辐射传输第二章太阳.ppt

第二章 大气顶的太阳辐射,第一节 作为能源的太阳 第二节 地球绕太阳的轨道和太阳日射 第三节 太阳光谱和太阳常数的测定,第一节 作为能源的太阳,1、太阳结构 2、太阳表面的活动：太阳黑子,太阳,太阳的X射线图片,太阳,6371km 5.9472 1024 kg 5.5 g/cm3,太阳（气体球）,基本特性 半径：696000 km（相对地球109倍） 质量：1.9891030kg （相对地球33万多倍） 平均密度：1.41 g/cm3 （相对地球1/4） 年龄：46亿年，可继续发光70亿年 组成：主要成分：原始的H（90%质量）和He（10%），其它如铁、硅、氖、碳等至少70种元素。 太阳的温度由中心（约5106K）向表面（约5800K）递减。,2.1.1太阳结构,地核、地幔和地壳,地球的圈层结构,四大圈层： 大气圈、水圈、生物圈、岩石圈。,英国卡文迪许应用牛顿万有引力定律间接地计算出地球质量。,2.1.1太阳结构,核反应区 太阳中心到1/4太阳半径范围内是进行热核反应产生能量的区域，占太阳体积的1/64，却集中了太阳质量的一半。这里温度高达1500万K，压力可达3000亿个地球大气压。在太阳中心区域这种超高温高压条件下，不断进行着大规模的氢热核聚变反应，释放出巨大的能量。,2.1.1太阳结构,辐射区 核反应区的外面是能量辐射传输区。热核反应产生的辐射能量在这里通过太阳各层物质的吸收、发射、再吸收、再发射的过程向外输送。热核反应产生的高能射线经过这个过程逐步降低频率，最后成为太阳向空间辐射的较低能量的可见光和其他形式的辐射。,2.1.1太阳结构,对流区 位于辐射区外，是太阳内部稠密大气的最外层，由辐射区输送的能量使这里温度达几万度到几十万度，稠密炽热的气体处于升降起伏的对流状态。在太阳大气中产生的各种活动现象(如黑子、耀斑等)都与对流区的活动有关。,2.1.1太阳结构,光球 太阳的可视区域称为光球，到达地球的大多数电磁辐射能来自该层。它是太阳的明晰界限，通常意义下的太阳表面就是指的光球，太阳的直径也以光球为界。厚度仅约500km，却构成了太阳可见光辐射的源地。光球的温度由里向外逐渐降低，底部温度约8000K，顶部温度4000K，平均温度5800K。光球温度与太阳内部形成极大的温度梯度，这种温度分布显著的不均衡，造成对流区大气的剧烈的对流运动。,2.1.1太阳结构,太阳大气： 光球层之上的区域称为太阳大气，它的特点是具有稀薄而透明的太阳气体。太阳大气分成色球层和日冕两个区域。 色球层位于光球层之上，直到约2000km的高度。温度由4000K左右的极小值向上增加，到2000km高度停留在4000-6000K之间，在此高度以上，温度显著增高，达到105 106 K左右。,光球,色球,日冕,太阳大气的温度结构和吸收谱线形成区,日冕：色球层之上的太阳大气称为日冕。在日全食的时候或使用日冕仪可观测到一圈白光和淡黄光裹住了日轮，这就是日冕。它范围可延伸到十几个太阳半径的地方，其物质极其稀薄，它的亮度仅及色球的千分之一。日冕的形状经常在变化，厚度也处处不同。在太阳活动极大期，日冕呈圆形，太阳活动极小期的日冕在太阳两极缩短，在太阳赤道带突出。日冕的温度极高可达100200万度。太阳光谱的远紫外线和X射线主要是在日冕中产生，太阳的射电辐射的大部分也产生在日冕中。日冕的温度极高，说明日冕中的物质是以极高的速度在运动着，日冕中的快速粒子能摆脱太阳引力场的束缚，向外膨胀而进入行星际空间，这种现象叫做“日冕膨胀”。热电离子连续不断地从太阳流出，就形成太阳风。,日冕及其微细结构,2.1.2太阳活动现象,在太阳大气中可以观察到各种活动变化现象，如太阳黑子的出现和消失、日珥的变化、耀斑的爆发等等，此外在太阳大气中还可以观测到不断运动和变化着的米粒组织、谱斑、色球网络、针状物、喷焰等。