农业气象学经典课件——辐射

0.01 0.01
0.90
3. 光合有效辐射（PAR）
太阳辐射中对植物光合作用有效的光谱成分称为光合有效辐射。 PAR是Photosynthetically Active Radiation 的英文缩写。PAR的波 长范围在0.4～0.7μm,与可见光基本重合。
PAR占太阳直接辐射的比例随太阳 高度角的增加而增加，最高可达 45%。 而在散射辐射中，光合有效 辐射的比例可达60%～70%之多， 所以多云天反而提高了PAR的 比例。 平均起来，光合有效辐射占 太阳总辐射的50%比较合理。
e=hc/λ=6.63×10-34J.S×3.0×108m/s /0.4×106m =4.97×10-19J
λ 0.4 0.5
E(J) 4.97×10-19 3.97………
E值（kJ) E/J（1J能量含几个爱因斯坦） 299.2 239.4 3.34×10-6(个爱因斯坦光量子群) 4.18…………………..
短wenku.baidu.com 长波
作业2：求人体发射辐射的波长峰值？
T=273+32K
λmax=2897/T＝ 9.48μm
为远红外（长波）
课后练习题
一、名词解释 1.辐射 2.辐射通量密度 3.基尔霍夫定律 4.黑体/灰体 5.斯蒂芬－波尔兹曼定律 6.维恩位移定律 二、填空 1. 长波辐射和短波辐射的波长范围分别为 和 。太阳辐射中99%为 辐射。 2.光合有效辐射（PAR）约占太阳总辐射的 ％， PAR的波长范围是 ，其中光合作用最强和次强的波 长分别是 和 。
7 2
2.太阳表面1s发射的辐射能
E日 ES 4r 2 4.49731027 ( J / s)
3.到达以日地距离d为半径的球面1s受到的太阳辐照能 E日
4.到达此球面的太阳辐射通量密度
Ee E日 / 4d 2 1.599106 (W / m2 )
5.受光照射的半个地球1s得到的太阳辐射能
太阳直射点在南北纬 度23.5°之间变化，南 北23.5°的纬圈叫南北 回归线。 地球上太阳直射点所 处纬度叫赤纬，并用δ 表示，所以太阳赤纬δ 在南北23.5°上变化。 δ在北半球取正值， 南半球为负。 如夏至6月22日（北） δ=+23.5°,冬至12月22 日（南）δ=-23.5°， 春分3月21日和秋分9月 23日太阳直射赤道，则 δ=0
§2.2
太阳辐射
一、太阳和地球 太阳：恒星，是炽热气体球，半径=6· 96×105Km， 是地球半径的109倍，表面温度为6000 K 地球：行星，扁球体，表面平均温度288 K左右, 赤道半径6378.140公里,极半径6356.755公里 平均半径6371.004公里
二、日地关系 地球绕太阳公转，公转轨道（即黄道） 近日点=1470万公里（1月3日） 远日点=1520万公里（7月4日）
发射率
0.98
0.91
0.90
0.90
0.93
0.98
表中发射率是相对
而言。
A.长波 B.短波 C.任意波长
2. 普兰克第二定律
黑体发射辐射分布定律
式中：h是普兰克常数6.63×10-34（J.s），c是光 速3×108m/s，K是波尔兹曼常数1.38×10-23(J/k)。
从右图可看出： 1）T越高，曲 线下面积越大， 发出的总辐射 就越多； 2）发射辐射波 长峰值（即在 这一波长发出 的辐射通量密 度最大）随T下 降向右偏移， 即随温度降低， 发射辐射的波 长峰值就越长。
/ ？？？
/ ？？？ / ？？？ / ？？？
3. 斯第芬—波尔兹曼定律：
物体所发出的所有波长的能量进行积分就得到 物体在一定温度下发出的总辐射能量。即
积分结果：
4 EBT=δT
δ是斯第芬—波尔兹曼常数5.67×10-8J/( m2.s.k4)。
如物体是灰体，则公式前加ε得： ET=εδT4 ET的单位为W/m2，是辐射通量密度单位。
2.自然界物体辐射特性
①辐射通量密度(radiation)： 物体在单位面积上单位时间内发射或吸收、反射、透 射的辐射能量，单位W/m2或J.m-2.s-1。
②吸收率(absorptivity)：
③反射率(reflectivity)： ④透射率(transmissivity)：
