第一章 太阳辐射

1、第一章第一章 太阳辐射太阳辐射 重点重点: l 讨论太阳辐射、地面辐射和大气辐射讨论太阳辐射、地面辐射和大气辐射 的性质和变化规律的性质和变化规律 l 太阳辐射对作物生长发育的影响太阳辐射对作物生长发育的影响 本章主要内容本章主要内容 l 太阳发射的一般知识太阳发射的一般知识 l 太阳辐射太阳辐射 l 太阳辐射光谱太阳辐射光谱 l 太阳辐射强度太阳辐射强度 l 辐射平衡辐射平衡 l 太阳辐射与植物生活太阳辐射与植物生活 一、一、辐射辐射的概念：的概念： 以电磁波和粒子的形式向周围以电磁波和粒子的形式向周围 放射和输送能量。辐射具有波粒二相性。放射和输送能量。辐射具有波粒二相性。 第一节第一节

2、太阳辐射的一般知识太阳辐射的一般知识 二、二、电磁波电磁波： 任何温度在绝对零度以上的物质任何温度在绝对零度以上的物质 都在不停地放射着和吸收着电磁波，其本质都在不停地放射着和吸收着电磁波，其本质 是由电子的能级跳迁而产生的。是由电子的能级跳迁而产生的。因此电磁波因此电磁波 是不断作周期变化的电磁场在空间的传播是不断作周期变化的电磁场在空间的传播. 电磁波的传播速度：电磁波的传播速度： C = f C = f 式中：式中：f f 频率，频率，s s-1 -1; ; 波长，波长，mm 传播速率与波长、频率间的关系传播速率与波长、频率间的关系 电磁波谱电磁波谱：把辐射按波长或者频率的大小排成的：把

3、辐射按波长或者频率的大小排成的 一个谱。一个谱。 电磁波的波谱电磁波的波谱 热辐射热辐射：0.10.1100100m m ，包括可见光线、部分紫外，包括可见光线、部分紫外 线和红外线线和红外线 0 0.38 .38 图图 电电 磁磁 辐辐 射射 波波 谱谱 0 0.76 .76 地球上的能量源泉是：地球上的能量源泉是：太阳辐射太阳辐射 读右图回答：读右图回答： 1、图中、图中A,B,C 分别表示哪个波分别表示哪个波 段的太阳辐射？段的太阳辐射？ A B C A紫外区，紫外区，B可见光，可见光， C红外区红外区 2、可见光的波长范围？、可见光的波长范围？ 3、太阳辐射能量最多的波长范围？、太阳辐

4、射能量最多的波长范围？ 0.4-0.76微米微米 可见光可见光 (0.40.76微米微米) 三、三、辐射辐射的粒子性：的粒子性： 辐射辐射的粒子学说认为：电磁辐射由具有一定质量、的粒子学说认为：电磁辐射由具有一定质量、 能量和动量的微粒子组成，这些微粒称为量子（或能量和动量的微粒子组成，这些微粒称为量子（或 光量子）。每一个光量子所具有的能量与其频率成光量子）。每一个光量子所具有的能量与其频率成 正比。关系式如下：正比。关系式如下： E = h 四、辐射场的物理量：四、辐射场的物理量： 1 1、辐射能通量：辐射能在传递过程中于单位时间内、辐射能通量：辐射能在传递过程中于单位时间内 达到或通过某

5、一表面积上的总辐射能量。达到或通过某一表面积上的总辐射能量。 2 2、辐射能通量密度：单位面积上的辐射能通量。也、辐射能通量密度：单位面积上的辐射能通量。也 称为辐射强度。称为辐射强度。 3 3、光通量、光通量 4 4、光通量密度（光照强度）、光通量密度（光照强度） 5 5、发光强度：从光源发出的给定方向单位立体角上、发光强度：从光源发出的给定方向单位立体角上 的光通量。的光通量。 6 6、亮度：垂直于观测方向上单位面积的发光强度。、亮度：垂直于观测方向上单位面积的发光强度。 不论何种物体，在它向外放出辐射的同时，必然会接受不论何种物体，在它向外放出辐射的同时，必然会接受 周围物体向它投射来的

