大气科学基础第二章.ppt
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1、第二章 大气辐射学,1 辐射概述 2 辐射平衡的基本规律 3 太阳辐射及其在大气中的衰减 4 到达地面的太阳辐射 5 地气辐射 6 地面辐射差额和气温变化 7 地气系统能量平衡,1 辐射概述,1.1 辐射的定义 1.2 辐射的传播电磁波 1.3 黑体与灰体 1.4 辐射场物理量,1.1 辐射的定义,地球和太阳的辐射,1.1 辐射的定义,辐射能是能量的一种形式,物质以电磁波的形式放射的能量,称为辐射能,而这种能量传播方式称为辐射。,1.2 辐射的传播电磁波,1、传播速度:3108m/s 2、波长范围:10-16m103m : 宇宙射线 射线X射线紫外线可见光红外线(微波)无线电波,(微米),不同
2、电磁波的具体波长范围,可见光波长范围,1.2 辐射的传播电磁波,3、大气科学研究对象:太阳短波辐射、地球和大气长波辐射,1.3 黑体与灰体(1),吸收率 反射率 透射率,水分含量对玉米叶子反射率的影响,不同土壤的反射波谱曲线,各种地表对太阳辐射的反射率(%),以上图表可以说明什么?,物体的吸收率、反射率和透射率大小随着辐射的波长和物体的性质而改变。,1.3 黑体与灰体(2),黑体:若物体对于投射到其上所有波长的辐射都能全部吸收的物体称为绝对黑体。故有: 若物体仅对某一波长辐射能全部吸收,称为相对黑体。,A=1,R=0,灰体:A小于1且不随波长而变化的物体。 若物体不透明,则透射率= ,吸收率A
3、=1-R。,1.3 黑体与灰体(3),实验室黑体:,Q0,1.3 黑体与灰体(3),实验室黑体:,Q0,RQ0,1.3 黑体与灰体(3),实验室黑体:,Q0,RQ0,R2Q0,1.3 黑体与灰体(3),实验室黑体:,Q0,RQ0,R2Q0,RnQ0,吸收率1-Rn,1.3 黑体与灰体(4),黑色物体与黑体的区别? 黑色物体只表明它对可见光的反射性质,而对非可见光的吸收无法判定,而黑体是对整个电磁波谱范围内所有波长或某一特定波长而言,它对辐射是全部吸收的,它考虑的是对辐射的吸收性质。,1.4 辐射场物理量,1、辐射通量:单位时间内通过某一平面的辐射能,也称为辐射功率,单位为J/S或W。 2、辐射
4、通量密度F:单位面积的辐射通量,或是单位面积单位时间内通过的辐射能,单位为Wm-2,辐照度 辐出度,辐射光谱,F:分光辐射出射度或者叫单色辐射通量密度,指物体温度为 T 时,单位时间内从单位表面发出的波长在d附近单位波长间隔内的电磁波能量,它表示热辐射能量按波长的分布。,F,d,F:积分辐出度,表示单位时间通过单位面积全部波长的总辐射能。,已知F可计算空间某一面积A上的辐射通量。 若 ,则辐射通量,1 复习题,1、什么是黑体和灰体?黑体与黑色物体有何区别? 2、辐射通量、辐射通量密度、辐出度、辐照度、分光辐出度、积分辐出度的概念。,第二章 大气辐射学,1 辐射概述 2 辐射平衡的基本规律 3
5、太阳辐射及其在大气中的衰减 4 到达地面的太阳辐射 5 地气辐射 6 地面辐射差额和气温变化 7 地气系统能量平衡,2 辐射平衡的基本规律,2.1 辐射平衡 2.2 基尔霍夫定律 2.3 普朗克定律 2.4 玻尔兹曼定律 2.5 维恩定律,2.1 辐射平衡,当物体放射出的辐射能等于它吸收的辐射能时,物体处于辐射平衡状态,可用态函数温度T来描述,因此平衡辐射又称为温度辐射。,2.2 基尔霍夫定律,在一定温度下,对某一特定波长而言,任何物体的辐出度与吸收率之比是一个普适函数,该函数只与温度和波长有关,而与物体的其它性质无关。即具有选择吸收性: E(,T):绝对黑体的分光辐出度,即某一波长范围内的辐
6、出度。,2.2 基尔霍夫定律,基尔霍夫定律的意义: 它将物体的放射与吸收联系起来了,只要知道某物体的吸收率就可以知道其放射率,反之亦然。 它把各种物质的吸收、放射与黑体的辐射能力联系起来。使我们有可以通过研究黑体的辐射来了解一般物体的辐射。而对于黑体的研究,无论从理论上还是实验上都比较简单。,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Wm-2m-1。 第一辐射常数C1=3.7427108Wm4m-2 第二辐射常数C2= 14388mK,2.4 玻尔兹曼定律,黑体的积分辐出度ET与温度T的四次方成正比。 (=5.669610-8 Wm-2K-4) 有效温度Te:将物体视作绝对
