3太阳辐射地球辐射大气影响

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3.1太阳和地球的辐射
1.太阳和地球的辐射太阳概况太阳是一个由炽热气体组成的恒星，是地球的最重要能源来源。太阳的主要参数有：质量为1.99×1033g，直径为1.4×109m，表面温度约为6000K(或5900K)，日地平均距离为1.496×1011m(称为天文单位，记为AU)，物质成分有73种元素(按质量%)：氢为71，氦为26.5，氧+碳+氮+氖为2，鎂+镍+硅+硫+铁+钙为0.4，其他为0.1。太阳的结构和辐射如图2.34所示。
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地球概况地球是距离太阳的第三颗行星，形态接近于一个小扁率旋转椭球体。地球的主要参数有：质量为5.976×1027t，平均半径为6.371×106m，表面温度约为平均288K～300K，变化范围在184K～332K。物质成分有100多种元素，主要元素丰度为：Fe>O>Mg>Si>Ni>S>Ca>Al>Co>Na。图2.35地球的构造示意图。地球具有明显的圈层结构，固体圈层主要有地核、地幔、地壳。地球表层有水圈、生物圈，外层有大气圈。地球表层及其水圈、生物圈和大气圈是遥感的对象，它们的特征和变化也对遥感产生重要的影响。地球的结构如图2.35所示。
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E = Φ / AB
2Baidu Nhomakorabea
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= Φ /( BC / cos θ ) = = Φ BC E0 D
2 2
⋅cos θ
E/ 0 D2
cos θ
大气顶界
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图2.38辐照度随天顶角的变化
地球的辐射(短波和长波)地球的能量地球的能量来自太阳辐射和内部放射性元素蜕变的放射能、重力能等。地表能量则主要来自太阳。太阳辐射途经地球大气时，被大气的气体分子、气溶胶和云所散射、反射和吸收，之后约有50%到达地球。而到达地球的太阳辐射的大部分转换为长波(3～120μm)热能，为地球所吸收；小部分被地球表面反射回大气和消耗于植物光合作用、有机物的腐烂、潮汐作用、对流作用等。
太阳光谱太阳辐射能的光谱分布如图2.37和表2.3所示。
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图2.37地球表面的太阳辐照度曲线
太阳光谱是连续光谱(有夫朗和费吸收暗线，图中未画出)，与5900K黑体辐射特性近乎一致，可见光波段辐射最强且稳定，通过大气后各波段受大气的影响不一，但到达地面后被大气吸收作用等衰减了许多。事实上，照射在大气顶界的太阳辐射能，经过大气后，约30%被云层和其他大气反射回太空，约17%被大气吸收，约22%被大气散射散发到地面和外层空间，只有31%的太阳辐射能以直射方式照射地面。
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太阳天顶角对太阳辐照度的影响地球大气顶界的太阳辐照度与太阳的天顶角(或高度角)有关。在忽略外层稀薄大气影响的情况下，近似地有E E = 02 cos θ D其中E0为太阳常数，D为以AU为单位的日地距离。θ为太阳天顶角，图2.38。1/D2因子是由于点辐射源的距离平方反比定律。太阳天顶角(或高度角)随纬度、季节、时间而变化，可由公式求得。
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图2.35地球的形状和构造示意图
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太阳辐射太阳常数太阳是一个近似于黑体的巨大辐射源，地球的能量绝大部分来自太阳辐射。地球在很大程度上可以看作相对太阳而言的二次辐射源。太阳的总辐射功率为38.62×1025J.s-1。离太阳距离为日地平均距离处，垂直太阳光线的单位面积单位时间内接收到的太阳辐射能(即大气顶界的太阳辐照度)称为太阳常数，其值为E0 = 8.25 J.cm-2.min-1(或1.36×103W.m2)，图
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第三章太阳和地球的辐射特性
3.1太阳和地球的辐射3.2大气对辐射传输的影响3.3地表辐射的几何特性3.4地面辐射测量
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对地遥感以地球为探测对象，因此了解地球的电磁辐射的基本环境是必要的。地球辐射环境中有两个最重要的因素，其一是地球本身的辐射，其二是太阳的辐射。若把太阳和地球都近似看作黑体，则由于太阳的温度远远高于地球，地球又处于太阳的强烈辐射之中，因此太阳辐射对地球辐射的影响，还要大于地球本身的辐射，在很大意义上地球可以看成是一个辐射主要来自太阳的二次辐射源。
表2.4地球辐射的分段特性
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或为288，地表平均温度或为255，地表无大气时辐射平衡温度
图2.40与太阳、地球、大气等温的黑体辐射曲线(a)纵轴为对数坐标的辐亮度，(b)对(a)正规化后的辐亮度曲线
2.36所示。太阳辐射在大气上界的分布是由地球的天文位置决定的，称为天文辐射，它受日地距离、太阳高度角和昼长的影响。
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图2.36太阳常数和大气顶界辐照度示意图
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被地球吸收的长波辐射使地表增温。按照基尔霍夫定律，地球又将以长波辐射形式向外空间辐射而降温。当
两者平衡后，地球温度就保持不变的状态，这个状态下的温度称为地球的平衡温度。地球辐射平衡温度为255K，但地球表面实际平均温度为288K，是由于地球大气的温室效应所引起。
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地面不同纬度的辐射能收入与支出情况
美国NOAA卫星1974.4-1978.2实测数据
地表温度的年变化
因此地球的辐射包括地表辐射和大气辐射。这里讨论地表辐射情况。由于地球的常温在300K左右，所以它自身的发射辐射总体上与300K黑体的辐射接近。地表辐射包括对太阳辐射的反射和自身的发射辐射，前者在短波区域，后者在长波区域，中间波长区域则反射和发射兼有，表2.4。