太阳活动是太阳大气里的一切活动的总称。 强烈的太阳活动能使一些波段的太阳辐射发生很大变化，并能把大量的物质粒子射入空间，影响地球磁场和大气层。太阳活动有时剧烈，有时平静，存在一个11年的准周期。当太阳活动处于低潮时，称为宁静太阳；太阳活动处于高潮时，称为扰动太阳。太阳活动主要是指扰动太阳的活动，扰动太阳的主要标志之一是太阳黑子，特别是黑子群的频繁出现。扰动太阳的另一个更重要的标志是太阳耀斑的频繁出现，耀斑是太阳上最强烈的，也是对地球影响最大的活动。,2.1.2太阳活动现象-太阳黑子,2.1.2 太阳活动现象-太阳黑子,用小倍率的望远镜，甚至肉眼就可看到在太阳光球上有一些黑的斑点。它是光球中的大气涡旋，其中心温度约为4200K，比周围温度低1000多度，因此显得比光球暗。 黑子通常成对出现，或以复杂的黑子群出现。太阳黑子几乎完全限制在太阳赤道和南北纬40度之间的区域，绝不会在两极附近出现。大部分黑子寿命不长，常不到一天，有一些黑子的寿命达一个月以上。 长期记录日面上的黑子数目，有黑子数较多的时期，而过几年黑子几乎不出现，太阳黑子数的周期性变化，称为黑子周期，两次黑子极大之间的平均时间长度约为11年，所谓11年周期。,2.1.2太阳活动现象-光斑,在全色光照片上能看到一种比光球更明亮一些的斑点。它的温度比光球高不了多少，据测定只比周围高100300K；平均寿命23d。光斑常出现在黑子的周围，一般环绕着黑子，与黑子有密切的关系，光斑比黑子早出现几小时或几天。 在色球层中，光斑之上紧接着分布着谱斑，形状与光斑相似，是光斑在色球层的延续。谱斑的温度比周围高，大部分谱斑附近有黑子群，其寿命比黑子长，它的大小从几千公里到几十万公里，其面积大小也是太阳活动的强弱的标志。,2.1.2太阳活动现象-日珥,色球层中，有时有巨大的气柱升腾而起，如同火焰喷舌，可以达到几万公里甚至百万公里以上的高度，然后落回日面，或脱离太阳的引力而消散不见。这些气柱称为“日珥”。它是突出在太阳边缘外面的发光气团，呈朱红色。一般在日全食时利用色球望远镜或分光镜等仪器进行观测时才能被看见。 形态多变，大小不一，一般长约20万km，高约3万km，厚约5000km；有的气流上升的速度较低，约10km/s，有的变化剧烈，达几百公里/秒。日珥主要存在于日冕中，但下部与色球相连。 可分为宁静日珥、爆发式日珥和活动区日珥三种。宁静日珥寿命较长，在日面上表现为伸得很长的暗条。爆发式日珥比较罕见，运动速度可高达每秒几百公里。当上升到相当高度时，会分裂出凝团和股流，然后沿近似垂直的方向落回太阳。,2.1.2太阳活动现象-耀斑,色球中局部区域亮度突增的现象，表现为特别明亮的斑点，称为色球爆发。耀斑的温度很高，达1万度左右或更高，常出现在太阳表面大黑子或黑子群附近，寿命由几分钟到几小时。耀斑活动与黑子有密切关系，在一个黑子群的存在期间，平均每7h出现一个耀斑。 耀斑是太阳大气中的一种不稳定过程，是太阳上最强烈的，也是对地球影响最大的活动现象。太阳所发射电波的强度可以在几年内不发生多大的变化，但当日面出现耀斑时，太阳射电可以一下子增强几百万倍。在耀斑爆发时除发射可见光外，还发射大量的紫外线、X射线和射线，还有红外和射电辐射和高能粒子流，甚至能量特高的宇宙射线。耀斑的短波辐射和带电粒子流到达地球后，会引起地球上一系列的地球物理现象，如磁暴、极光和电讯骚扰以至中断等。从日地关系方面来看，耀斑的作用比太阳黑子的作用更加直接和重要。,2006年8月19日，在瑞典厄斯特比，人们在观赏北极光。太阳耀斑抛射出的大量带电粒子在地球磁场的作用下奔向两极，与大气层发生强烈的摩擦作用从而发出明亮的光，这就是极光。