第三章 地面和大气中的辐射过程(1)

大气窗口：考虑到各种气体吸收的综合影响，有某 些波段大气的吸收作用相对较弱 透射率较高 这 些波段大气的吸收作用相对较弱，透射率较高。这 些能使能量较易透过的波段叫大气窗口。 在可见光-红外区段，大气窗口有：0.3-1.3、1.5-1.8、 2.0-2.6、3.0-4.2、4.3-5.0、8-14 μm。 在微波区段，主要有8mm附近和频率低于20GHz 的波段。
2
点源的辐照度随距离的变化服从反平方规律。
在离辐射源距离相当大并且讨论在相对比较小范围 中的问题时，可把由点源发出的辐射当作平行辐射/平行 光来处理，即在不考虑吸收和散射等因素时，平行光在 任何位置上的辐照度应为常数 在大气辐射中 我们常 任何位置上的辐照度应为常数。在大气辐射中，我们常 把来自太阳的直接辐射看作平行光。 地球离太阳的距离 d=1.5*108km; 地球半径R=6371km；
M ,T A ,T f（ , T ）
如果有几种物体，在同一温度下，对同一波长的 吸收率分别为A1λ，T、 A2λ，T 、 A3λ，T 、 A4λ，T ，辐 射出射度为M1λ，T 、 M1λ，T 、 M1λ，T 、 M1λ，T ，则 有
1 M ,T
A ,T
1

