分子， 有三种振动方式。这三种振动过程都引起电偶 极距变化，产生吸收和发射，而转动和振动态 的结合使得水汽的吸收谱十分复杂。其中第一、 三种为伸缩振动，第二种是弯曲振动。 O3分子的原子也呈三角形分布，有三种振动方 式，其中9.6m的振动转动带比较重要。 CO2分子是以C原子为中心，O原子位于两侧 的线型对称分子，也有三种振动方式，但没有 转动带。 第一种方式是对称振动，因正、负电荷中心仍 然重合，不产生电偶极距变化，故不吸收和发 射辐射；第二种是弯曲振动，电偶极距发生了 变化，因而产生极强的吸收和发射，波数为 2=667 ，波长 2=15 m；第三种是反对 称振动，电偶极距也发生了变化，故也有强烈 的吸收和发射，波数为 3=2349 cm 1，波长 3=4.3 m。
• -eV sign for DE indicates emission (+ eV for absorption) • Visible lines in H atom spectrum are called the BALMER series (里德博等式 )
• Ultra Violet Lyman • Infrared Paschen
• f和为分子吸收或发射谱线的位置。这种谱线由 有限个非常窄的吸收线或发射线组成，其间夹杂 该分子不可能发射和吸收的光谱间隙。
• 吸收光谱与发射光谱是一致的
分子光谱
表 5.3 分子的能级跃迁与吸收线中心波数和波长 能级跃迁 能量差(eV) 吸收线中心波长0 电子跃迁Ee 1~20 0.062~1.24m 振动Ev 0.05~1 转动Er 104~0.05
Emission spectrum of H (cont.)
Light Bulb
Hydrogen Lamp
Quantized, not continuous
分子光谱
• 辐射频率f及波数与能量改变的关系是
f (Ee Ev Er ) / h f e f v f r
(Ee Ev Er ) / hc e v r
分子光谱
• 气体分子或原子内的电子能级跃迁、原子和分子的 振动和转动等所发射和吸收的辐射谱是非连续性的， 构成原子的线光谱和分子的带光谱。 • 单个分子，当它处于某一特定运动状态时，其分子 内部总能量E由三部分组成 E = Ee + Ev + Er Ev：原子在其平衡位置附近振动的能量 Er：分子绕其质量中心转动的能量 （5.3.1）
• • •
The electron is not allowed a leisurely journey from one orbit to another It “jumps” instantaneously Also explains why some frequencies of light emitted by hydrogen are the sum of two other frequencies that are observed
1.24 ~24.8m 24.8 ~12.4cm 403.2~0.8064
吸收线中心波数0(cm1) 161290~8064.5 8064.5~403.2
• 实际分子的转动跃迁常伴随着振动跃迁发生. • 在一个振动带内有许多转动谱线，而转动和振动 能量的变化又常伴随着电子能级跃迁.
• 使相应的谱带更呈现出复杂的带系结构.