,第二节 地球绕太阳的轨道和太阳日射,2.2.1 绕日轨道的几何形状 地球是太阳系八大行星之一。 自转：地球每24小时绕通过自己两极的极轴向东稳定地旋转一周。自转是引起包括昼夜交替在内的所有时间周期变化的最显著原因。 公转：地球自转的同时，也在以太阳为一个焦点的椭圆轨道上，用大约365天完成一周的公转。 地球绕太阳公转的轨道和地球自转的轨道，是决定到达地球的太阳辐射能量的最重要因子。,太阳系,太阳系中太阳的质量占太阳系总质量的99.8， 八大行星（2006年天文学家重新定义8大行星） 类地行星：水、金、地、火 质量小、体积小、卫星数少、平均密度大、表面温度高。 主行星：木、土、天王、海王 特点与类地行星相反 此外冥王星，大小、质量近似类地行星；表面温度、公转周期又近于主行星 小行星、彗星、流星,太阳系,2006年8月24日，在捷克首都布拉格举行的国际天文学联合会大会通过行星的新定义，冥王星终于“惨遭降级”，被驱逐出了行星家族，被列为“矮行星”。 这是美国国家航空和航天局发布的哈勃太空望远镜拍摄的冥王星（左）及卡戎星的照片。,按照新的定义，太阳系行星将包括水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。这是美国国家航空和航天局（NASA）发布的水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星（从画面左上开始到左下）的合成照片。,这是美国国家航空和航天局发布的2006年2月22日拍摄的冥王星（左上）、卡戎星（左下）及冥王星两颗卫星的照片。,这张绘制图片显示了太阳系的12颗天体，包括传统上认定的“九大行星”以及有争论的谷神星、原先被认为是冥王星卫星的“卡戎”和一颗暂时编号为 “2003UB313”的天体。,这是2006年1月19日在智利首都圣地亚哥以南约900公里的普孔上空拍摄的麦克诺特彗星。以澳大利亚天文学家罗伯特麦克诺特命名的彗星日前“飞临”智利上空。天文学家说，这是近40年来全球所能观测到的最亮的一颗彗星，人们平均每百年仅有一至两次机会可观测到如此亮度的彗星。,这是人们第一次看到地球的真实面貌。NASA的“阿波罗“17号(Apollo 17)拍摄,早在20世纪40年代末50年代初，美苏就相继进行了将生物送入高空或太空的实验。苏联在发射第一颗人造卫星后的一个月，紧接着又发射了一枚人造卫星。这枚人造卫星中乘坐着进入太空的第一个“航天员”小狗“莱卡”。在太空中的这段时间里，“莱卡”生活在卫星中的一个小舱里。它的一切状况通过无线电遥测直接传送到地面。“莱卡”的状态一直很好，但可惜的是，因为当时没有解决飞行器的再入回收问题，所以“莱卡”在轨道上飞行一周之后无病死亡。,1961年4月12日，一枚R7A运载火箭装载着“东方1”号，将人类进入太空的第一名使者尤里加加林送入太空，迈出了人类进入太空的第一步。 1965年3月18日，上升2号载着两名航天员列昂 诺夫和贝里亚耶夫，完成了一次史无前例的创举：太空行走。太空行走是由列昂诺夫完成的，他通过气密舱进入太空，靠一根5米长的绳子与飞船连在一起。返回飞船时由于航天服在真空中膨胀起来，列昂诺夫怎么也无法通过舱口，经过了8分钟的挣扎，他才回到飞船中。,谁能控制太空，谁就能控制整个世界！,1958年10月1日，NASA正式成立。 美国总统肯尼迪雄心勃勃地于1961年5月25日正式签署了登月计划，即阿波罗计划，承诺要在1970年以前将航天员送上月球。至1972年结束，耗资255亿美元。 1969年7月16日，巨大的土星5号火箭载着阿波罗11号离开月球飞船，在肯尼迪航天中心39A发射台点火发射。参加这次登月任务的航天员是：内尔阿姆斯特朗、布兹奥尔德林、迈克尔科林斯。