气象学 第二章 辐射

热辐射
辐射
不同电磁波的具体波长范围
名称
紫外线
可见光
近红外
红
中红外
外
线
远红外
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
超远红外
毫米波
微
波
厘米波
分米波
波长范围 100埃～0.4微米 0.4微米～0.76微米 0.76微米～3.0微米 3.0微米～6.0微米 6.0微米～15微米 15微米～1000微米
1～10毫米 1～10厘米 10厘米～1米
λmax辐射能力最强的电磁波波长
例如： 太阳表面温度为6000K，最大辐射波长 λmax=2897/6000=0.48μm
地球表面的平均温度为288K，放射的最 大辐射波长为
λmax=2897/288=10μm
基尔霍夫定律 （Kirchhoff）
物体易发射某波段的电磁波，同时也易吸收相同波 段的电磁波 物体对电磁波的吸收是有选择性的，如大气、水、 玻璃、塑料薄膜、雪等。
太阳辐射概述
2.2 太阳辐射概述
• 波长范围，大约在0.15-4微米之间。 • 能量分布
波长较短的紫外光区7％ 波长较长的红外光区43％ 可见光区50％ • 生理辐射或光合有效辐射
2.2 太阳辐射概述
• 太阳辐射强度 在垂直照射情况下在单位时间内、单位面积 上所得到的辐射能量。
• 太阳常数 在日地平均距离的条件下，在地球大气上界 的太阳辐射强度。1367W/m2
1.辐射的基本知识
黑体与灰体
辐射与电磁波
辐射基本规律
主
2.太阳辐射
要
太阳的高度与方位、昼长变化
内 容
太阳辐射概述 大气层对太阳辐射的影响 到达地面的太阳辐射
与植物的关系
3.地面和大气辐射
地面辐射 大气辐射 大气温室效应
1.辐射的基本知识
辐射定义 电磁波 辐射的基本规律
基尔霍夫定律 （Kirchhoff） 斯蒂芬—波茨曼(Stefan-Boltzman)定律 维恩（Wien）位移定律
第 二 章
辐 射
徦如没有太阳。。。
• 辐射就是物体发射电磁波 • 所有物体都在发射电磁波，也吸收电磁波 • 电磁波就是“光”；光就是电磁波 • 电磁波是一种能量，无处不在，无时不在 • 电磁波是物体间能量交换的重要方式。
• 光是什么？辐射是很危险的东西吗？ • 紫外线消毒的原理？ • 微波炉加热食物的原理？ • 蓝色是冷色，红色为暧色？ • 太阳离地球很远，为何会带给地球温暖？ • 晴朗的天空为何是蓝色的，日落为红色？ • 叶片为何是绿色的？ • 为何夏天穿黑色衣服感觉更热？
可见光波长范围
色彩名称 紫 蓝 青 绿 黄 橙 红
波长范围 0.40～0.43微米 0.43～0.47微米 0.47～0.50微米 0.50～0.56微米 0.56～0.59微米 0.59～0.62微米 0.62～0.76微米
斯蒂芬—波茨曼(Stefan-
Boltzman)定律
• 黑体和灰体 黑体：能将投射到其表面的辐射全部吸收的物体， 如地面、太阳 表面。只能部分吸收的为灰体
• 辐射：物体发射电磁波 • 任何物体(＞－273℃)都会向外发射电磁波 • 电磁波？ • 发射电磁波的强度 • 发射什么样的电磁波 • 物体对电磁波的吸收
墙 振动产生波
带电粒子的振动产生电磁波
所有的物体都由分子、原子等带电粒子组成 所有的带电粒子都在“振动”
“振动”的强烈程度即是“温度” 所有的物体都在辐射电磁波，且与温度有关
2.2 太阳辐射概述
• 辐射强度：w/m2，用能量计算。
• 照度：光照强度，米烛光（lux)，夏日中午 可高达12万lux以上。照明等。
• 光（量）子通量密度：E/ m2· s 1E=6.02×1022个光子，用于光合作用等较 好。
太阳紫外线(UV)（选讲）
• 光照时间= 昼长+曙光+暮光
• 纬度越高，曙暮光时间越长
• 与植物的光周期有关
2.2 太阳辐射概述
• 太阳辐射光谱 • 辐射强度 • 太阳常数 • 辐射强度、照度、量子通量密度
太阳辐射光谱
定义 太阳辐射能随波长的分布曲线。
大气上界的太阳辐射光谱
图中：
实线是大气上界 的太阳辐射光谱；
虚线是温度在 6,000K时的黑体 辐射光谱。
• 广州夏至、春分、冬日正午的太阳高度
• H夏至=90-A+B=90-23+23.5=90.5
•
（180-90.5=89.5）
• H春分=90-A+B=90-23+0=67
• H冬至=90-A+B=90-23-23.5=43.5
天顶 夏至
春分 冬至
北
南
• 北京夏至、春分、冬日正午的太阳高度 • H夏至=90-A+B=90-40+23.5=73.5 • H春分=90-A+B=90-40+0=50 • H冬至=90-A+B=90-40-23.5=26.5
北
地平线 天顶
太阳光线
南
日出正东
春秋分太阳的高度与方位：
正午正南 日落正西
北
地平线
天顶
南 日出东偏北 回归线以北：正南
夏至太阳方位
正午
回归线：天顶
日落西偏北 回归线以南：正北
日出 东偏南 冬至太阳方位 正午 正南
日落 西偏南
昼长的时空变化
• 昼长即是太阳从地平面升起到落下的这段 时间，也叫日长或可照时间。
• 黑体的辐射强度（E）与其表面的绝对温度（T） 的四次方成正比，即： E=σT4 σ=5.67×10-8是斯蒂芬—波茨曼常数。
• 普通物体的辐射强度 E= ε σT4 ε：辐射率
维恩（Wien）定律
物体辐射出各种波长的电磁波（辐射波谱）
物体辐射能力最强的电磁波波长与T成反比 λmax=2897/T （μm）
（大气温室效应原理）
• 铁在常温下为黑色，高温下为白色？ • 黑色的路面、墙面等的温度变化 • 红外测温仪、夜视设备、红外感应等 • 冷血动物（蛇等） • 太阳能的利用
2.太阳辐射
2.1 影响太阳辐射的天文因素 2.2 太阳辐射概述 2.3 大气层对太阳辐射的影响 2.4 到达地面的太阳辐射 2.5 植物与太阳辐射的关系
2.1影响太阳辐射的天文因素
• 太阳的高度、方位、昼长变化 • 太阳高度与方位意义 • 太阳高度日变化、年变化、地区变化 • 正午太阳高度角
• 建筑物朝向、温室顶面倾角、山的南北坡 小气候差别、果园行向、空调安装方位等
• H正午＝90－A+B A: 纬度 B: 太阳赤纬，太阳直射点纬度 春、秋分 0 夏至 23.5 冬至 －23.5 可查表、计算