(完整版)第二章大气辐射学
合集下载
大气辐射与遥感-第二章 大气辐射基础知识
§2.2.1普朗克定律
W•m-2•μm-1•sr-1
频率域
波长域
§2.2.2斯蒂芬-玻尔兹曼定律
➢ 将物体视为绝对黑体而计算出 的温度成为有效温度，有效温 度低于实际温度。
➢ 斯蒂芬玻耳兹曼定律是分析宽 带红外辐射传输的基础。
§2.2.3维恩位移律
瑞利-金斯近似
(Rayleigh-Jeans Approximation)
➢ 二次散射：一部分单散射的光到达在Q点的粒子上，在此再次 发生向各个方向的散射成为二次散射。
➢ 多次散射：多于一次的散射都成为多次单设。多次散射对辐射 能在大气中的传输是一个重要过程，尤其是在涉及到云和气溶 胶时。
消光
光吸收(absorption)：当光通过材料时，光与材料中的原子 （离子）、电子相互作用时即可发生光的吸收。
Q Q Qr Q
Q Qr Q 1 QQQ
A R 1 A：吸收率; R：反射率; ：透射率
• 大多数的固体和液体： • 不含颗粒的气体： • 黑体： • 镜体或白体： • 透明体：
镜反射与漫反射
课后作业
吸收(absorption) 透过(transmission) 反射(reflection)
米间是布里渊散射。
这种技术可应用于大气水汽遥感！
散射现象分类-3
➢ 独立散射：当大气分子和微粒的间距分开的足够宽，以致每个 粒子散射光的情况严格等同于其他粒子不存在使得情况时的散 射，称之为独立散射。
➢ 单散射：移除了入射光，在P点的粒子通过向各个方向的只散 射了一次的单散射，也即仅对原始的入射光进行散射。
• 辐亮度 (radiance)：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。 亦称为辐射率。
02大气中的辐射
度术，精确测定了臭氧在全 部紫外区域（215-345纳米） 的吸收系数，并发现了若干 新光带
国际臭氧委员会把严济慈精
确测定的吸收系数定为标准 值，各国气象学家用以每日 测定高空臭氧层厚度的变化， 长达３０年之久
2.4.1 大气吸收光谱
CO2
大于2m的红外区：
较强中心： 2.7m、4.3m 、15m 15m最重要
ab ab ab
M
ab
光化反应
分子吸收足够的辐射能分裂为原子；不稳定的 原子结合成较稳定的分子释放多余的辐射能
O2 h f O+O
光化反应所要求的辐射波谱可以为连续谱，只 要其中的波长短到使一个光子所提高的化学能 足以造成分子的光解。其它能量转化为原子的 动能，使气体的温度增高。 地球大气中，大多数光化反应需要有紫外辐射 和可见光辐射。
1. Beer-Bouguer-Lanbert law
August Beer
(1825-1863) German mathematicia n, chemist, physicist
2. 辐射传输的有关物理量
(1)光学厚度
k 'ex d l kex d l
0 0
l
l
k 'ex, d l kex, d l
2.4.1 大气吸收光谱
O3
强吸收带在紫外区：
哈特来（Hhartley）带—最强 哈金斯（Huggins）带—较弱 可见光区：查普尤（Chappuis）带—较弱
O3层吸收太阳辐射的2%—平流层温度高的原因 红外区： 4.7m、9.6m 、14.1m较强吸收带
2.4.1 大气吸收光谱
1932年：严济慈采用照相光
大气辐射
第二章大气的热能和温度第一节太阳辐射第二节地面辐射和大气辐射第三节地球热量平衡第四节大气的增温和冷却第五节大气温度随时间的变化第六节大气温度的空间分布一、辐射的基本知识（一）辐射（二）辐射光谱（三）辐射差额﹙R﹚二、太阳辐射（一）辐射以电磁波的形式向外不停地放出能量，这种传递能量的方式叫辐射，而传递出来的能量称为辐射能。
太阳、地面和大气间能量交换的波长范围0.15－120 μm 。