其中 如物体不透明则
5） 关于黑体(a=1)和灰体(a <1)
短波
下垫面 土壤 作物植被
短波反射率α 长波吸收率aL
长波
长波反射率γ
L
0.05~0.40 0.15~0.25
0.90~0.98 0.90~0.99
0.1~0.02 0.1~0.01
新雪 旧雪
金属铝箔
0.95 0.4~0.7
0.95
0.99 0.99
0.10
在光合有效辐射波长范围 内，决定植物光化学反应的不 是叶片吸收了多少辐射能量， 而是吸收了多少辐射光量子个 数μEi或Ei。按光化学原理， 一个分子吸收一个光量子，可 以引起一个分子的化学反应。 即要使1 mol的化合物起反应， 则需要吸收1 Ei（爱因斯坦） 的光量子。 因此，在研究辐射与植物 光合作用的关系时，实验所用 观测仪器宜采用光量子辐射仪， 其单位宜采用光量子通量密度 较合理。近年来一些学者作了 大量的有关“不同波长光量子 光合产量测定”的科学实验， 并从量子理论的角度加以证明 后，建议采用光合光量子通量 密度（Ei/(m2· s)或 μEi/(m2·s））表示被植物光合 作用利用的辐射光量子数。
平均距离=1496万公里（4月3日，10月5日）
地球只接收到太阳辐射极窄一束光，所以投射到整 个地球上的太阳辐射，可以近似作平行光处理！！
到达地球 表面的太 阳辐射占 太阳总辐 射的比例 有多大？ 为什么说 只有一束 平行光到 达地表？
1.太阳发射辐射通量密度
ES 7.3510 ( J / m .s)
三、判断 1.在相同能量下,波长越长的光实际所含光量子个数 越多。（ ） 2.某物体对长波辐射反射率高，则它对短波辐射的 发射率就高。 （ ）
四、计算题
1.二个无限长的平板互相平行，中间是真空的。 墙1发出的辐射通量密度是350W/m2,墙2的发射率 ε=0.85，一红外辐射表对着墙2测到的辐射通量密度 是577 W/m2 ，问墙2的温度是多少？（50℃） 2.某灰体的发射率是0.7，发射峰值是4μm ，求 其发射辐射通量密度是多少？如果此物是一个半径 为1.0m的球体，求每秒从它表面散失的热能是多少？ （137.2KJ） 3.一个红外辐射表测地板辐射为460 W/m2 ，但 实际地板本身只发出300 W/m2 ，已知地板发射率为 0.6，天花板发射率为0.9，问此时天花板的温度是多 少？(24.5℃)
0.6
0.7 0.8
3.31………
2.87……… 2.49………
199.5
171.0 149.9
5.01…………………..
5.85………………….. 6.67…………………..
爱因斯坦和爱因斯坦值： 采用爱因斯坦值“E”作为光量 子所携带的能量，即1mol光量子，也叫1个爱因斯坦（ 6.02×1023 个光量子）所携带的能量E =e×6.02×1023 。1 个爱因斯坦指的是6.02×1023个光量子数。
• 0.1 2.3233*10-180 3.8592*10-198 / ？？？
• 0.4 9.2324*10-20
• 3.0 3.5984*1024 • 10 3.4351*1027 • 100 3.1048*1025
1.5336*10-37
5.9775*106 5.7062*109 5.1757*107
普朗克定律说明：某物体，当温度一定(如：太 阳6000K，地球平均为288K)，它是可以发出不同 波长的辐射的；当给定一个波长λ后，就可计算出 此物体在这个温度下，所发出的这个波长λ的能量 是多少。
思考和讨论： 太阳和地球的辐射光谱曲线关系如何？
讨论并判断：
(1).太阳辐射是短波辐射，地球辐射是长波辐射。
光量子
CO2＋H2O 叶绿体 (CH2O)n＋O2↑
光合产量的多少与作物所吸收的辐射能的多少无关,而 与作物所吸收的光量子个数有关。 为了解植物光合作用的强弱进行的辐射强度的测量仪 器要测的是在光合有效辐射即（0.4～0.7μm波段）的光量 子数，个数越多，说明光合作用越强。 测PAR要用光量子仪测出光量子个数，测光照强度要 用照度仪测出辐射能强弱。
作业1：求太阳和地球发射的辐射通量密度(W/m2）？