2 M ,T
A
2 ,T
' M,T / A,T M ,T ‘ M,T / M ，T A ，T
,T A ,T
基尔霍夫定律将物体的吸收能力和放射能力 联系起来 只要知道某种物体的吸收率 也就知 联系起来，只要知道某种物体的吸收率，也就知 道了它的比辐射率。而且将各种物体的吸收、放 射能力与黑体的放射能力联系了起来。 射能力与黑体的放射能力联系了起来
物体在温度T、波长λ处的辐射出射度Ms（T、 λ） 与同温度、同波长下的黑体辐射出射度 与同 度 同波长下的黑体辐射出射度MB( (T、 λ)的 的比 值，常用ε表示。
（9）点源
辐射源的几何尺度被忽略，向四周发射是均匀的。若发 射功率为W，则在以点源为中心，半径为r的球表面上的辐 照度为：
E W 4 r
dQ/dt
（3）辐射通量密度（radiant di t flux fl density) d it )
单位时间内，通过单位面积的辐射能量。单位为瓦/平方米。 当辐射是由物体发出的 称为辐射出射度(radiant 当辐射是由物体发出的，称为辐射出射度 ( i exitance) i )， 用M表示。当辐射是照射到物体上的，称为辐照度 （irradiance)，用 用E表示。 表示
（6）黑体
如果某一物体对任何波长的辐射都能全部吸收 ，则 称该物体为绝对黑体。绝对黑体在自然界是不存在的， 但在实验室可人工制造出尽可能接近绝对黑体的表面。 n次反射后 反射辐射为： Rn Q
（7）灰体
图3.3 人工黑体
如果物体的吸收率A不随波长而变，但小于1，则 称该物体为灰体。
（8）比辐射率
M
L ( ) cos d
2
对于朗伯体，M=πL
（5）辐射强度（radiant intensity)
图3.2 辐射亮度
点辐射源在单位立体角、单位时间内，向某 点辐射源在单位立体角 单位时间内 向某一方向发出 方向发出 的辐射能量。常用I表示，单位为瓦/球面度。
I d / d
臭氧（O3）主要集中在20-30km高度的平流层。 最强的吸收带在紫外区 主要吸收带在0.22-0.32 最强的吸收带在紫外区。主要吸收带在 0 22 0 32、 0.32-0.36、0.44-0.80、9.6 μm。臭氧层吸收2%的太 阳能量。 阳能量 二氧化碳（CO2）主要在大于2 μm的红外区有吸 收，比较强的是中心位于2.7、4.3、15 μm的吸收带。
M (T ) T 4
（4）维恩位移定律 黑体辐射光谱的极大值对应的波长λmax与温度成 c 反比，即：
max
T
式中，c为常数，2897.8微米·开。 以温度T=6000K代表太阳，则能量集中在 代表太阳 则能量集中在0.17-4.0 0 17 4 0微 米，极值波长为0.483微米；以温度T=300K代表地面， 则能量集中在3.3-80 3 3 80微米，极值波长为 微米 极值波长为9.659 9 659微米；以温 微米 以温 度T=200K代表大气，则能量集中在5-120微米，极值波 长为14.489 14 489微米。 微米 太阳辐射为短波辐射，以可见光和近红外为主；地 球与大气辐射为长波辐射，以红外波段为主。短波与长 波基本以4微米为分界。在太阳光谱中，可见光（0.390.75微米）的能量占44%，紫外区占8%，红外区占48%。
（2）普郎克定律 对于黑体，普朗克给出了其辐射出射度M与 温度T、波长λ的关系，表示为： 波长λ的关系 表示为：
M (T ) 2hc exp(hc / kT) 1
2 5
1
式中：h为普朗克常数， 为普朗克常数 6.626 6 626·10-34焦/开；k为玻 耳兹曼常数，1.3806·10-23焦/开；c为光速， 2 998·108米/秒；λ为波长；T为热力学温度。 2.998 秒；λ为波长；T为热力学温度 由普朗克定律可以得出各种温度下绝对黑体 的辐射光谱曲线。
太阳辐射强度变化：
d R ) / d 1 .000084 （
2
（10）面辐射源
向2π立体角中发射辐射能，即通过单位面积在面源的 法线方向射出能量。一般来说，辐射面源射向各个方向的 辐照度是不同的，具有方向性。若辐亮度不随方向变化， 这类辐射体称为朗伯体。 朗伯体：向所有方向以同一辐亮度发射辐射的物体。在大 朗伯体 向所有方向以同 辐亮度发射辐射的物体 在大 气辐射研究中，常把太阳、陆地表面看作朗伯面。平静的 水面因有反射，则不能当作朗伯面。
图3.4 不同温度黑体辐射波谱曲线
表3.2不同温度时黑体辐射光谱的特征值
由图和表可以看出不同温度时黑体辐射光谱的差异： 1）理论上，任何温度的绝对黑体都放射0-∞µm波长的辐射， 但温度不同，辐射能量集中的波段也就不同。 2）当温度升高时，各波段放射的能量均加大，辐射能力FT也 加大，且能量集中的波段向短波方向移动。 3）每一温度下，都有辐射最强的波长λmax，即光谱曲线有 一极大值，而且随温度升高，λmax变小。
（1）电ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ辐射 任何物体，只要温度大于绝对零度，都以电磁波 任何物体 只要温度大于绝对零度 都以电磁波 形式向四周放射能量，同时也接受来自周围的电磁波。 一般把这种电磁波能量本身称为辐射能（ 般把这种电磁波能量本身称为辐射能（Q，单位为 单位为 焦耳J），而把这种能量传播方式称为辐射。 不同波长或频率的电磁波有不同的物理特性，可 用波长和频率来区分电磁辐射，并给以不同的名称， 称为电磁波谱。
图3.1电磁波谱 从图3.1中可见：可见光波段是整个电磁波谱中很窄的 一部分 红外波段又分为近红外和远红外波段 无线电波 一部分。红外波段又分为近红外和远红外波段。无线电波 从亚毫米到兆米，其中的亚毫米波到分米波称为微波。 太阳、地球和大气辐射的波长基本在 太阳 地球和大气辐射的波长基本在0.1-120 0 1 120μm，即紫 即紫 外、可见光和红外波段部分。
图3.5 太阳光谱的能量分布
大气中有各种气体成分以及水滴、尘埃等 气溶胶颗粒，辐射在大气中传输时，要受到大 气的影响，其强度、传输方向以及偏振状态都 会发生变化。地球大气与辐射的相互作用主要 有吸收、散射和折射。由于折射过程与能量收 支问题关系较小，这里主要讲述吸收和散射的 作用。 作用
图3.6 地球表面的太阳辐照度曲线
1.2 基本原理
（1）基尔霍夫定律 热平衡：当物体放射出的辐射能等于吸收的辐射能 热平衡 当物体放射出的辐射能等于吸收的辐射能 时，该物体处于辐射平衡。这时物体处于热平衡态， 可用态函数—温度来描述。绝对的热平衡状态并不 温度来描述 绝对的热平衡状态并不 存在，但局地热平衡却普遍存在的。 在热平衡条件下，任何物体的辐射出射度M和 它的吸收率A的比值是一个普适函数。该普适函数 的比值是 个普适函数 该普适函数 只是温度和波长的函数，而与物体的性质无关。
（3）斯蒂芬-玻尔兹曼定律 黑体的辐射出射度与温度的四次方成正比， 即：
M (T ) T
4
式中M 为总辐射出射度（瓦/平方米）；σ为斯 蒂芬-玻尔兹曼常数，5.6697·10-8（瓦/平方 米·开4）；T是发射体的热力学温度（开）。 如果辐射体并非黑体，则在斯蒂芬-玻尔 兹曼公式中引入比辐射率，即：
图3.7（a)太阳与地球的黑体辐射谱；（b）整层大气的吸收谱； (c)11km以上的大气吸收谱；(d)不同气体成分的吸收谱
从图3.7 3 7中可看出：大气中的O2和O3把太阳辐 射中小于0.29μm的紫外辐射几乎全部吸收。在可 见光区 大气的吸收很少 只有不强的吸收带 见光区，大气的吸收很少，只有不强的吸收带。 在红外区，主要是水汽的吸收，其次有CO2和CH4 的吸收 在14 μm以外，大气可看成是近黑体，地 的吸收。在 以外 大气可看成是近黑体 地 面发射的大于14 μm的远红外辐射被全部吸收，不 能透过大气传向空间。 能透过大气传向空间
大气物理学
刘绍民 北京师范大学地理学与遥感科学学院
第三章 地面和大气中的辐射过程
1、基本概念和原理 2、太阳总辐射 太阳总辐射 3、地表反射辐射 地表反射辐射 4、地表与大气的长波辐射 表与大气的长波辐射 5 、地表与大气的辐射平衡
1、基本概念和原理 基本概念和原理 1 1 基本概念 1.1 热量有三种形式的热传递： 传导----通过组成物质的分子相互作用来传递热量。 对流---通过受热物质的物理运动来传递热量。 辐射---以电磁波的形式传热，可在真空中传递。 以电磁波的形式传热 可在真空中传递
表3.1可见光谱区各种颜色与波长的对照
电磁波可用频率f、波长λ、波数υ和波速c来描述，其 关系为：
f c
1