太阳辐射波长范围很广，但其能量的绝大部份集中在0.15－4 μm之间，习惯称短波辐射。
地面、大气间（简称地－气系统）波长3－120 μm ，习惯称长波辐射。
（气象上通常以4 μm 作为长短波的界限）（二）辐射光谱表示辐射能随波长的分布。
（三）辐射差额﹙R﹚在某一段时间内物体的辐射收支差值，称为辐射差额。
当物体的：收入大于支出，辐射差额为正，物体温度升高；收入小于支出，辐射差额为负，温度降低。
收入等于支出，差额为零，温度无变化。
此时为辐射平衡状态。
二、太阳辐射太阳辐射光谱和太阳常数太阳辐射在大气中的减弱到达地面的太阳辐射地面对太阳辐射的反射（一）太阳辐射光谱太阳辐射中的辐射能随波长的分布称为太阳辐射光谱。
（二）太阳常数在日地平均距离（1.5亿km）处的大气上界、垂直于太阳光线的平面、每分钟每平方厘米面积上得到的太阳辐射能量值，该数值称为太阳常数，用I。
表示。
据测算：I0=1367W/㎡（三）太阳辐射在大气中的减弱大气的吸收作用大气的散射作用云层对太阳辐射的反射（四）到达地表的太阳辐射经大气削减后到达地表的太阳短波辐射由直接辐射和散射辐射两部分组成。
二者之和为到达地表的太阳辐射总量，常称为太阳总辐射。
直接辐射由平行光形式直接投射到地面上的太阳辐射。
影响直接辐射值大小、强弱的两个最主要因素：大气透明度和太阳高度角（h⊙）。
大气透明度好，到达地表的直接辐射量多，反之则少。
太阳高度角（h⊙）愈小，太阳辐射强度愈弱，单位时间、单位面积地表上获得太阳辐射热能（直接辐射）愈少；相反愈多。
大气科学基础第二章
1 辐射概述
01
2 辐射平衡的基本规律
02
3 太阳辐射及其在大气中的衰减
03
4 到达地面的太阳辐射
04
5 地气辐射
05
6 地面辐射差额和气温变化
06
7 地气系统能量平衡
07
第二章 大气辐射学
1.1 辐射的定义
1
1.2 辐射的传播—电磁波
2
1.3 黑体与灰体
3
1.4 辐射场物理量
* 、已知太阳常数为 1367 ，请计算（1）太阳表面的辐射出射度；（2）全太阳表面的辐射通量；（3）整个地球得到的太阳辐射通量占太阳发射辐射通量的份数。
1
2
3
3.1 习题（1）
3.1 习题（2）
* 、设大气上界太阳直接辐射在近日点时为S1，在远日点时为S2，求其相对变化值 。
基尔霍夫定律的意义：
2.2 基尔霍夫定律
2.3 普朗克定律
绝对黑体辐射率仅是波长和温度的函数，单位为W·m-2·μm-1。 第一辐射常数C1=3.7427×108W·μm4·m-2 第二辐射常数C2= 14388μm·K
黑体的积分辐出度ET与温度T的四次方成正比。
2.4 玻尔兹曼定律
5、维恩定律
2
3.2 复习题
黑体辐射光谱极大值对应的波长(λmax) 与其本身温度(T)的乘积为一常数。 （ b=2897.8μm·K） 颜色温度Tc：由光谱测定物体温度。
卫星在火灾监测中的应用
Planck function
Wien’s Law
Stefan-Boltzman law
小 结：普朗克定律给出绝对黑体的分光辐出度与波长、温度的关系，从而绘出黑体辐射光谱曲线，而Wien位移定律描述了曲线中辐射能力最强对应的波长与温度的关系，Stefan-Boltzmann Law则描述了黑体积分辐射能力与温度的四次方成正比，基尔霍夫定律把任何物体和绝对黑体联系起来。
第二节 地面和大气辐射
2、大气的辐射差额：
大气得到的辐射能与大气失去的能量之差 得：大气直接吸收的太阳辐射+地面辐射 失：大气逆辐射+大气辐射到宇宙空间
得—失
R a ( q a E g ) ( E a F )
(qa E g )
( E a F )
R a q a F0 F
整个大气层的辐射差额为负值，也就是说，大 气是通过辐射能量来失去热量的。
（2）大气窗口：
在8—12 µ ，大气中的各种物质吸收地面长波辐 m 射最弱因此这个波段的辐射不受阻挡，可以畅通无阻 的进入宇宙空间投射率最大，而其他波段被大气中的 物质吸收，不能出去，像被墙挡住一样，就像大气特
