(AP02)辐射概念规律.ppt

第五章地面和大气中的辐射过程 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 学习 研究的意义 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 电磁波描述波长 频率f波数 波速c 5 1 1电磁波谱 5 1 1电磁波谱 例1 波长10mm对应的频率和波数 5 1 1电磁波谱 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 5 1 1电磁波谱 5 1 1电磁波谱 紫外线 uv A 0 315 0 400微米uv B 0 280 0 315微米uv C 0 150 0 280微米可见光红外线 近红外 0 7 2 5微米远红外 2 5 1000微米微波无线电波长波 短波 4微米 5 1 2描述辐射场的物理量 立体角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 Steradian 5 1 2描述辐射场的物理量 立体角 辐射能Q能量 焦耳 热力学卡 1k 4 1840J 辐射通量 radiantflux辐射功率W 单位时间内通过任意表面的辐射能量 单位为J s 即W 5 1 2描述辐射场的物理量 5 1 2描述辐射场的物理量 辐射通量密度E radiantfluxdensity 单位时间通过单位面积的辐射能量 单位为W m2 设面元为dA 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 辐射强度L radiance辐亮度 辐射率 单位立体角 单位时间 单位面积所通过的辐射能量 单位为W m2sr 5 1 2描述辐射场的物理量 辐射强度L radiance辐亮度 辐射率 光度计示意图 5 1 2描述辐射场的物理量 CE318自动跟踪太阳分光光度计 5 1 2描述辐射场的物理量 单色与谱段积分辐射量 5 1 2描述辐射场的物理量 各向同性辐亮度L与观测方向 q 无关 L是立体角的函数 即与方向有关 各向异性 均匀辐射L与观测位置 x y z 无关 L是观测位置的函数 非均匀辐射 定常辐射L与时间t无关 L与时间t的函数 非定常辐射 5 1 2描述辐射场的物理量 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 5 1 2描述辐射场的物理量 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 5 1 2描述辐射场的物理量 5 1 2描述辐射场的物理量 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净辐照度 净辐射通量密度或净辐照度辐射能收支为正 气层温度升高 反之降温 5 1 2描述辐射场的物理量 净辐射通量密度或净辐照度 5 1 2描述辐射场的物理量 点辐射源假设点源向四周发射是均匀的 发射辐射的功率为 0 以点源为中心画一个半径为r的球面 则通过球表面的辐照度为点源的辐照度 或辐射通量密度 将随r2减小 5 1 2描述辐射场的物理量 平行辐射当光源的距离足够远时 所有来自该光源的辐射传输方向可以认为是相互平行的 这种辐射常被称为平行辐射 或平行光 特点 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 即在任何位置上设置一个和辐射传输方向相垂直的平面 通过这平面的辐射通量密度都应当是一个常数 5 1 2描述辐射场的物理量 平行辐射大气辐射中 常把来自太阳的直接辐射看作平行光 因为地球离太阳的距离为149 597 890km 而大气辐射学中讨论的最大尺度是地球半径的尺度 即6 371km 在这样一个范围中 太阳辐射的强度仅变化 149597890 6371 149597890 2 1 000085 因此把太阳辐射当作平行光 其辐照度不随距离变化是合理的 5 1 2描述辐射场的物理量 平行辐射对于平行辐射 由于辐射能是在同一个方向传播 射线所张的立体角为零 此时辐射强度的概念不再适用 这种情况下 只需要知道平行辐射的方向和辐射通量密度即可 地面接收的太阳辐射通量密度 5 1 2描述辐射场的物理量 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 5 1 2描述辐射场的物理量 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 平静水面 例5 1 朗伯定律 5 1 2描述辐射场的物理量 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 能量守恒Q0 Qa Qr Qt吸收率A Qa Q0反射率R Qr Q0透射率 Qt Q0 透过率 A R 1 5 2 1吸收率 反射率和透射率 对于单色辐射 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 物体表面的反射辐射通量与入射辐射通量之比 5 2 1吸收率 反射率和透射率 绝对黑体所有波长吸收率均为1A 1单色黑体某一波长吸收率为1Al 1灰体吸收率不随波长变化但小于1 5 2 1吸收率 反射率和透射率 黑色物体 PlanckLaw 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Planck定律 第一辐射常数第二辐射常数 PlanckLaw 普朗克函数 黑体分光辐亮度 PlanckLaw 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 BoltzmannLaw最大强度的波长随温度增高而减小 Wien位移定律 MaxPlanck 1858 1947 德国物理学家1901 Planck sLaw1918 NobelPrizeQuantumtheory PlanckLaw Stefan BoltzmannLaw 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 反演出的温度就会偏低 JosephStefan 1835 1893 奥地利物理学家 诗人1884 Stefan BoltzmannlawStefanflow热学电磁学1904 NobelPrize Therealwayssomethingwillremain thatweshallnotknow why 5 2 2平衡辐射的基本规律 LudwigBoltzmann 1844 1906 奥地利物理学家1884 Stefan Boltzmannlaw理论推导统计力学 5 2 2平衡辐射的基本规律 Wien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6000K黑体 lmax 0 42mm 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颜色温度或色温 WilhelmWien 1864 1928 德国物理学家1893 Wien sDisplacementLaw1911 NobelPrize定义BlackBody 5 2 2平衡辐射的基本规律 Wien位移定律 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 5 2 2平衡辐射的基本规律 KirchhoffLaw 灰体 在辐射平衡条件下 任何物体的单色辐射通量密度F T与吸收系数A T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 比值大小等于Planck函数的通量密度形式 KirchhoffLaw 若定义比辐射率 Emissivity 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 GustavRobertKirchhoff 1824 1887 德国物理学家1859 Kirchhoff sLaw光谱学电学发现了铯和铷 KirchhoffLaw 太阳辐射的能量集中在0 1mm至4 0mm之间地球大气辐射的能量主要集中在4mm至120mm之间在大气物理学中 常称太阳辐射为短波辐射 称地球辐射为长波辐射 短波和长波辐射以4mm分界 5 2 3太阳辐射和地球辐射 5 2 3太阳辐射和地球辐射 相对能量大