大气辐射学1

dEλ Iλ = cos θdΩdλdtdA
辐亮度
辐亮度：在辐射传输方向上的单位立体角 内，通过垂直于该方向的单位面积、单位波 长间隔的辐射功率（辐射通量密度）。亦称 为辐射率。 辐亮度表示辐射场内任一点在任一方向上、 任一波长处辐射的强弱程度。
辐射通量（radiation flux）：
指单位时间通过某一平面的辐射能（各种 波长的电磁波传输的能量）。 辐射通量也可指单位时间内某个表面发射 或接收的辐射能。
F = πL
当辐射通量密度是由一个发射面射出时， 则此量称为辐出度（emittance）；当按波长 表达时，它称为单色辐出度。 （monochromatic emittance）。
大气辐射学
刘玉芝
兰州大学大气科学学院 2009 年 9月
第1章 大气辐射基本知识
1.2 黑体辐射定律
黑体的定义 黑体辐射定律
大气辐射学
刘玉芝
兰州大学大气科学学院 2009 年 9月
第1章 大气辐射基本知识
1.1 辐射的基本概念
辐射：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 时也接收来自四周的电磁波。 这是由物质的本性决定的，是由物质本身 的电子、原子、分子运动产生的，一般把 这种电磁波能量本身称为辐射能，简称为 辐射；而把这种能量传播方式称为辐射。
出勤要求
不定时点名 有特殊情况者，须向院办请 假，假条盖章后再交予我
书目
教材以 《 大气辐射导论 》 （第 2 版），廖国男著， 气象出版社。为主 ，以下书目为辅： 《大气辐射学基础》，尹宏著，气象出版社。 《大气物理学》第二篇，盛裴轩、毛节泰等著， 北京大学出版社。 《大气辐射学》讲义，石广玉著，中国科学院研 究生院 《 大气辐射学 》- 刘长盛、刘文保著（南京出版 社） Goody, R. M., Atmospheric radiation, Oxford Uni. Press, 1964.
2
1 0.5 0 -0.5 1000 1500 2000
1
0
（IPCC 2001）
Global Temperature (°C)
未来气候如何变 化？
5
From IPCC 2007
人类活动所造成的大气成分的变化（如温室气体和 对流层气溶胶的增加）以及自然原因（如火山喷发 和太阳变化）对气候系统的扰动，首先是对大气辐 射场的扰动；
1958年以来在美国夏威夷冒纳罗亚观测到的 大气CO2浓度的变化
冒 纳 罗 亚 o o (19 32'N,155 35'W,3397m.a.s.l)
380
浓度 (ppmv)
360
340
320
1955
1960
1965
1970
1975
1980
1985
1990
1995
2000
2005
2010
380
南极 o o (89 59'S,24 48'W,2810m.a.s.l)
太阳辐射与地球辐射的差别
太阳表面的温度和地球大气的温度差别很大，两者辐射能量 集中的光谱段是不同的。
上图分成三段
0 ~ 1000 µm.K 1000~ 24000µm.K 24000~∞ µm.K 第一、第三段的辐射能量不到总能量的 1%，辐射能量集中在第二段。
太阳（6000K）能量集中在0.17~4.0µm 地面（300K）能量集中在3.3！80µm 大气（平流层下层。200K）能量集中在 5~120µm。
(2) Kirchhoff定律：
在热平衡条件下，任何物体的辐射率（辐出度） F 和它的吸收率 A 之比值是一个普适函数。且 该普适函数只是温度和波长的函数，而与物体的 性质无关。表示为：
λ ,T
λ ,T
F A
λ ,T λ ,T
=
f (λ ,T )
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。 在相同温度时，黑体的辐出度最大的，其他物体 都无法超过它。
如果定义向下为正，向上为负，则净辐射通量密度为：
Fλ = Fλ + Fλ
*
↓
↑
辐射源
往外发射辐射的物体称为辐射源。
点源
点源的辐照度随距离的 变化服从反平方规律 平行辐射特点：
在不考虑吸收和散射等 因素时，平行光在任何 位置上的辐照度为常 数。
W E= 4πr 2
辐亮度概念不再适合
