第八章电磁辐射环境改版.ppt

电磁辐射环境 物体以辐射的方式传递交换的能量 辐射的基本知识 一 辐射及其特性 辐射 物体以电磁波或粒子流形式向周围传递或交换能量的方式 辐射能 基本特性 波粒二象性 波动性 V f 波动性的反映 电磁波谱 不同电磁波的具体波长范围 可见光波长范围 粒子性 其中h 6 626 10 34J s 称为普朗克常数 辐射的度量和单位 辐射通量 辐射通量密度 辐射通量及单位 定义 单位时间通过任意面积上的辐射能量 单位 J s 1或W 辐射通量密度 E 及单位 定义 单位面积上的辐射通量 单位 J s 1 m 2或W m 2 E dF ds dt 辐射通量密度又被称为辐射强度 辐射能力或放射能力 光通量 光通量密度 照度 光通量及单位 定义 表征辐射通量而产生光感觉的量 单位 流明 lm 光通量密度及单位 定义 单位面积上的光通量 单位 流明 米2 lm m 2 照度及单位 定义 单位面积上接受的光通量 单位 lx 音译为勒克斯 1lx 1lm m 2 物体对辐射的吸收 反射和透射 概念 吸收率 a a Qa Q 反射率 r r Qr Q 透射率 d d Qd Q a r d的变化 黑体 对于投射到该物体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 a r d 灰体 透射率d 吸收率a r 且a不随波长而变化的物体 二 辐射的基本定律 基尔荷夫 kirchoff 定律 选择吸收定律 定律 在一定温度下 任何物体对于某一波长的放射能力 e T 与物体对该波长的吸收率 a T 的比值 只是温度和波长的函数 而与物体的其它性质无关 即 3 4 E T只是波长和温度的函数 推论 对不同性质的物体 放射能力较强的物体 吸收能力也较强 反之 放射能力弱者 吸收能力也弱 黑体的吸收能力最强 所以它也是放射能力最强的物体 对同一物体 如果在温度T时它放射某一波长的辐射 那么 在同一温度下它也吸收这一波长的辐射 斯蒂芬 波尔兹曼 Stefan Boltzmann 定律 定律 黑体的总放射能力 ET 与它本身绝对温度 T 的四次方成正比 即 ET T4 式中 5 67 10 8W m 2 K 4为斯蒂芬 波尔兹曼常数 意义 物体温度愈高 其放射能力愈强 m C T或 mT C 如果波长以nm为单位 则常数C 2 897 103nm K 于是 3 6 式为 维恩 Wien 位移定律 定律 绝对黑体的放射能力最大值对应的波长 m 与其本身的绝对温度 T 成反比 即 mT 2897 103nm K 不同温度下黑体辐射强度与温度的关系 意义 物体的温度愈高 放射能量最大值的波长愈短 随着物体温度不断增高 最大辐射波长由长向短位移 太阳辐射是短波辐射 人 地面和大气辐射是长波辐射 一 太阳辐射 太阳是一个及其炙热的气态球体 中心温度为20 106K 表面温度高达6000K 因此太阳时刻不停的向四周放射巨大的能量 称为太阳辐射 1 太阳电磁辐射 太阳辐射能量随波长的分布称为太阳辐射光谱 太阳辐射的波长范围很广 但其能量的绝大部份集中在0 17 4微米之间 其中可见光区占50 红外区占43 紫外区仅占7 太阳最大辐射能力所对应的波长为0 475微米 相当于青光部份 因此 一般称太阳辐射为短波辐射 观测表明 太阳辐射光谱不是严格连续光谱 其中有两万多条吸收暗线 当太阳辐射经过地球大气时 由于地球大气的吸收作用 使太阳光谱发生很大的变化 可见光区 0 4 0 76 m 能量占总能量的50 具有光效应 是人类肉眼可见光谱区 也是植物光合作用的有效光谱区 可见光可按波长由长至短分解为红 橙 黄 绿 青 蓝 紫七色光 太阳辐射的最大波长 紫外光区 0 4 m 能量占总能量的7 具有化学效应 全部到达地面有毁灭生物的作用 幸大气中O3层吸收而到达地面的极少 它具有杀菌消毒 促进种子萌发的作用 红外线区 0 76 m 能量占总能量的43 具有热效应 起着加热地面 大气 动 植物等物体的作用 太阳与地球间的距离不是一个常数 因此 地球大气层上界的太阳辐射强度随日地间距离的不同而不同 实际上 由于日地间距离很大 15000万公里 