地为这个波段开了一个窗口一样，所以把这个波段叫
做大气窗口，即大气对这个波段无影响。（P32） 这个波段的辐射，正好位于地面辐射能力最强处， 所以地面辐射有20%的能量经过这个窗口射向宇宙空间。
太阳、地面和大气之间的热传递
削弱作用
太 阳
太阳辐射
地 面
地面辐射
大气逆辐射
保温作用
大 气
大气辐射
宇 宙 空 间
地面辐射
气 大
大气吸收地 面辐射增温
圈
大气逆辐射 把热量还给地面 地面吸收太阳辐射增温
分析比较赤道地区和热带沙漠地区的昼夜温差
30℃ 赤道地区
25℃
40℃ 热带沙漠
15℃
赤道地区
热带沙漠
地面辐射
（Q+q太阳直接辐射和散射辐射） R g ( Q q )( 1 a ) E g E g a为反射率
R g ( Q q )( 1 a ) F 0
地面有效辐射
为正时地面有热量积累，地面温度将上升 为负时地面有热量亏损，地面温度将下降 为零时地温没有变化，处于辐射动态平衡状态
(完整版)必修一地理第二章地球上的大气知识点总结(最全面)
第二章地球上的大气知识点总结2.1冷热不均引起的大气运动2.1.1、大气的受热过程1．能量来源(两个来源)(1)地球大气最重要的能量来源：太阳辐射能。
(2)近地面大气主要、直接的热源：地面。
2．大气对太阳辐射的削弱作用：主要包括吸收和反射。
3．受热过程太阳短波辐射透过大气射到地面⇨地面被加热并以地面长波辐射的形式射向大气⇨大气增温4.影响地面辐射大小（获得太阳辐射多少）的主要因素：纬度因素，太阳高度角的大小不同，导致地面受热面积和太阳辐射经过大气层的路程长短，是影响的主要因素，同时，它的大小受下垫面因素（反射率）和气象因素等的影响。
5.太阳辐射是短波辐射，地面辐射和大气辐射是长波辐射。
6.大气逆辐射并不只在晚上存在。
7.大气受热过程原理在生产和生活中的应用：（１）解释温室气体排放对全球变暖的影响：温室气体排放增多－－吸收地面辐射增多－－气温升高－－全球变暖（２）在农业中的应用：利用温室大棚生产反季节蔬菜；利用烟雾防冻；果园中铺沙或鹅卵石不但能防止土壤水分蒸发，还能增加昼夜温差，有利于水果糖分积累。
【昼夜温差的比较】晴天温差大于阴天，陆地温差大于海洋。
2.1.2热力环流１、热力环流：由于地面冷热不均而形成的空气环流，是大气运动的一种最简单的形式。
形成原因：地面冷热不均。
地面间冷热不均是大气运动的根本原因，水平气压差是大气水平运动的直接原因2．形成过程地面间冷热不均－－空气的上升或下沉－－同一水平面的气压差异－－大气的水平运动【特别提醒】（１）气压高低是在同一水平面上气压高低而言的。
（２）在同一地点，气压随高度的增加尔减小。
（３）大气的垂直运动是地面冷热不均造成的，并非由气压差异造成的。
（４）大气的水平运动称为风，风总是由高气压区吹向低气压区。
３、热力环流的应用海陆风使海冰地区气温日较差减小，夏季气温低，空气较湿润，是避暑的好地方。
【“巴山夜雨”、逆温】山谷和盆地常因夜间冷的山风吹向谷底，使谷底和盆地内形成逆温层，大气稳定，易造成大气污染。
第二章 大气辐射学
第2章大气辐射学
2.1 辐射的基础知识
短波辐射 长波辐射
X-rays Ultraviolet (UV) Visible Near-Infrared (Near-IR) Middle-IR Far-IR Microwave
l < 10nm 10 < l < 400nm 0.4 < l < 0.76µm 0.7 < l < 4.0µm 4.0< l < 30µm 30 < l < 100µm 1mm<l<1m
Q
t r r 2 0
1
t2
S l0
sin sin
cos cos cos Pl dt
m
春分
夏至
秋分
冬至
春分
夏至
秋分
冬至
第2章 辐射与热量平衡
2.4 到达地面的太阳辐射
二、到达地面的太阳散射辐射