因为辐射能在同一方向 上传播，立体角为零。
面源
面源特点：可以向2π立体角中发射辐射能。 辐出度：通过单位面积在面源的法线方向射出 的能量。 朗伯面：若辐亮度不随方向而改变，这类辐射 体称为朗伯面。（例如：太阳，陆地是朗伯 面，平静的水面不是朗伯面） 朗伯体：向所有方向以同一辐亮度发射辐射的 物体。
朗伯定律
对于朗伯体（朗伯面），其辐亮度和辐出度之间的关系：
引出的概念
有效温度：根据斯-波定律将物体视作绝对 黑体而计算出的温度。 色温：由维恩位移定律求出的温度。
由辐射最强的波长可以确定绝对黑体的温度， 这是用光谱方法测定物体温度的基础。
有了上述四个规律，黑体辐射的规 律就全部确定了。对于非黑体，只 要知道了它的温度与吸收率，通过 基尔霍夫定律，其辐射光谱也就确 定了。
大气辐射学的理论基础是大气分子光谱学 和电磁波传播 (辐射传输) 理论 。 大气辐射学的基本研究内容是太阳辐射和 热辐射在大气中传输的物理过程和基本规 律，以及地气系统的辐射收支。
学习大气辐射学有何意义？
气候变化！！！ 当代气候变化的研究离不开大气辐 射学的研究！
全球气候变化愈来愈成为一个热点问题
何谓“大气辐射学”？
什么是大气辐射学？ 大气辐射学研究什么内容？
Байду номын сангаас
大气辐射学是研究大气中辐射传输的规律 及地球大气辐射能量收支的学科。它在当 代气候模拟研究中占有极为重要的地位。 大气辐射学的主要目的是了解和定量分析 在行星大气中分子、气溶胶、云、地面与 太阳及行星辐射的能量交换作用，其进展 与辐射传输的理论和各种波长的辐射仪探 测的发展密切相关。
称太阳辐射短波辐射，以可见光和近红外为主； 称地球辐射和大气辐射为长波辐射，以红外波段为主； 短波和长波辐射基本上以4µm为分界。
定义物体的放射能力和黑体的辐射能力之比为比辐射率：
ε λ ,T =
则有：
Fλ ,T FB (λ , T )
ε λ ,T = Aλ ,T
结论；物体的比辐射率等于其吸收率。
基尔霍夫定律的意义
将物体的吸收能力和放射能力联系了起 来，只要知道了某种物体的吸收率，也就 知道了它 的比辐射率； 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。
1、 电磁波频谱
电磁辐射
电磁波的描述：
λ ⋅ f = c,
波长 频率 波速
f = . ν = c λ
波数
1
电磁波谱：不同波长或频率的电磁波有不同 的物理特性，因此可以用波长和频率来区分 电磁辐射，并给以不同的名称，称之为电磁 波谱。
电磁波谱
μm
可见光波段是整个电磁波谱中很窄的一部分； 红外波段可分为近红外与远红外波段； 无线电波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范围：0.1-120µm， 包括了紫外、可见光和红外波段。 太阳辐射的能量集中在波长小于4µm以下的可见光和近 红外波段； 地球大气辐射的能量主要在4µm 以上的中红外和远红外 波段。
(3)Stefan-Boltzmann定律：
Eb =
∫0
∞
E b λ d λ = ∫0
∞
c1λ − 5 ec
2
(λT )
−1
dλ = σT 4
式中，σ= 5.67×10-8 w/(m2⋅K4)， 是Stefan-Boltzmann常数。 此定律表明：黑体发射的辐射通量密度与它绝对温度 的四次方成正比。
370
浓度 (ppmv)
360
350
340
330 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
380
瓦里关 o o (36 17'N,100 54'E,3810m.a.s.l)
浓度 (ppmv)
370
360
350
1990
1992
1994
1996
1998
2000
2002
2004
黑体的定义 黑体：是指能吸收投入到 其面上的所有辐射能的物 体，是一种科学假想的物 体，现实生活中是不存在 的。但却可以人工制造出 近似的人工黑体。 灰体：吸收率A不随波长而 变，但A<1，则称该物体为 灰体。 黑体示意图
黑体辐射定律
黑体辐射定律对了解吸收和发射过程而言 是基础知识。 支配黑体辐射的四个基本定律：