f c
波长单位为μm（10-6 m）或nm（10-9m）；波数的单位是cm1；频率的单位为赫兹（ 频率的单位为赫兹（HZ）。 ）
（2）辐射通量（radian flux)
单位时间内通过某一平面的辐射能，也称为辐射功率，常 用Φ表示，单位为w或J/s。辐射通量也可指单位时间内某个表 面发射或接受的辐射能。
M ( E ) d / dA
辐射通量和辐射通量密度没有规定通过给定表面辐射能量 的来向。
（4）辐射亮度（radiance)
面辐射源在单位立体角、单位时间内，在某一垂直于辐 射方向单位面积上辐射出的辐射能量。常用L表示。单位为 瓦/米2·球面度﹒微米。
L( ) d 2 / d dA cos d
1.3大气对辐射的吸收
大气对辐射的吸收是有选择的。吸收太阳短波 大气对辐射的吸收是有选择的 吸收太阳短波 辐射的主要气体是H2O，其次是O2和O3，CO2吸收 的不多 吸收长波辐射的主要是H2O，其次是 的不多。吸收长波辐射的主要是 其次是CO2和 O3。 水汽 H2O）的吸收带主要在红外区，几乎覆盖了 水汽（ 的吸收带主要在红外区 几乎覆盖了 大气和地面长波辐射的整个波段，吸收了约20%的太 阳能量，并使太阳光谱发生改变。最重要的吸收带在 能 并使太 谱发生 变 最 的 收带在 2.5-3.0、5.5-7.0和>12μm。液态水的吸收带和水汽相 对应 但波段向长波方向移动 对应，但波段向长波方向移动。 氧（ O2）的吸收主要在小于0.25 0 25 μm的紫外区， 的紫外区 太阳辐射在0.25 μm以下的能量不到0.2%，故O2吸 收的能量并不多。 收的能量并不多

3 M ,T
A
3 ,T

4 M ,T
A
4 ,T
f (, T )
当某一物体对该波长为黑体时，其辐射出 射度就等于f（λ、T）。因此，任何物体的辐射 ） 因此 任何物体的辐射 出射度和它的吸收率的比等于同一温度下的黑 体的辐射出射度 在相同温度时 黑体的辐射 体的辐射出射度。在相同温度时，黑体的辐射 出射度是最大的，其它物体都无法超过它。 引入比辐射率的概念，基尔霍夫定律也可写为：