其相对变化量很小 由此引起的太阳辐射强度的相对变化不超过3 4 这就意味着地球大气层外的太阳辐射强度几乎是一个常数 我们使用 太阳常数 来描述大气层上界的太阳辐射强度 当日地间处于平均距离时 大气上界垂直于太阳光线的平面上单位面积单位时间内接受的太阳辐射能量作为标准值 称为太阳常数S 太阳常数 用Isc表示 参考值为Isc 13677 W m2 任意时刻的太阳辐射强度 对于S 的测量和计算 因观测方法 观测地点的不同以及太阳活动的变化 世界各地区曾采用不同的数值 1981年世界气象组织推荐了太阳常数的最佳值是S 1367 7瓦 米2 常采用取S 1367瓦 米2 到达地球的太阳辐射能随日地距离的变化 1399 1353 1353 100 3 40 1353 1309 1353 100 3 25 太阳辐射强度 太阳辐射强度就是太阳在垂直照射情况下在单位时间 一分钟 一天 一个月或者一年 内 单位面积面积上所得到的辐射能量 用符号S表示 其单位为J m2 s 2 太阳辐射在大气中的减弱 太阳辐射先通过大气圈 然后到达地表 由于大气对太阳辐射有一定的吸收 散射和反射作用 使投射到大气上界的太阳辐射不能完全到达地面 所以在地球表面所呈现的太阳辐射强度比1367瓦 米2小 大气对太阳辐射的影响作用 折射 反射 吸收 散射 透射 大气对太阳辐射的减弱作用的表现 a 大气对太阳辐射的吸收太阳辐射穿过大气层时 大气中某些成分具有选择吸收一定波长辐射的特性 大气中吸收太阳辐射的成分主要有水汽 氧 臭氧 二氧化碳和固体杂质等 太阳辐射被大气吸收后变成热能 因而使太阳辐射减弱 有24 的太阳辐射被大气吸收 可见大气对太阳辐射的减弱是强烈的 b 大气对太阳辐射的散射太阳辐射通过大气遇到空气 尘粒 云滴等质点时 都要发生散射 散射改变辐射方向 使太阳辐射以质点为中心向四面八方传播开来 这样 散射后 有一部分太阳辐射就到不了地面 c 大气的云层和尘埃对太阳辐射的反射大气中云层和较大颗粒的尘埃能将太阳辐射中的一部分能量反射到宇宙空间中去 其中云的反射作用最为显著 太阳辐射遇到云时能反射太阳辐射的一部分或大部分 反射对各种波长没有选择性 所以反射光呈白色 太阳辐射约有31 因反射和散射会宇宙空间 上述三种方式中 以反射作用最为重要 散射作用次之 吸收作用最小 3 到达地面的太阳辐射经过大气减弱后投射到地面的太阳辐射由两部分组成 即太阳直接辐射和散射辐射 直接辐射是指以平行光线的形式直接投射到地面的太阳辐射 直接辐射照度是指单位面积 在单位时间内所接受的直接辐射 用S 表示 散射辐射是指经散射后 由天空投射到地面的太阳辐射 散射辐射照度是指单位面积 在单位时间内所接受的散射辐射 用D表示 直接辐射与散射辐射之和 称为总辐射 直接辐射照度与散射辐射照度之和称为总辐照度 Q 即Q S D 返回 a 直接辐射太阳直接辐射的强弱和许多因子有关 其中最主要有两个 即太阳高度角和大气透明度 太阳高度角简称太阳高度 系指太阳相对于地平面的角距离 太阳高度角 主要是太阳高度角和大气透明系数 1 太阳高度角当太阳高度角增大时 直接辐射和散射辐射都增大 因而总辐射也增大 又由于太阳高度角有日 年变化和随纬度的变化 因此总辐射也有日 年变化和空间水平变化 一 影响太阳总辐照度的因素 2 大气透明度当大气透明系数增大时 直接辐射增大 但散射辐射减小 这时 辐射总量的变化就无法判断 一般来说 直接辐射大于散射辐射 因此 当大气透明系数增大时 总辐射也增大 3 海拔高度当海拔升高时 大气透明系数增大 总辐射也增大 4 云量云量增多 总辐射可能增大 也可能减小 分为以下三种情况 当天空乌云密布时 直接辐射为零 S 0 到达地面的辐照度以散射辐射 D 为主 但其值也减小 则这时的总辐射 Q 必定减小 当部分天空有云 且云遮住阳光 这时 对该区域来讲 直接辐射为零 S 0 而散射辐射 D 的增大量补偿不了直接辐射 S 的减小量 则总辐射 Q 也减小 当部分天空有云 而且是没有遮住阳光的中云和高云 这时 对该区域来讲 直接辐射 S 没有明显减小 或减小不多 而散射辐射 D 却有明显增大 因此使得总辐射 Q 增大 二 太阳总辐照度的变化规律1 