由于大气的 存在,到达地表的辐射除太阳直接辐射外，还有从天 空各个方向射的太阳散射辐射，又称为天空辐射。 • 太阳散射辐射取决于太阳高度角、大气透明度系数、云量、海拔高 度、及地面反射率。
E * I * T 4
上式称为Stefan-Boltzmann定律。表明物体温度越高，其放射能 力越强。
推论： 根据Stefan-Boltzmann定律计算的温度称为等效黑体温度或 亮度温度（Brightness temperature）TB。
第2章大气辐射学
2.2 辐射的基本定律
三、Wien定律：
附：立体角定义
球坐标系中，立体角定义为球面面积元与 半径平方之比。若立体角元为 d ，球面 面积元ds，则
ds r sin d rd
《大气辐射学》课件
大气辐射的基本概念和原理
辐射
解释了辐射的基本概念和辐 射能量的传播方式。
辐射平衡
讲述了地球大气辐射平衡的 原理和影响因素。
辐射传输
介绍了大气中辐射的传输过 程和影响因素。
大气辐射的观测与测量方法
太阳辐射观测
介绍了太阳辐射的观测方法和 测量设备。
红外辐射观测
讲解了红外辐射的观测原理和 测量技术。
长波辐射观测
探讨了长波辐射的观测方法和 测量仪器。
大气辐射的影响因素和变化规律
地理位置
解释了地理位置对大气辐射的影响和差异。
季节变化
讨论了季节变化对大气辐射强度和大气污染对辐射能量的影响。
大气辐射对地球和气候的影响
1
全球气候
解释了大气辐射在全球气候系统中的
温室效应
2
作用。
讨论了大气辐射与温室效应的关系和
影响。
3
冰川融化
探究了大气辐射对冰川融化的影响和 加速效应。
大气辐射的应用领域
太阳能利用
介绍了大气辐射在太阳能利用 和光电发电中的应用。
天气预报
讲解了大气辐射在气象预报和 气候模拟中的应用。
农作物生长
探讨了大气辐射对农作物生长 和光合作用的影响。
结论及总结
通过学习《大气辐射学》，您对大气辐射的基本概念、原理、观测方法、影响因素和应用领域有了更深 入的了解。希望本课件帮助您扩展知识领域并激发学术研究兴趣。
大气辐射学
《大气辐射学》PPT课件将带您深入了解大气辐射学的基本概念、原理、观 测方法、影响因素和应用领域，以及其对地球和气候的影响。
大气辐射学的介绍
1 定义和背景
解释了大气辐射学的定义和研究背景。
大气辐射学wp01
定义一个尺度参数
x 2a
当x<<1时，称作瑞利（Rayleigh）散射 当x>或≈1时，称作洛仑茨-米散射（Lorenz-Mie） 图1.4
多次散射过程 图1.5 区分单次散射和多次散射 单次散射：移走了一部分入射光，削弱了原来的光强度。 多次散射：两次以上（含）的散射称作多次散射。被单次散 射移走的光有一部分再次回到原来的传输方向，增强了原 来的光。 单次散射+多次散射，综合作用一般情况下还是削弱了原来 的光强度。
思考：大气辐射过程
大气发射、吸收； 大气辐射在路径上的传输过程，遭遇大气吸收、散射、折射、反射； 大气辐射：太阳（短波）辐射，地球大气（长波）辐射；
问题：大气辐射的控制方程是什么？
力学：牛顿三定律（惯性定律、加速定律、 作用与反作用定律） 电磁学：麦克斯韦方程组 量子力学：薛定谔方程 辐射学：？？？
dE I cosddAddt
单位：
单色辐亮度（radiance）图1.3
Wm ster
2 1
1
基本辐射量
单色辐亮度（radiance）图1.3
dE I cosddAddt
Wm ster
2 1
1
单色辐亮度是单位面积、单位时间、单位波长 和单位球面度上所通过的辐射能量。辐射强度 是来自一定方向的辐射流。
F I
由公式计算得到
F I cosd
0 2 2
0
/2
0
I cos sin dd
辐亮度与辐射通量的测量
？？
辐射强度表（辐亮度），辐射通量表
散射和吸收过程
大气辐射学2
1930年，M. M. Milankovitch
开始较系统地研究地球轨道参数变化对气候变迁的影响，