1969年7月20日，美国东部时间晚上10时56分，阿姆斯特朗踏上月球，首次实现了人类登月的梦想。,太阳的位置,由太阳天顶角确定，太阳天顶角可由另一些已知的角度算出：cos 0 = sin sin + cos cos cos h.,1、在两极处： 2、任意纬度正午时： 3、除两极外，其他地方的日出日落时：,日地几何关系示意图,春分点Vernal equinox,Summer solstice,秋分autumnal equinox,Winter solstice,Perihelion,aphelion,7月北阿拉斯加午夜前后的太阳,太阳的位置和时间,2.2.2 太阳常数的定义 考点,太阳发射的电磁辐射在地球大气顶上随波长的分布叫做太阳光谱。 太阳常数是一个表征到达大气顶的总太阳能量（包括整个太阳光谱）的数值。 太阳常数的定义：在日地平均距离处通过与太阳光束垂直的单位面积上的太阳能通量，用S表示。 单位：？,太阳以6.2107 W m2 的速率发射能量。根据能量守恒原理，且假定两点之间没有中间介质，则由太阳发射的能量在某个距离以外必定保持原样，于是：F 4 a2 = S 4 r02 F 代表太阳辐出度，a为太阳半径，r0为日地平均距离。所以：S = F (a / r0)2 太阳是各向同性发射体，所以： S = I a2/ r02= I I为太阳放射的辐射强度；地球看太阳的立体角。,Average Solar Radiation on a Sphere,半径为ae 的地球所拦截的总能量为Sae2 。如果这一能量均匀地分布在整个地表面上，则在大气顶处单位时间内单位面积上所接收的能量为 = Sae2/ (4ae2 ) = S/ 4,与其它物理量的测量相比，辐射量测量准确度最低。目前千分之几的准确度就是世界水平，一般只有 。 最初在地面不同时间测量太阳辐射，用外推和订正的方法计算大气上界的太阳辐射（长法和短法），后来用飞机、气球、火箭和卫星测量太阳辐射。 1976年美国宇航局（NASA）根据飞机和空间观测的结果，公布了地日平均距离时大气上界太阳辐照度（辐射能量密度）的谱分布，其太阳常数值为1353W/m2。 1981年WMO的仪器与观测方法委员会综合各机构公布的数据，建议太阳常数值取1366.97 W/m2。按黑体辐射定律，其黑体温度为5777K。,2.2.3 日射的分布,日射定义为：某一给定地点单位水平面上的太阳辐射通量。它主要取决于太阳天顶角 0 ，同时也依赖于日地距离r(t) 的变化。 太阳辐射在大气顶的通量密度可表示为： F = F cos 0 F表示日地瞬间距离r时在大气顶的太阳通量密度。,取太阳常数为 1366 W/m2， 算出的日平均 日射值Q随纬 度和一年中各 天的分布。 阴影区为零日射 区。春分、夏至 秋分和冬至的位 置以实线给出， 太阳赤纬以虚线 绘出。,大气外界日射分布,1、由于地球每年一月份最接近太阳，因此南北半球日射不对称，南半球大于北半球。 2、最大值出现在极点的夏至，因为极昼的缘故。 3、低纬年变化小于高纬，低纬年总量大于高纬。 4、北半球日射随纬度变化，夏季小于冬季。,作业,1、根据天体测量知道，太阳直径约为140万千米，日地平均距离为r01.5108km，设太阳为黑体，太阳常数为1370w/m2，试计算太阳等效黑体温度为多少K？ 2、已知地球半径Re=6371km，太阳常数为1370w/m2 。不计地球大气的影响，地球一年能接收到多少太阳辐射能（J）？