6、辐射。物体对辐射的吸收、反射周围物体向它投射来的辐射。物体对辐射的吸收、反射 与透射能力分别是由与透射能力分别是由吸收率吸收率、反射率反射率和和透射率透射率来表示。来表示。 1、吸收率（、吸收率（a）:一个物体所吸收的能量与投射到该物一个物体所吸收的能量与投射到该物 体表面上的总辐射量之比。体表面上的总辐射量之比。 2、反射率（、反射率（r）：物体所反射的辐射能量与投射到该物）：物体所反射的辐射能量与投射到该物 体表面上的总辐射量之比。体表面上的总辐射量之比。 3、透射率（、透射率（t）:物体所透过的辐射能量与投射到该物体物体所透过的辐射能量与投射到该物体 表面上的总辐射量之比。表面上的总辐射

7、量之比。 五、辐射的吸收、反射与透射五、辐射的吸收、反射与透射 吸收率、反射率和透射率之间的关系吸收率、反射率和透射率之间的关系 对于一个均匀介质而言，三者之间有以下关系式：对于一个均匀介质而言，三者之间有以下关系式： a + r + t =1 根据上式，反射率和透射率都可以测得，根据上式，反射率和透射率都可以测得， 从而可以求得吸收率。从而可以求得吸收率。 1、黑体：如果投射到物体上面的辐射能全部、黑体：如果投射到物体上面的辐射能全部 被吸收，即物体对各种不同波长辐射的吸收率被吸收，即物体对各种不同波长辐射的吸收率 都等于都等于1，那么该物体就称为黑体。，那么该物体就称为黑体。 2、灰体：如

8、某物体的吸收率小于、灰体：如某物体的吸收率小于1，并且不，并且不 随波长而改变，这种物体就称为灰体。随波长而改变，这种物体就称为灰体。 黑体和灰体的概念黑体和灰体的概念 六、辐射的基本定律六、辐射的基本定律 1、 Stefan-Boltzmann定律定律 式中，式中，= 5.6710-8 w/(m2 K4)，Stefan-Boltzmann常数常数 描述了黑体辐射力随表面温度的变化规律。描述了黑体辐射力随表面温度的变化规律。 E=T4 黑体的辐射强度与其表面的绝对温度的四次方成正比。黑体的辐射强度与其表面的绝对温度的四次方成正比。 六、辐射的基本定律六、辐射的基本定律 m m与与T T的关系由

9、的关系由WienWien位移定律给出：位移定律给出： 2 2、维恩维恩WienWien位移定律位移定律（18931893热力学理论得出）热力学理论得出） 辐射能量最大值向短波方向移动的现象。辐射能量最大值向短波方向移动的现象。 地球的地球的T=300K,T=300K,太阳的太阳的T=6000K,T=6000K,可以求得地球和可以求得地球和 太阳的太阳的m m分别为分别为10um10um和和0.475um0.475um，因此，相对来，因此，相对来 说，气象学中称太阳辐射为短波辐射，地球辐射说，气象学中称太阳辐射为短波辐射，地球辐射 为长波辐射。为长波辐射。 m m T=2897T=2897微米微

10、米开开 【解【解】应用应用WienWien位移定律位移定律 T=2000KT=2000K时时 max max=2.9 =2.9 1010-3 -3/2000=1.45 /2000=1.45 m m T=5800KT=5800K时时 max max=2.9 =2.9 1010-3 -3/5800=0.50 /5800=0.50 m m 常见物体最大辐射力对应的波长在红外线区常见物体最大辐射力对应的波长在红外线区 太阳辐射最大辐射力对应的波长在可见光区太阳辐射最大辐射力对应的波长在可见光区 【例【例】试分别计算温度为试分别计算温度为2000K2000K和和5800K5800K的黑体的黑体 的最大光

11、谱辐射力所对应的波长。的最大光谱辐射力所对应的波长。 WienWien位移定律可位移定律可确定黑体的光谱辐射力峰值所对应的最大波长。确定黑体的光谱辐射力峰值所对应的最大波长。 六、辐射的基本定律六、辐射的基本定律 3 3、克希荷夫定律、克希荷夫定律 18591859年年克希荷夫通过实验得出：当热量平衡时，物体克希荷夫通过实验得出：当热量平衡时，物体 对某一波长的放射能力与物体对该波长的吸收率的比对某一波长的放射能力与物体对该波长的吸收率的比 值只是温度与波长的函数，而与物体的其他性质无关。值只是温度与波长的函数，而与物体的其他性质无关。 eT aT =ET e e T T表示物体对某一波长的放

