(大气科学基础)太阳、地面和大气的辐射

E dF dA
• 对于放射面所放出的辐射通量密度称为辐射出射率， 又称为辐射能力；
• 对于到达接受面的辐射通量密度称为辐照度；
✓ 辐射强度
单位时间内，通过垂直于选定方向上的单位面积 （对于球面坐标来说，即单位立体角）的辐射能 就是辐射强度
Radiant intensity, I, is the radiant flux per unit solid angle from a point source. Its units are Watts per steradian.
对半球空间求积分，
Earth’s output focus on thermal infrared.
Sun’s energy 0.3–5 µm； Earth’s energy 3–50 µm
• 辐射能的度量
✓ 辐射通量 Radiant flux (radiant power, luminosity), F, is the total radiant energy, Q, per unit time emitted by or incident upon a surface. Its units are Watts.
d
L(x, y, z,t, ,, )
d 2P
dAcosd
θ
d
or
dA
A
L(x, y, z,t, ,, ) dI dAcos
辐射亮度示意图(是给定方向
和辐射源面元法线间的夹角 )
一般辐射体的辐射强度与空间方向有关。有些 辐射体的辐射强度在空间方向上的分布满足：
dI dI0cos
式中，I0是面元dA沿其法线方向的辐射强度。 符合上式规律的辐射体称为余弦辐射体或朗伯体。
✓ 传播辐射能的电磁波具有不同的波长。
热辐射（温度辐射），物体减少本身的内能或者是 物体吸收外界传来的热量而产生的辐射。
long wavelengths
short wavelengths
radio---infra red-----visible-----ultraviolet----X rays-----gamma rays
– all bodies radiate, warmer bodies more
– interactions depend on wavelength
• Conduction:
molecule-to-molecule
– hot to cold temperature
• Convection:
mixing in air or water enhances transfer
F dQ(W) dt
As an example, our Sun has a radiant flux of 3.9x1026 W.
✓ 辐射通量密度（辐射能力or辐射出射度）
Irradiance (flux density, emittance), E, is the radiant energy per unit time passing through unit area. It usually refers to the radiant energy arriving from 2 steradians; that is, from the hemisphere on one side of the surface. In general, the irradiance depends on the orientation of the surface, which can be specified by the unit vector normal to the surface. Hence the irradiance can be thought of as a vector whose direction is opposite to that of the surface normal. Its units are Watts per square meter.
第三章 太阳、地面和大气的辐射
§1 辐射的基本知识 §2 太阳辐射 §3 地面和大气辐射 §4 地面、大气及地气系统的辐射平衡 §5 温室气体效应
The Earth Sun System
Methods of energy transfer
• Radiation: electromagnetic waves propagate through space
T
moves heat & vapor
辐射，指物体以电磁波形式传播能量的过程，通过辐 射过程传播的能量成为辐射能。
✓ 所有物体，只要它的温度高于绝对0度，都要以电 磁波形Байду номын сангаас向外辐射能量；
✓ 辐射能的传播不需要介质；
✓ 辐射能在传播过程中会被吸收或者被反射；
✓ 物体在辐射过程中会消耗能量：消耗本身内能或者 需要外界供给能量；
I dF d
* 立体角
平面角如左图，s为弧长，r为半径。=s/r （rad） 立体角如右图，一个半球，在球面上取一个小面 积，在这个面积周边向球心做射线，则这些射线所 包围的空间即为立体角。立体角的度量用球面度。
s
θr
平面角定义图
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✓ 辐射亮度
考虑到辐射能在不同方向上的差别，引入辐射亮度 的概念。辐射亮度，是指通过某一选定方向上，单 位立体角中单位面积的辐射通量。
将上式代入辐射亮度的定义得到余弦辐射体的辐射 亮度为：
L (x,y,z,t,,,)d d0c c IAo o s sd d0IA
可见，余弦辐射体的辐射亮度是均匀的，与方向
角无关。
由辐射亮度的定义，可得：
L(x, y, z,t,,,) d2P dAcosd
d(dP) LdAcosd
ddAcr2 sindd d(dP)L.cos.sin.d.d.dA
✓ 太阳辐射的波长范围主要在0.15-4微米 ——太阳短波辐射
✓ 地面和大气的辐射波长范围在3-120微米 ——地面长波辐射、大气长波辐射
This accounts for about half of the sun’s output. About 10% is UV, and 40% is infrared.