总辐照度的日变化一天中 总辐照度夜间为零 日出后逐渐增大 正午达到最大 午后又逐渐减小 2 总辐照度的年变化一年中 中 高纬度地区总辐照度夏季最大 冬季最小 赤道附近 一年中有两个最大值 分别出现在春分和秋分 3 光照度的变化晴天时 光照度由直射光和散射光两部分组成 阴天时 只有散射光 4 太阳辐射总量的变化一天内 一般在中纬度地区 夏季太阳辐射日总量大 冬季太阳辐射日总量小 一年中 太阳辐射年总量一般随纬度的增高而减少 4 地面对太阳辐射的反射 投射到地面的太阳辐射 并非完全被地面所吸收 其中一部分被地面所反射 地表对太阳辐射的反射率 决定地表的性质和状态 陆地表面对太阳辐射的反射履约为10 30 雪面的反射率很大 约为60 水面的反射率随水的平静程度和太阳高度角的大小而变 约为2 89 2 地面对太阳辐射的反射和吸收 1 地面的反射辐射 到达地面的太阳总辐射中 有一部分被地面反射回到大气中 称为地面反射辐射 地面反射辐射占到达地面的总辐射的百分率 称为地面反射率 以r表示 反射率主要与下垫面性质有关 下垫面 垫在空气层下面的面 p17 2 地面对太阳辐射的吸收由于太阳辐射不能穿透地球 所以地面吸收率为1 r 返回 二 地面 大气辐射 1 地面辐射 地球表面在吸收太阳辐射的同时 又将其中的大部分能量以辐射的方式传送给大气 地表面这种以其本身的热量日夜不停地向外放射辐射的方式 称为地面辐射 由于地表温度比太阳低得多 地表面平均温度约为300K 因而 地面辐射的主要能量集中在1 30微米之间 其最大辐射的平均波长为10微米 属红外区间 与太阳短波辐射相比 称为地面长波辐射 地面的辐射能力 主要决定于地面本身的温度 由于辐射能力随辐射体温度的增高而增强 所以 白天 地面温度较高 地面辐射较强 夜间 地面温度较低 地面辐射较弱 地面的辐射是长波辐射 除部分透过大气奔向宇宙外 大部分被大气中水汽和二氧化碳所吸收 其中水汽对长波辐射的吸收更为显著 因此 大气 尤其是对流层中的大气 主要靠吸收地面辐射而增热 2 大气辐射 大气辐射 大气向外放射的辐射 大气平均温度比地面低 其辐射波长范围为7 120 m 最大放射能力的波长为15 m 也属于红外长波辐射 大气辐射有一部分向上进入宇宙空间 有一部分向下到达地面 这一部分因与地面辐射的方向相反 称为大气逆辐射 Ea 3 大气逆辐射 大气吸收地面长波辐射的同时 又以辐射的方式向外放射能量 大气这种向外放射能量的方式 称为大气辐射 由于大气本身的温度也低 放射的辐射能的波长较长 故也称为大气长波辐射 大气辐射的方向既有向上的 也有向下的 大气辐射中向下的那一部分 刚好和地面辐射的方向相反 所以称为大气逆辐射 大气逆辐射是地面获得热量的重要来源 由于大气逆辐射的存在 使地面实际损失的热量比地面以长波辐射放出的热量少一些 大气的这种保温作用称为大气的温室效应 这种大气的保温作用使近地表的气温提高了约18 月球则因为没有象地球这样的大气 因而 致使它表面的温度昼夜变化剧烈 白天表面温度可达127 夜间可降至 183 4 地面有效辐射 地面放射的辐射与地面吸收的大气逆辐射之差 称为地面有效辐射 通常情况下 地面温度高于大气温度 地面有效辐射为正值 这意味着通过长波辐射的放射和吸收 地表面经常是失去热量的 只有在近地层有很强的逆温和空气湿度很大的情况下 有效辐射才可能为负值 这时地面才能通过长波辐射的交换而获得热量 4 地面有效辐射 用E表示 即E Ee Ea通常地面温度高于大气温度 相应地Ee Ea E常为正值 这说明地面由于放射长波辐射大于吸收的长波辐射而经常失去热量 E是地面净损失的热量 E愈大 地面热量损失愈多 降温愈剧烈 影响地面有效辐射的因素 1 水汽水汽是关键因素 空气中水汽含量增加 大气逆辐射增强 地面有效辐射减小 所以当天空有云 雾存在时 地面有效辐射较小 云层越厚云底越低 地面有效辐射越小 2 风风能促进对流 使上层热量往下传递给地面 所以夜间有风时地面有效辐射较小 3 地气温差当地温高于气温时 地面有效辐射为正值 且随地气温差的增大而增大 这种情况多发生在白天 当地温低于气温时 地面有效辐射为负值 且地气温差越大 地面有效辐射越小 