1930年，M. M. Milankovitch
轨道偏心率(0.0005--0.0607),平均周期约9.8万年； 黄赤交角(22°2′--24°30′),平均周期约4.1 万年; 分点岁差(-0.05--0.05),平均周期约2.2万年. 影响日地距离、公转速率、季节长度、接收的太阳辐射量 首次计算了60万年间不同纬度、不同季节的日照变化， 发现接近夏至点时，日照出现极地的异常分布高于赤道处的现象。 在异常时期，因极地的反射率高，全球热量平衡低于平均值。 认为下半年热量的减少对冰川发育起决定性作用，发现4个低温期与 欧洲的4次冰期对应。 ● 后人对冰岩芯及深海沉积物的研究，给这一假说以有力的支持 近百万年来全球气候存在约10万年、约4.2 万年、2.3万年的准周期
0
200
400
600
Y e a r (K yr B P )
800
1000
岁差
z近似于陀螺的recession
0 .0 6 0 .0 4 0 .0 2 0 .0 0 -0 .0 2 -0 .0 4 -0 .0 6
0
200
400
600
Y e a r (K yr B P )
其中： Γ = 2π (dn − 1) / 365 dn表示儒略日。 ω表示时角，正午为零，上午为正。 日出时角： ωs = cos−1(− tanφ tanδ )
儒略日
Jan. 1-31 Feb. 32-59 Mar. 60-90 Apr. 91-120 May. 121-151, Jun. 152-181 July. 182-212 Aug. 213-243 Sept. 244-273 Oct. 274-304 Nov. 305-334 Dec. 335-365
大气辐射学
大气辐射学：atmospheric radiation研究辐射能在地球大气内的传输和转换过程的学科。
属大气物理学的一个分支。
太阳辐射是大气运动的能源，辐射过程是地-气系统中能量交换的主要形式(见大气环流的能量平衡和转换)。
因此，大气辐射学是天气学、气候学、动力气象学、应用气象学和大气遥感等学科的理论基础之一。
简史从大气科学研究的初始阶段起，大气辐射学就受到人们的重视，历来被认为是气候和大气环流研究的基础。
20世纪20年代，有人根据很简单的假定，计算了地-气系统的辐射收支;30年代提出了辐射传输的基本原理;1950年，美籍巴基斯坦学者S.昌德拉塞卡写了《辐射传输》一书，总结了他在恒星和行星大气辐射传输理论方面的主要工作，对辐射传输的理论和研究方法作出了重要贡献。
60年代，英国R.谷迪和苏联К.я.孔德拉季耶夫等人在行星大气中的辐射传输方面，也作了许多工作，对大气辐射学的研究，起了一定的促进作用。
电子计算机和红外分光技术的发展，使大气透过率（见大气消光）的计算更加精确，气象卫星及其他探测手段的迅速发展和广泛应用，又获得了大量的全球范围的大气辐射资料，这些都更加促进了大气辐射学的发展。
大气辐射学的内容有以下几方面：（1）地-气系统辐射传输的基本物理过程和规律，包括太阳辐射(97％的能量在0.3～3微米波段内，辐射最强的波长在0.5微米附近)，地-气系统辐射（绝大部分能量在4～80微米波段内，辐射最强波长在10微米附近），以及不同地表状态、云、气溶胶、水汽、臭氧、二氧化碳等对辐射传输的影响（见反射率、大气吸收光谱、大气散射、大气臭氧层、温室效应）。
（2）辐射传输方程的求解。
辐射传输方程是描述辐射传播通过介质时与介质发生相互作用（吸收、散射、发射等）而使辐射能按一定规律传输的方程，在地球大气条件下，求解非常复杂，只能在一些假定下求得解析解，因此辐射传输方程的求解，一直是大气辐射学研究的重要（3）辐射与天气、气候关系的研究。
气象学 第二章 辐射
e= hν 或 e=hc/λ h是普朗克常数 c是光速 λ是波长
辐射能的量度单位
(1)量子数单位
用每mol（阿伏加德罗常数6.02×1023)光量子为 单位，1mol光量子称为１Ei.