,2.3.1太阳辐射谱标准,第三节 太阳光谱及太阳常数的测定,SOLAR SPECTRUM,SOLAR SPECTRUM,如果在一段时间光学厚度不变，则地面所测太阳直接辐射光谱仅随m 变化 长法需较长时间进行观测，保证m有相当大的变化范围 天气条件；紫外、红外观测不全，需补足,2.3.2 太阳常数的测定地基法,2.3.3 太阳常数的卫星测量,由许多卫星上的空腔探测器所做的太阳辐照度测量结果的分析，提出了太阳常数的平均值为1366 W m2 ，不定度为 3 W m2 太阳常数值对于研究地球大气中实测的太阳吸收率和加热率至关重要。,日地距离,日地距离的平均值被称为1个天文单位： 实际日地距离约在0.983AU-1.017AU之间变化。 地球位于近日点约1月3号，远日点约在7月4号。处于平均日地距离的日期约为4月4号和10月5号。 日地距离可用下式计算，其最大误差为0.0001: 称为日角（弧度），其中dn为年中日数,日地距离,日地距离,日地距离,时间,度量单位需尽可能保持不变，但不同于长度、重量等单位，无法制造一个时间单位的标准原器。 时间和物质运动是分不开的，为保持时间单位的不变性，可利用物体的等速运动来计量时间。地球自转具有固定周期，自然把地球的自转作为计量时间的标准原器，取地球自转一周作为计量时间的基本单位，就是“日”。更大的单位(如年和月)常用日的整倍数表示，更小的单位(如分、秒)都是日的等分。,时间,时间,计量系统：观察地球的自转，常用太阳、恒星或天球上某假象点连续两次经过地球上任意一子午圈的时间间隔作为一日。由于选取的参考点不同，就有不同的时间计量系统。如恒星日、真太阳日、平太阳日等。 地球自转不是完全均匀的，近2000年以来，一日的长度在一个世纪中会增加0.0016s，同时地球自转速度还有不规则的变化和季节的变化。这些微小变化，对一般科学问题可不考虑，但不能满足精密科学研究对时间精度的要求。,时间,国际上用原子时作为时间计量系统，以满足精密科学研究的需求。原子时以物质内部原子运动特征为基础，对一种元素的原子，电子在某两条确定的轨道之间跃迁的振荡频率极为稳定，测量由原子均匀振荡发出的辐射得到原子时。 1967年国际计量会议以铯原子跃迁9,192,631,770次所经历的时间间隔为一原子秒，做为原子时的计量基本单位。,时间,美国国家标准与技术研究所（NIST）的铯-133原子钟，1999年12月29日启用，2千万年误差小于1秒。与法国巴黎的另一台原子钟被公认为当今世界最精确的时间计量设备,（一般铯原子钟精度为1百万年误差1秒；最好的石英钟能达到每10年误差1秒）,时间的计量 恒星时与太阳时,恒星日与太阳日,时间的计量,恒星时 计量时间的恒星单位，简称恒星时单位。与下面的平太阳时比较，一个恒星日为23h56min4.09s。 真太阳时TST 真太阳时依据太阳视圆面中心的周日运动建立的时间计量系统。以太阳视圆面中心上中天的时刻为起点，这一时刻称真正午，而太阳视圆面中心下中天的时刻称为真子夜。日常生活中习惯的起算点是真子夜，因此，真太阳时在数值上等于太阳视圆面中心的时角加上12h。 一个真太阳日分为24个真太阳时，一个真太阳时又分为60个真太阳分，一个真太阳分又分为60真太阳秒，这种时间计量系统称为真太阳时，简称真时(或视时)。,时间的计量,平太阳时 假想在太阳附近一个点，即平太阳，使得地球相对该点自转一周的时间是恒定的，这样真太阳日的变化被转移到平太阳与真太阳相对位置的变化上。由此得到的时间即所使用的平太阳时LMT。,时间的计量,时差 真太阳时与平太阳时之差称为时差，最大可达16分钟。 平太阳是一个假想点，是无法直接观测的，因此由观测真太阳来求平太阳时，就需要加时差来订正。反之，也可由平太阳时加时差来求真太阳时。时差与观测地点无关，只与观测日期有关，可用下式近似计算（最大误差约为35秒）：,时间的计量,时差的年变化,时间的计量,计量时间都以天体(恒星或太阳)的时角为依据的，而天体的时角是以观测点的子午圈为起算点，不同地理经圈的观测点都有自己的子午圈，由不同的天子午圈