已知：太阳半径＝6· ×105Km，T=6000K，ε＝1.0； 96 地球平均半径＝6.37×103Km，T=288K，ε＝0.95。
太阳： ET=εδT4 = 5.67×10-8 ×（6 ×103）4 ＝7.35 ×107 （W/m2） 地球： ET=εδT4 = 0.95× 5.67×10-8 ×2884 ＝3.7 ×102 （W/m2）
E地 Ee r地 ＝2.038510 （J / s）
2 20
6.地表得到的太阳辐射占太阳总辐射的比例
E地 / E 日＝4.03275 108
地表只接收到太阳辐射的亿分之四，所以投 射到整个地球上的一束太阳光，可以近似作平 行光处理。
三、四季的形成
地球围绕太阳公转时地轴始终和公转轨道（黄道） 平面保持66.33°的倾角，所以地球始终斜着自转,因而 一年中太阳有时直射北半球有时直射南半球。
第二章
• • • • 辐射的基本知识 太阳辐射 地面和大气辐射 辐射与农业
辐射
§2.1辐射的基本知识
一、辐射的基本概念 自然界中的一切物体,只要温度在绝对温度零 度以上,都以电磁波的形式时刻不停地向外传送热 量,这种传送能量的方式称为辐射。物体通过辐射 所放出的能量，称为辐射能，简称辐射。 辐射是以电磁波的形式向外放散的。是以 波动的形式传播能量。
╳
地球发射的λ＝0.1～ 3.0 μm的短波辐射Ee 0
(2）.太阳发出的长波辐射比地球的长波辐射少。
╳
计算并思考
• 1.地表发射波长为0.1 μm 、0.4 μm 、3.0 μm、10.0μm 和100μm的光量子个数及光量子通量密度？
• 波长 量子个数 通量密度μEi.m-2.s-1 /μmol.m-2.s-1
作业2.求太阳和地球一天（24小时）发射的 辐射能量（KJ）？
太阳一天发射辐射能：
E’=7.35 ×107 × 24 ×3600 ×4 ×3.14 ×（6.96 ×108）2
＝3.86 ×1028 （KJ）
地球一天发射辐射能：
E’=3.7 ×102 × 24 ×3600 ×4 ×3.14 ×（6.37 ×106）2
不同光谱成份对植物的作用是不同的。各种波长对植物 的作用如下： 1). 波长＞1.0μm的辐射，被植物吸收转化为热能，影响 植物体温和蒸腾，可促进干物质积累，不参加光合作用。 2). 1.0～0.7μm的辐射，只对植物伸长起作用，其中0.70 ～0.80μm称远红外光，控制开花与果实的颜色。 3). 0.7～0.6μm的红光、橙光可被叶绿素强烈吸收，光 合作用最强。 4). 0.6～0.5μm的光,主要为绿光,低光合作用与弱成形作 用。森林反射绿光而呈绿色。 5). 0.5～0.4μm的光主要为蓝、紫光，被叶绿素和黑色 素强烈吸收，次强光合作用。 6)．波长0.40～0.32μm的紫外辐射起成形和着色作用， 如使植物变矮、颜色变深、叶片变厚等。 7). 波长0.32～0.28μm紫外线对大多数植物有害。 8). ＜0.28μm的远紫外辐射可立即杀死植物。
＝1.63 ×1019 （KJ）
4. 维恩位移定律：
用求极大值的方法，对普朗克定律的λ求导
即当
并得到公式：
时，有极大值出现。
λmax=2897/T
T的单位用K，得到λmax单位为μm。
作业 1：分别求算太阳和地球发射辐射的波长峰值？
太阳发射辐射峰值： λmax=0.48 μm 地球发射辐射峰值： λmax=10.06 μm
二、辐射的基本定律
1.基尔霍夫定律 俄国科学家基尔霍夫（Kirchhoff）发现：在 自然界中，在一定温度下，物体对某波长的吸收 率等于该物体在同温度下对该波长的发射率。
黑体吸收能力最强，那么它的反射能力就最弱
解释：为什么冬季化雪融冰要往地上一些撤土？
思考并讨论： 表2.7 不同下垫面的发射率
下垫面 黄土 灰土 黑土 浅草 麦地 森林
波
粒
两
象
性
！
1、光谱 波！


c
粒！
2、光量子（quantum)
普朗克第一定律：
其中：h—普兰克常数,它等于6.63×10-34J.S， c—光速=3×108m/s，λ—波长 (μm)。 从公式看出：波长越短,e就越大，即：波长超 短，每个光量子所带的能量越多。 例：0.4μm是可见光中的蓝紫光，它的每个光量 子所含能量是多少？