(2)辐射通量
单位时间通过某一面积的辐射能量，单位是J/s或 Ｗ。
(3)辐射通量密度
单位时间、单位面积上通过的辐射能量，单位是 J/s·m2或Ｗ/m2 。
产生辐射的原因有多种。在气象学中最重 要的是热辐射。
热辐射(heat radiation)：辐射的能量和波 长分布都与温度有关的辐射。
2.辐射能(radiation energy)
根据辐射的粒子学说，电磁辐射由具有一定质 量、能量和动量的粒子组成。每个粒子称为一个量 子或光量子(quantum)，每个粒子所带的能量与其频 率成正比，或与波长成反比：
h正=90°－｜φ－δ｜ 4)太阳高度角随季节的变化
随太阳直射点的移近，h增大 随太阳直射点的远离，h减小 5)太阳高度角随纬度的变化 在太阳直射点以北的地区，h随纬度而减小 在太阳直射点以南的地区，h随纬度而增大
5.太阳方位角
太阳方位角就是太阳光线在地面 上的投影与当地子午线的夹角。
所谓子午线，就是指通过当地的 经线，即正南方和正北方的连线。
辐射能量按波长的分布就是辐射光谱（辐射波 谱）。
从理论上来说，辐射的波长可以从0到∞，但 是能够测出的辐射的波长范围约为10-10 到1010μm， 见下表。
波谱名称 X射线 γ射线 紫外线 可见光 红外线 无线电波
波长范围 10-8～10-2 10-7～10-4 10-4～0.4 0.4～0.76 0.76～103 103～1010
由上式可看出,物体温度越高，发射的辐射峰 值λmax越短。
辐射能的量度单位
(1)量子数单位
用每mol（阿伏加德罗常数6.02×1023)光量子为 单位，1mol光量子称为１Ei.
(2)辐射通量
单位时间通过某一面积的辐射能量，单位是J/s或 Ｗ。
(3)辐射通量密度
单位时间、单位面积上通过的辐射能量，单位是 J/s·m2或Ｗ/m2 。
产生辐射的原因有多种。在气象学中最重 要的是热辐射。
热辐射(heat radiation)：辐射的能量和波 长分布都与温度有关的辐射。
2.辐射能(radiation energy)
根据辐射的粒子学说，电磁辐射由具有一定质 量、能量和动量的粒子组成。每个粒子称为一个量 子或光量子(quantum)，每个粒子所带的能量与其频 率成正比，或与波长成反比：
h正=90°－｜φ－δ｜ 4)太阳高度角随季节的变化
随太阳直射点的移近，h增大 随太阳直射点的远离，h减小 5)太阳高度角随纬度的变化 在太阳直射点以北的地区，h随纬度而减小 在太阳直射点以南的地区，h随纬度而增大
5.太阳方位角
太阳方位角就是太阳光线在地面 上的投影与当地子午线的夹角。
所谓子午线，就是指通过当地的 经线，即正南方和正北方的连线。
辐射能量按波长的分布就是辐射光谱（辐射波 谱）。
从理论上来说，辐射的波长可以从0到∞，但 是能够测出的辐射的波长范围约为10-10 到1010μm， 见下表。
波谱名称 X射线 γ射线 紫外线 可见光 红外线 无线电波
波长范围 10-8～10-2 10-7～10-4 10-4～0.4 0.4～0.76 0.76～103 103～1010
由上式可看出,物体温度越高，发射的辐射峰 值λmax越短。
气象学与气候学课件02大气的热能和温度
3、维恩位移定律
根据研究，黑体单色辐射强度极大值所对 应的波长与其绝对温度成反比，即
λmT=C （C为常数） 上式表明：物体的温度愈高，其单色辐射 的极大值所对应的波长愈短；反之物体的 温度愈低，其辐射的波长愈长。
二、太阳辐射
太阳一刻不停地以电磁波的形式向宇宙空 间放射出巨大的能量，这就是太阳辐射 能，简称太阳辐射。
2、太阳常数——就日地平均距离来 说，在大气上界，垂直于太阳光线 的1平方厘米面积内，1分钟内获得 的太阳辐射能量，称太阳常数 （I。）
（二）太阳辐射在大气中的减弱
对比曲线1和5可以看出太阳辐射光谱 穿过大气后的主要变化有：
①总辐射能有明显的减弱； ②辐射能随波长的分布变得极不规则； ③波长短的辐射能减弱的更为显著。
如果dt时间内通过ds面积的辐射能为dΦ ，
那么辐射通量密度可表示为：
E= dΦ / dt ds
（4）辐射强度I—单位时间内，通过垂直 于选定方向上的单位面积（单位立体角内） 的辐射能，称为辐射强度，单位是W/M2。
（5）E与I之间的关系：
辐射强度与辐射通量密度有密切关系， 在平行光辐射的特殊情况下，辐射强度 与辐射通量密度的关系为