12、射能力； 表示物体对某一波长的放射能力； a a T T表示物体对某一波长的吸收率； 表示物体对某一波长的吸收率； E E T T表示温度与波长的函数； 表示温度与波长的函数； 克希荷夫定律的推论克希荷夫定律的推论 1 1、对于不同性质的物体，当它的放射能力较、对于不同性质的物体，当它的放射能力较 强时，其吸收能力也较强，反之亦然。黑体强时，其吸收能力也较强，反之亦然。黑体 的吸收能力最强，因此它也是最强的放射体。的吸收能力最强，因此它也是最强的放射体。 2 2、对于同一物体，如果某一温度时放射某一、对于同一物体，如果某一温度时放射某一 波长的辐射，那么在同一温度下，它也吸收波长的辐射，那么在

13、同一温度下，它也吸收 这一波长的辐射。这一波长的辐射。 例、北方深秋季节的清晨，树叶叶面上常常结霜。 试问树叶上、下去面的哪一面结箱?为什么? 例、北方深秋季节的清晨，树叶叶面上常常结霜。例、北方深秋季节的清晨，树叶叶面上常常结霜。 试问树叶上、下去面的哪一面结霜试问树叶上、下去面的哪一面结霜? ?为什么为什么? ? 答：霜会结在树叶的上表面。因为清晨，上表答：霜会结在树叶的上表面。因为清晨，上表 面朝向太空，下表面朝向地面。而太空的温度面朝向太空，下表面朝向地面。而太空的温度 低于摄氏零度，而地球表面温度一般在零度以低于摄氏零度，而地球表面温度一般在零度以 上。由于相对树叶下表面来说，其上表

14、面需要上。由于相对树叶下表面来说，其上表面需要 向太空辐射更多的能量，所以树叶下表面温度向太空辐射更多的能量，所以树叶下表面温度 较高，而上表面温度较低且可能低于零度，因较高，而上表面温度较低且可能低于零度，因 而容易结霜。而容易结霜。 第二节第二节 太阳辐射太阳辐射 太阳是一个巨大、炽热、自行发光发热的星球太阳是一个巨大、炽热、自行发光发热的星球 ，内部温度高达，内部温度高达1.51.5107 k107 k，表面温度可达，表面温度可达 6000k6000k。太阳以电磁波的形式向外放射出巨大太阳以电磁波的形式向外放射出巨大 的能量，其辐射过程称为太阳辐射，放射出的能量，其辐射过程称为太阳辐射，

15、放射出 来的能量称为太阳辐射能。来的能量称为太阳辐射能。 第二节第二节 太阳辐射太阳辐射 1 1、什么是太阳辐射？、什么是太阳辐射？ 太阳源源不断地以电磁波的形式向四周放射能量。太阳源源不断地以电磁波的形式向四周放射能量。 太阳辐射能量的来源太阳辐射能量的来源 H H H H 高温高温 高压高压 H H H H 氦 太阳辐射能量来源于太阳内部的核聚变反应。太阳辐射能量来源于太阳内部的核聚变反应。 太阳辐射能量的来源太阳辐射能量的来源 每秒钟每秒钟4亿吨煤亿吨煤 22亿分之一亿分之一(地球地球) 太阳的能量太阳的能量 太阳辐射能对地球的影响 大气环流图大气环流图 世界洋流模式图世界洋流模式图 太

16、阳辐射能是维持地表温度，促进地球上太阳辐射能是维持地表温度，促进地球上 的水、大气、生物活动和变化的主要动力。的水、大气、生物活动和变化的主要动力。 太阳辐射能是日常生活和生产所用太阳辐射能是日常生活和生产所用 的能源的能源 读图：我国有哪些地区读图：我国有哪些地区 的太阳辐射量最大，哪的太阳辐射量最大，哪 些地区的太阳辐射量最些地区的太阳辐射量最 少？少？ 太阳的大气结构？ 从里到外为：光球、色球、日冕三层。从里到外为：光球、色球、日冕三层。 太阳活动的概念太阳活动的概念 太阳大气常有变化，甚至是剧烈的太阳大气常有变化，甚至是剧烈的 变化，这些变化通称为太阳活动。变化，这些变化通称为太阳活动

17、。 太阳活动的主要类型：黑子和耀斑太阳活动的主要类型：黑子和耀斑 北半球三个不同纬度带，太阳黑子与北半球三个不同纬度带，太阳黑子与 年降水的相关性不同。年降水的相关性不同。 1、5060N：黑子多黑子多降水少降水少 黑子多，降水多黑子多，降水多 黑子少黑子少降水多降水多 黑子少，降水少黑子少，降水少 1910年前年前 1910年后年后 2、6070N：黑子多，降水少；黑子少，降水多。黑子多，降水少；黑子少，降水多。 3、7080N：黑子多，降水多；黑子少，降水少。黑子多，降水多；黑子少，降水少。 2.太阳辐射光谱太阳辐射光谱 光谱曲线：以发射强度和波长为坐标绘制光谱曲线：以发射强度和波长为坐标

