(AP03)辐射概念规律.ppt

大气运动的能量来源于太阳辐射，地面和大气中的辐射过程从大尺度开始控制了地球大气系统的能量平衡，从而决定了地球气候的基本特征。 大气辐射学：研究辐射能在地球-大气系统内传输和转换的规律及其应用，属大气物理学的一个重要分支；是天气学、气候学、动力气象学、应用气象学、大气化学和大气遥感等学科的理论基础之一。,第五章 地面和大气中的辐射过程,FAQ 1.1, Figure 1. Estimate of the Earths annual and global mean energy balance. Source: IPCC_AR4_Kiehl and Trenberth (1997).,学习、研究的意义,辐射能是地面和大气的基本能量来源，辐射是地气系统与宇宙空间能量交换的唯一方式。 辐射传输规律是大气遥感的理论基础。 数值天气预报中需要定量化考察大气辐射过程。 气候问题辐射强迫。,5.1 辐射的基本知识,5.1.1 电磁波谱 5.1.2 描述辐射场的基本物理量,5.1 辐射的基本知识,自然界一切物体都时刻不停地以电磁波的形式向四周传递能量，同时也接收外界投射来的电磁波，这种能量传递的方式称为辐射。 以这种方式传递的能量，称为辐射能。 以横波形式在空间传播，速度即光速。,5.1.1 电磁波谱,c = speed of light in a vacuum = 3.0 x 108 m/s l = wavelength (m) v = frequency (1/s or s-1),例：波长10 m对应的频率和波数？, = c, E = h v = h c / l,E = Energy (joules, or j), h = Plancks constant = 6.63 x 10-34 j -s, v = frequency (1/s or s-1) c = speed of light in a vacuum (m / s), l = wavelength (m),Electromagnetic radiation is characterized by its frequency , wavelength , wave number or photon energy,不同波长的电磁波有不同的物理特性，因此可以用波长来区分辐射，并给以不同的名称，称之为电磁波谱。,例如：紫外线：uv-A(0.315-0.4), uv-B(0.28-0.315), uv-C(0.150-0.28) unit: um 红外线：近红外(0.7-2.5)，远红外(2.5-1000)；微波：1mm到1m波段。,Most significant spectral regions associated with radiative energy transfer in atmosphere lie between ultraviolet light and microwaves.,预备知识 通量的概念,平方反比定律：表示辐射能通过空间传播方式的原则,表示光的强度与到光源的距离的平方成反比。,5.1.2 描述辐射场的物理量,立体角概念：锥体所拦截的球面积与半径r的平方之比，单位为球面度（sr: Steradians）。,Solid angle units are steradians sr. For a sphere of surface area 4r2, the solid angle subtended by the entire sphere is 4, by a hemisphere is 2, etc.,立体角的计算,辐射场物理量包括： 辐射能； 辐射功率； 辐射强度； 辐射通量密度； 辐亮度，等。,辐射能Q：焦耳、热力学卡（1k=4.1840J）； 辐射功率（或Radiant Flux 辐射通量W）： 单位时间内通过任意表面的辐射能量，单位J/s。,辐射强度I：点辐射源在某方向上单位立体角内传送的辐射通量。,辐射通量密度E (Radiant Flux Density) 单位时间通过单位面积的辐射功率，单位为W/m2。 设面元为dA，则E为： 当表示面元接受的F时，又称辐照度（Irradiance）；表示从物体 表面发射出的E，又称辐出度、辐射度、辐射能力（Emittance）。,辐亮度L (Radiance)：单位立体角、单位时间、单位面积所通过的辐射能量，单位为 Wm-2sr-1 .,太阳直接辐射 L 的测量 全自动太阳分光光度计 CE318（法国 CIMEL） Spectral channels: 340, 380, 440, 500, 675, 870, 936, 1020, 1640 nm (alternate channels and polarization exist on many instruments as well) Remarks: used to derive aerosol properties, and total column water vapor, as part of the AERONET global network (an inhouse modified version for cloud properties has been implemented in recent campaigns),大气辐射场的基本特性,各向同性：辐亮度L与观测方向(q ,)无关； 均匀辐射：L与观测位置(x, y, z) 无关； 定常辐射：L与时间t无关。 平面平行大气：考虑到大气中各种变量在水平方向的变化率远小于垂直方向的变化率，因此经常可假设大气是水平均一的，相应的大气模型在大气辐射学中称为平面平行大气。 