第二章 大气的热能和温度
第一节 太阳辐射
一、关于辐射的基本知识
（一）辐射与辐射能 1、定义
辐射——自然界中的一切物体都以电磁波 的形式向四周放射能量，这种传播能量的 方式叫辐射。 辐射能——以辐射的方式向四周输送的能 量，叫辐射能，简称辐射
辐射能是通过电磁波的方式传播的，电磁波 的波长范围很广，如下图所示。
（2）对不同物体，放射能力较强的物体， 其吸收能力也较强，放射能力较弱，吸收 能力也较弱。
（3）对于同一物体，如果在某温度下，它 放射某一波长的辐射，那么，在同一温度 下，它也吸收某一波长的辐射。
第二章大气辐射学
图5.1
电磁波谱
电磁波谱
紫外线：
uv-A：
uv-B： uv-C：
0.315-0.400 微米
0.280-0.315微米 0.150-0.280微米
可见光
红外线：
近红外： 远红外： 0.7-2.5微米 2.5-1000微米
微波
无线电波
长波、短波：4微米
表5.1 可见光电磁波谱
颜色 紫 青 蓝 绿 黄 橙 红
三.斯蒂芬-玻耳兹曼定律
1879年Stefan 从热力学实验得出：黑体辐射通 量密度E0(T)与其自身热力学温度的四次方成正比。 1884年 Boltzmann在理论上给与了证明。 随着温度的升高，黑体对各波长的放射能力都相 应地增强，因而辐射通量密度也随温度增大。斯 蒂芬-玻尔兹曼定律表明：黑体的辐射通量密度与 绝对温度的四次方或正比，即
F
2
0
2
0
I cos sin dd
2
0
2
I cos sin d d
0
假定辐射是各向同性的(I=常数) F=πI
• 辐射强度J： 辐射强度是指点辐射源在某一方向 上单位立体角内的辐射通量 • 辐射率、辐射通量密度等辐射量随波长的变化
单色辐射通量密度F
λ
dE E E(1 , 2 ) d
• 物体既向外辐射能量，也会吸收外界的 辐射能量。 • 物体放出的辐射等于吸收的辐射，它的 热状态保持不变，此时称为辐射平衡 。
辐射的物理过程
• 辐射都是由带电粒子在原子、分子内部 的轨道跃迁，或原子、分子自身振动或 转动能级的转移而产生的。 • 辐射都具有统一的电磁波本质，在真空 中有相同的传播速度——光速，在媒介 中传播时都会产生干涉、衍射和偏振等 现象。 • 轨道跃迁和振动或转动只允许在某些能 级间进行，两个能级间的能量差是固定 的，从而产生的辐射为量子形式，每一 份能量称为光子。
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
d
o
r
dl
dα r
dα = dl/r
第2章大气辐射学
2.2 辐射的基本定律
一、普朗克函数（The Planck Function）：
黑体单色辐射强度Iλ*与其温度(T)和辐射的波长(λ)之间具有如下的 关系：
Il*
l5
2hc2 ehc / klT
1
其中，h、k及c 依次为普朗克常 数、Boltzmann常数及光速:
lT
第2章大气辐射学
球坐标系中，立体角定义为球面面积元与
半径平方之比。若立体角元为 d ，球面
面积元ds，则
d ds / r 2 sin dd
沿整个球面积分，得整个球面立体角
2
2
d sindd 4
00
00
立体角单位为立体弧度（steradians, sr） 立体角与平面角的比较
ds r sin d rd
(ds)的辐射能dΦ，称为该方向的辐射强度，用Iλ表示，单位为W m-
2 sr-1 μm-1；
Il
d dtddsdl
dΦ I
辐射强度表示辐射场内任一空间点任一
z
ds
时刻任一方向上的辐射强弱，即
θ
I l
I( x ,y ,z, ,,t ,l)
dω
若I与x, y, z无关，则I是均匀；若I与θ, φ
o
y
2.1 辐射的基础知识
短波辐射 长波辐射
第2章大气辐射学
X-rays Ultraviolet (UV) Visible Near-Infrared (Near-IR) Middle-IR Far-IR Microwave
l < 10nm 10 < l < 400nm 0.4 < l < 0.76µm 0.7 < l < 4.0µm
I
I
ds Fλ
辐射度
ds Fλ 辐照度
例如，太阳辐射通量约为3.9×1026W，太阳半径约为7×108m， 则太阳表面辐射通量密度为
F
3.9 1026
4 7 108
2
6.34107W