辐射强度与方向无关时，即各向同性辐射， 辐射通量密度为：
Fλ = πI λ
计算水平面上辐射通量密度方法
0 - π/2
θ 上端 τ=0
下端
τ=τ1
π/2- π
⎧ F ↑ = 2π π 2 I ⋅ cos θ ⋅ sin θdθdϕ , ∫0 ∫0 λ ⎪ λ ⎨ ↓ 2π π ⎪ Fλ = ∫ ∫ I λ ⋅ cos θ ⋅ sin θdθdϕ 0 π 2 ⎩
辐射通量密度（radiation flux intensity）：
辐射场内任一点处通过单位面积的辐射通量称为 辐射通量密度，也称为辐照度（irradiance）。
Fλ = ∫ I λ cos θdΩ
Ω
辐射通量密度与辐亮度的关系
Fλ = ∫ I λ cos θdΩ
Ω
意义： 对于某空间平面，通过该平面的辐射通 量密度可认为是从各个方向射来的辐亮 度在法线方向分量的累加。
IPCC TAR WG1 2001:
过去140年间，全球 平均气温上升0.6 度； 20世纪是过去1000年 里，北半球温度上升 幅度最大、持续时间 最长的一个世纪； 1990年代，是过去 1000年里，北半球最 暖的十年。
6
4
未来100年里，温度将上升 1.5-5.8oC 巨大的不确定性主要来自，缺乏对控制气候系统 的物理机制和反馈过程的认识，诸如云-气候反 馈等。 N.H. Temperature (°C) 3
普朗克（Planck）定律 基尔霍夫（Kirchhoff）定律 斯蒂芬-玻尔兹曼（Stefan-Boltamann）定律 维恩（Wien）位移定律
(1)Planck定律：
B (
λ
,
T
)
=
1
π
F
B
(
λ
,
T
)
=
c
π
1 (
λ
λ
− T
5 )
e
c
2
−
1
FB(λ,T) =
e
c2 (λT )
c1λ
−5
−1
式中，λ— 波长，m ； T — 黑体温 度，K ； c1 — 第一辐射常数，3.7427×108 Wm-2μm4； c2 — 第二辐射常数，1.4388×104 μmK；
大气辐射学
刘玉芝
兰州大学大气科学学院 2009 年 9月
敬请注意:
由于本课程的所有课件仍然有很多需要 改进的地方，因此，在未征得我同意的 情况下，请勿将本课程的课件传予他 人，一旦发现，将会追究其责任！
授课时间、地点
课堂要求
课堂上请不要吃东西，如果没有吃饭， 可以吃完后再进教室； 有问题可以示意老师，也可以下课后给 老师提出； 上课时不要接打手机，手机最好关机
2、描述辐射能量传输的物理量
立体角
Ω
σ
r
Ω=
σ
r2
dσ = (rdθ )(r sin θdφ )
dσ dΩ = 2 = sin θdθdφ r
立体角内的微分辐射能量：
dEλ = I λ cos θdAdΩdλdt
单色强度（辐亮度）：
单位面积、单位时间、单位波长和单位球面度上所通过的 能量。 单色强度（specific intensity）：
Stefan-Boltzmann定律的意义
可以由温度求出绝对黑体的积分辐出度； 也可由积分辐出度反求其温度，是利用辐 射方法测量物体温度的基础。
(4)Wien位移定律：
黑体辐射最大强度的波长与温度成反比。
a λ max = T a = 2897 .8μmK
根据Wien位移定律，若已知一绝对黑体的温度， 就可求出它辐射最强的波长。反之，由辐射最强的 波长也可以确定绝对黑体的温度。 由Wien位移定律求出的温度称为颜色温度，或简称 色温。
2006
CO2浓度的垂直分布（引自日本东北大学中泽、青木等人）
From IPCC2007
发生在气候系统中的各种重要的反馈过程， 例如雪冰反照率 / 地面温度反馈、云 - 辐射相 互作用、水汽反馈以及化学-气候反馈等，无 一不与辐射过程有关。
地球气候系统反馈过程示意图
图1-1 (from Peixoto and Oort, 1992）
黑体光谱辐射随波长和温度的依赖关系。
不同温度时黑体辐射光谱的不同
随着温度的下降，辐射能量集中的波段向 长波方向移动； 当温度升高时，各波段放射的能量均增 大，总辐射能也随之迅速增大，且能量集 中的波段向短波方向移动； 每一温度下，都有辐射最强的波长，即光 谱曲线有一极大值，而且随温度色和那个 高，波长变小。