7、黑体时计算出的温度。,5、维恩定律,黑体辐射光谱极大值对应的波长(max) 与其本身温度(T)的乘积为一常数。 ( b=2897.8mK) 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,Wiens 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。,2 习题,1 * 、已知
8、太阳辐射的辐出度 ,其中 为太阳常数,d0为日地平均距离,rs为太阳半径,太阳光谱中最强波长为0.48 m,试求太阳的有效温度Te和颜色温度Tc。 (=5.669610-8 Wm-2K-4, =1367Wm-2 , rs =6.96105Km, d0 =1.496108Km) 2 * 、一不透明物体的辐射通量密度为1396.5Wm-2 ,反射率为0.3,试求其温度为多少摄氏度?,2 习题,3*、一个物体的温度为300 ,其最大辐射能量所对应的波长为多少? 4、试列出平衡辐射四大定律,并简述其含义。,第二章 大气辐射学,1 辐射概述 2 辐射平衡的基本规律 3 太阳辐射及其在大气中的衰减 4 到
9、达地面的太阳辐射 5 地气辐射 6 地面辐射差额和气温变化 7 地气系统能量平衡,3 太阳辐射及其在大气中的衰减,3.1 太阳辐射及日地关系 3.2 大气对辐射的衰减 3.2.1大气对辐射的吸收 3.2.2大气对太阳辐射的散射,3.1 太阳辐射及日地关系(1),1、太阳概况:s-sun e-earth 半径:rs =6.96105Km,re =6370.9Km,rs 109re 质量:ms 3.3105me 体积:Vs 1.36106Ve 表面温度:Ts 5800K 地球接收太阳辐射为181016W, 约为太阳总辐射能量的22亿分之一。,3.1 太阳辐射及日地关系(2),2、日地关系,1月2日
10、,3.1 太阳辐射及日地关系(2),平均日地距离,2、日地关系,1月2日,7月4日,四季的变化是怎么产生的?,3.1 太阳辐射及日地关系(3),3.1 太阳辐射及日地关系(4),3、太阳辐射光谱: 太阳辐射光谱6000K的黑体光谱,其中可见光50%,红外43%,紫外7%,绝大部分能量集中于0.154m,故太阳辐射也称为短波辐射。,图中:实线是大气上界的太阳辐射光谱; 虚线是温度在6,000K时的黑体辐射光谱。,3.1 太阳辐射及日地关系(4),4、太阳常数:当地球位于日地平均距离处,与日光垂直平面上的太阳辐照度。,Average Solar Radiation on a Sphere,3.1
11、习题(1),1、概念:太阳常数 2、试从日地关系解释地球上季节变化的原因。 3 * 、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。,4 * 、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 。 5 * 、设太阳表面为5800K的黑体,地球大气上界表面为300K的黑体,在日地平均距离时,求大气上界处波长为10m的太阳单色辐照度及地球的单色辐射出射度。,3.1 习题(2),6 * 、如果太阳常数增加4%,则太阳表面有效温度升高多少度?地球表面有效温度升高多少度(行星反射
12、率为0.3)?,3.1 习题(3),3.2 大气对辐射的衰减,大气对太阳短波辐射的削弱:主要是吸收和散射作用。 大气对地气长波辐射的削弱:往往只考虑吸收,忽略散射。 3.2.1大气对辐射的吸收 3.2.2大气对太阳辐射的散射,3.2.1大气对辐射的吸收,1、选择性吸收 短波辐射:主要是水汽,其次是氧、臭氧,而 CO2吸收不多; 长波辐射:主要是水汽,其次是CO2和臭氧。 2、大气吸收光谱:,H2O 吸收约20%的太阳能量 几乎覆盖长波辐射整个波段 6.3m振动带 大于12m转动带,2、大气吸收光谱,H2O H2O主要集中在大气下层,吸收作用主要在对流层,特别是对流层下层。 液态水:吸收带与气态
13、对应,波段向长波方向移动。,2、大气吸收光谱,O2 主要在小于0.25m的紫外区: 舒曼-龙格(Schumann-Runge)吸收带 赫兹堡(Herzberg)带 因小于0.25m的太阳辐射能量不到0.2%,而且O2在可见光波段的两吸收带较弱(A带、B带) ,所以对太阳辐射的削弱不大。,2、大气吸收光谱,2、大气吸收光谱,O3 强吸收在的紫外区: 哈特来(Hartley)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(图) 红外区: 4.7m、9.6m 、14.1m较强吸收带,2、大气吸收光谱,2、大气吸收光谱,C
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