/ m2
第2章大气辐射学
2.1 辐射的基础知识
二、辐射的度量
(3)辐射通量密度（Fλ）与辐射强度（Iλ）关系： 设沿一定方向（ϕ，θ）的辐射强度为I，
第2章大气辐射学
2.2 辐射的基本定律
三、Wien定律：
黑体辐射的光谱强度（单色辐射能力）最大值对应的波长（λm） 与其热力学温度(T)成反比，
lm
C T
其中，常数C=2897 μm K
太阳辐射(短波辐射): T=6000K, 则λm=480nm;
地球辐射(长波辐射): T=288K, 则λm=10.1×103nm;
4.0< l < 30µm 30 < l < 100µm 1mm<l<1m
第2章大气辐射学
Байду номын сангаас2.1 辐射的基础知识
一、 辐射的基本概念
（4）吸收率、反射率及透射率
Q0 = Qr + Qa + Qd
Qr Q0
+
Qa Q0
+
Qd Q0
=
1
入射 辐射 Q0
反收率 吸射率
r
=
Qr Q0
a
=
Qa Q0
吸收 Qa
无关，则I是各向同性；若I与t无关，则
I是定常。
x
ϕ 方位角
第2章大气辐射学
2.1 辐射的基础知识
二、辐射的度量
(2) 单色辐射通量密度(Monochromatic Radiant Flux Density)：单位
时间(dt)里从各个方向通过单位面积(ds) 辐射能，用Fλ表示，的位 Wm-2μm-1。
则该方向垂直通过单位面积水平面的辐射
能dF为：
dFl I l cos d
于是该水平面上的辐射通量密度F为
F l
dF l
I l
cos
d
半球
半球
2 2
d Il cos sin d
0
0
I l
I cos I
dF
d sin d d
所以，对于各向同性的辐射，辐射通量密度等于辐射强度的π倍。
附：立体角定义
h 6.631034 Js; k 1.381023 JK 1; c 3108 m / s
第2章大气辐射学
2.2 辐射的基本定律
二、Stefan-Boltzmann定律：
将黑体单色辐射强度Iλ*对波长(λ)积分，得黑体辐射强度（I*），即
I *
I
*dl T 4
0l
其中，σ = 5.67×10-8Jm-2K-4s-1，Stefan-Boltzmann常数。
透射率
d
=
Qd Q0
显然， r + a + d =1 ；不透明物体，r + a =1
反射 Qr
透射 Qd
黑体：a = 1；灰体：a<1。
第2章大气辐射学
2.1 辐射的基础知识
二、辐射的度量
(1)单色辐射强度（Monochromatic Radiant Intensity）：沿一定方向
在单位时间 (dt)里通过单位立体角(dω) 及垂直于该方向的单位面积
发出辐射 > 吸收辐射时，物体升温； 发出辐射 < 吸收辐射时，物体降温； 发出辐射 = 吸收辐射时，物体恒温，辐射平衡。 （3）电磁波传播：真空中以光速传播的一组波，具有波长、周期、 频率等波动特征。 （4）电磁波波谱 ：10-6m~103m，包括γ射线、χ射线、紫外线、可 见光、红外线、超短波和无线电波。
第2章 辐射与热量平衡
2.1 辐射的基本知识 2.2 太阳辐射 2.3 地面和大气辐射 2.4 地面及地气系统的辐射差额 2.5 地面热量平衡及地气系统的热量收支 2.6 地面温度和气温的周期变化 思考题
大气科学概论
第2章大气辐射学
2.1 辐射的基础知识
（一） 辐射的基本概念
（1）辐射(Radiation)：能量以电磁波形式的传播。任何物体不断地 吸收来自周围的辐射，同时又向周围发出辐射。 （2）辐射热交换：物体间通过辐射进行的能量交换。
因黑体辐射为各向同性，根据辐射通量密度和辐射强度的关系， 得黑体（单色）辐射通量密度E*，为。
E* I * T 4
上式称为Stefan-Boltzmann定律。表明物体温度越高，其放射能 力越强。
推论： 根据Stefan-Boltzmann定律计算的温度称为等效黑体温度或 亮度温度（Brightness temperature）TB。
第2章大气辐射学
2.2 辐射的基本定律
四、基尔霍夫(Kirchhoff)定律：
物体对一定波长(λ)的辐射强度IλT与其对同一波长辐射的吸收率aλT 之比，等于同温度下黑体对同一波长的辐射强度IbλT
IblT (1 alT )IblT IlT 0
IlT a lT
IblT
或
a lT
IlT IblT