可把从各个方向射来的辐亮度在垂直方向的分量累加起来，其计算公式为,净辐射通量密度（或净辐照度） 计算水平面上的辐射通量密度，分别对从上半球 和下半球入射辐射的垂直分量进行积分 则净辐照度为,点辐射源：点源的辐照度（或辐射通量密度）将随r 2减小。,辐射源,平行辐射：光源足够远，辐射传输方向相互平行；在不考虑吸收散射等因素时，平行光的辐射通量密度应当是常数，如太阳辐射。 平行辐射所张的立体角为零，只需要知道平行辐射的方向和辐射通量密度即可。 例如，地面接收的太阳辐射通量密度,面辐射源：特点是它可以向2立体角中发射辐射能。对平面平行大气，水平方向的辐射分量都是相同的，它们对局地能量平衡不起作用。因此只关心垂直方向的辐射通量密度。,余弦辐射体或Lambert光源 辐射强度不随方向变化的面辐射源 如黑体、太阳、陆地表面 因此，对于朗伯体辐出度 与辐亮度之间的关系为：,5.2 辐射的物理规律,5.2.1 吸收率、反射率和透射率 5.2.2 平衡辐射的基本规律 5.2.3 太阳辐射和地球辐射的区别,Q0 = Qa + Qr + Qt 吸收率A = Qa / Q0 反射率R = Qr / Q0 透过率 = Qt / Q0 A + R + = 1,5.2.1 吸收率、反射率和透射率,对单色辐射，称为单色吸收率、反射率和透射率，分别记为Al , Rl , l 。 各种物体对不同波长的辐射具有不同的吸收率与放射率，构成了该物体的吸收光谱或辐射光谱。 反照率：反射辐射通量与入射辐射通量之比。,绝对黑体：所有波长吸收率均为1，A = 1。 单色黑体：某一波长吸收率为1，Al = 1 。 灰 体 ：吸收率不随波长变化，但小于1。,1859年，德国物理学家Kirchhoff辐射定律指出物体在已知温度下，对辐射能之放射率或吸收率与物体表面之性质有关。而黑色物质对辐射能具有较大的吸收能力。如果一个物体在任何温度下能吸收任何频率的辐射能，那么这个物体便称为黑体。事实上，完全黑体并不存在，研究黑体辐射时，常以人工制成一完全黑体讨论之。如图所示，当外界辐射能经由小孔射于空腔时，此辐射能经过多次反射后，几乎无机会再由小孔出现，故可视为辐射能被空腔所完全吸收，而称之以完全黑体。若加热此物体至某一温度，观察由小孔辐射出之光谱其光谱与在同一温度之黑体所吸收辐射者，完全相同。,5.2.2 平衡辐射的基本规律,辐射平衡状态 吸收和发射辐射能量相等：1）物质热状况保持不变，可用一确定温度表示；2）各向同性。 局地辐射平衡状态 如果辐射热交换的过程相当缓慢，物体中内能的分布来得及变化均匀，这时物体的温度虽然在变化，但每一给定瞬间，物体的状态可以看作是平衡的，仍可用一定的温度来描述。 地球大气中的辐射过程，一般认为地面至60公里以下的大气处于局地辐射平衡状态，因此可以应用平衡辐射的规律来解诀平流层以下的大气辐射学的问题。,基尔霍夫定律,在辐射平衡条件下，任何物体的单色辐射通量密度FT与吸收系数AT成正比关系，二者比值只是波长和温度的函数，与物体性质无关。任何物体的辐出度和它的吸收率之比都等于同一温度下黑体的辐出度FB。,若定义比辐射率 , T为物体的放射能力F , T和黑体的辐射能力FB (l , T )之比，则基尔霍夫定律可以写成 意义：将物体的吸收能力和放射能力联系起来；将各种物质的吸收、放射能力与黑体的吸收放射能力联系起来。,Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887) 德国物理学家 1859: Kirchhoffs Law 光谱学、电学 发现了铯和铷,对于绝对黑体物质，单色辐射通量密度与发射物质的温度和辐射波长或频率的关系： 物理意义： 黑体辐射与物质组成无关 黑体辐射强度随温度增高而增大（Stefan-Boltzmann定律） 最大强度的波长随温度增高而减小（Wien位移定律）,普朗克定律,普朗克函数(黑体分光辐亮度),Max Planck (1858-1947) 德国物理学家 1901: Plancks Law 1918: Nobel Prize Quantum theory,斯蒂芬波尔兹曼定律,黑体的积分辐射通量密度与温度的4次方成正比 由温度可以求出绝对黑体的积分辐射通量密度；反之，也可由积分辐射通量密度反求其温度，这就是用辐射方法测量物体温度的基础。 将太阳视作绝对黑体而计算出的温度称为太阳的有效温度，约为5777K，与太阳表面的实际温度略有差异。如果不是绝对黑体，计算出的温度就会偏低。,Joseph Stefan (1835-1893) 奥地利物理学家、诗人 1884: Stefan-Boltzmann law 热学、电磁学 1904: Nobel Prize,Ludwig Boltzmann (1844-1906) 奥地利物理学家 1884: Stefan-Boltzmann law 理论推导、统计力学,维恩位移定律,黑体辐射最大单色通量密度与它的温度成反比。 例如对6000 K黑体，l max = 0.42 m（蓝色光） 由辐射最强的波长也可以确定绝对黑体的温度，光谱方法测定物体温度的基础。 由维恩位移定律求出的温度称为色温。,Planck function,Wiens Law,Stefan-Boltzman law,BLACKBODY RADIATION,T = temperature (K) s = Stefan Boltzman constant,太阳辐射的能量集中在0.1m至4.0m之间 地球大气辐射的能量主要集中在4m至120m之间 太阳辐射为短波辐射，称地球辐射为长波辐射。 短波