这种情况多发生在夜间 影响地面有效辐射的因素 4 下垫面性质无植被覆盖的地面有效辐射较有植被覆盖的大 起伏不平的粗糙地面较平坦地的有效辐射大 干燥的下垫面较潮湿的下垫面的有效辐射大 5 覆盖采用薄膜 草垫等材料在夜间覆盖时地面有效辐射减小 6 海拔高度随海拔高度的增加 水汽量减少 大气逆辐射减小 所以地面有效辐射增大 三 太阳可变性 它是指太阳电磁辐射各波段辐射通量随太阳活动的变化特性 太阳活动通常用太阳活动指数来表征 为描述太阳远紫外辐射的变化特性 常用的太阳活动指数有F10 7 F81和HelEW等 F10 7 为太阳10 7cm射电辐射的通量 单位为10 22W m2 Hz b F81 太阳射电指数F10 7的81天平均值 c HelEW 太阳1083nm氦发射线的等效宽度 单位为10 4nm 四 地气系统 在研究地球及其大气作为一个整体的能量平衡时 通常它们作为一个统一的系统考虑 称之为地球 大气系统 简称地气系统 五 太阳电磁辐射 地气系统对航天器的影响 太阳电磁辐射 地气系统辐射和地球反射率是卫星温控系统设计所必须考虑的主要外界输入能量 太阳可见光和近红外波段的光谱辐照度是卫星能源系统设计的重要资料 而对大型航天器而言 太阳电磁辐射和地气辐射对对姿控系统的影响也是需要考虑的因子 太阳辐射对近地轨道航天器的影响 对航天器温控系统的影响 主要外热源 对航天器姿控系统的影响 A 太阳辐射和地气辐射压是航天器姿态控制中所必须考虑的因素之一 B 太阳辐射引起大气密度的变化 使航天器所受阻力增加 对航天器结构系统的影响 热机械应力对航天器电源系统的影响 太阳可见光和近红外波段的光谱辐照度决定航天器太阳电池方阵功率的精确计算 对航天器通信系统的影响 短波和中波无线电信号衰落 甚至完全中断 背景噪声的增强 对航天遥感器 探测器的影响 光学背景 材料性能 光学遥感系统污染 对人体和生物体的影响 人体器官和眼睛有不同的损伤 诱发皮肤癌 1 对卫星电离环境 通信系统的影响 太阳Lyman 线是地球电离层D层的主要电离源 而太阳X射线爆发则可能是引起电离层突然骚扰的主要原因 当太阳爆发时 X射线和紫外辐射突然增加 使电离层D层电子浓度急剧增大 导致短波和中波无线电信号衰落 甚至完全中断 此外 太阳射电爆发引起射电背景噪声的增强 在一定条件下也会对通信系统造成干扰 在大射电爆发时 L波段的太阳射电噪声可增大2 4个量级 而对S波段也将增加2 3个量级 在另一方面 太阳极紫外辐射是地球电离层E F层的主要电离源 随太阳活动的增强 地球大气的电离状况也随之改变 在太阳活动最大比太阳活动最小时F2层电子浓度约增大近一个量级 2 对星载探测器光学部件的侵蚀 污染 太阳极紫外辐射是热层大气氧原子产生的主要能源 随着太阳活动的变化 热层大气氧原子密度将变化一个量级以上 它和航天器表面的相互作用 将增强其对表面的侵蚀作用 破坏太阳电池保护层 危害航天器能源系统 太阳紫外辐射对航天器表面的照射将使其表面涂层的光学性能变化 使航天器表面温度升高 影响其温控 航天器材料中包含的气体杂质在高真空环境下释放出来 在太阳紫外辐射照射下可对其上各种光学遥感系统形成污染 3 对人体和生物体的影响 太阳X射线辐射对人体器官和眼睛有不同的损伤 而太阳紫外辐射可使人体发生皮肤癌 破坏生物体的脱氧核糖核酸 4 空间外热流模拟 太阳电磁辐射中的可见光辐射 近红外辐射和远外辐射构成了卫星在空间飞行时所受到的加热源 也叫做空间外热流 对于近地卫星 外热流还包括地球反射太阳辐射的能量和地球自身的红外辐射部分 卫星所吸收的热流Q可写成Q aQf式中 a 卫星表面材料的吸收率 Qf 空间外热流 如上式可以知道卫星热设计时选择的Q值取决于a和Qf Qf值的选定是根据国内外利用火箭 卫星测量数据的统计值 而a值取决于卫星温控涂层材料或卫星表面材料的物质特性及在太阳辐照环境下的稳定性 现在卫星热设计已采用了大容量的电子计算机 提高了热分析的精度 但许多因素使得热分析存在误差 为了验证热设计 鉴定卫星热设计的可靠性 主要手段就是在地面试验设备中 再现太阳辐照环境 模拟外层空间的外热流Qf 即进行卫星的热平衡试验 5 紫外辐照对卫星