18、绘制 的曲线。的曲线。 太阳辐射的波长范围很广，从零到无穷大。太阳辐射的波长范围很广，从零到无穷大。 但大部分集中在但大部分集中在0.15-4um的范围中。其中的范围中。其中 可见光占可见光占50%，红外线区占，红外线区占43%，紫外线，紫外线 区占区占7%。 （nmnm）颜色颜色E E（kJ/molkJ/mol） 4000），使地 面降温，严重时对植物造成冷害甚至冻害。农林生产中的地面覆盖、温 室大棚等设施，都可以减少地面有效辐射，使地面及其一定空间内的空 气温度保持相对稳定，有利于植物的正常生长或安全越冬。逆温时 E0湿土；粗糙光滑；有覆盖气E00；地气E00正午最大;夜间R0, 冬季R0

19、正负转换时间因纬度而异,我国39N以 南R为正值,以北为负值月份较多. 辐射平衡辐射平衡 第五节第五节 太阳辐射对植物生长发育的影响太阳辐射对植物生长发育的影响 紫外线与植物生长发育紫外线与植物生长发育 1.抑制植物生长抑制植物生长促进植物干物质积累，加速繁殖器官的形成。 例例1高山植物之所以相对矮小；花卉色泽鲜艳。 例例2温室、塑料大棚内的植物比较细长。 例例3白炽灯光下栽培植物，生长的比较细长。 紫外线随太阳高度角和海拔高度如何变化？ 2.对土壤和种子有杀菌消毒作用对土壤和种子有杀菌消毒作用 3.对植物有刺激作用，促进种皮透性，提高种子萌发能力。对植物有刺激作用，促进种皮透性，提高种子萌发

20、能力。 例：例：农民在播前晒种、果树上山晒苗。 4.促进植物果实成熟；提高果实含糖量，提高蛋白质和维生素含量，改善促进植物果实成熟；提高果实含糖量，提高蛋白质和维生素含量，改善 农产品质。农产品质。 例例1向阳的果子，色泽红润，口味香甜； 例例2玻璃温室中栽培的黄瓜和番茄果实维C含量低于露地栽培 可见光与植物生长发育可见光与植物生长发育 光合有效辐射：光合有效辐射：能被叶绿素吸收并参与光合作用的太阳辐射光谱。 植物主要吸收红橙光和蓝紫光，表现出较强的光合作用。 1）蓝紫光使植物合成较多的蛋白质，红橙光下则形成较多的淀粉。 例例高山茶，纤维素含量较少，茶素和蛋白质含量高，为优质名茶。 2）蓝紫光

21、对植物生长有一定的抑制作用，影响植物向光运动。 例：例：波斯菊、向日葵、麦杆菊的向光运动。（生长素浓度差异引起） 3）黑光灯或萤光灯发出的短波光（0.33-0.44m），可诱杀害虫。 红外线与植物生长发育红外线与植物生长发育 不能被叶绿素吸收参与生化作用，只提供热量。 l 光照度与植物的生长发育光照度与植物的生长发育 光照度影响植物光合作用光照度影响植物光合作用 当CO2、H2O条件充足时，在一定温度和光照度范围内，光合强 度（CO2mol/dm2.h）随光照度增加而增加，制造的有机物随之增多， 相反光照度减弱，光合强度也减弱。制造的有机物随之减少。 光照度范围指：光饱和点光补偿点； 几种植物

22、的光饱和点和光补偿点几种植物的光饱和点和光补偿点 小麦棉花水稻光饱和点（lx）240003000050000 800004000050000光补偿点（lx）200400约750600700 植物光照生态类型有：植物光照生态类型有： 喜阳植物：喜阳植物：光补偿点（500lx1000lx）、饱和点较高（2.5lx6万lx C4植物的高达10万lx）。例例：如蒲公英、西瓜及许多农作物。 耐阴植物耐阴植物：光补偿点(500lx)、饱和点较低(1214）才 能开花。日长越长，越促进或提早长日照植物开花；缩短日照时间，则 会延迟甚至抑制长日照植物开花。例例：麦类、豌豆、亚麻、油菜、甜菜、 葫萝卜、洋葱、蒜

23、、菠菜、甘蓝、月见草、唐菖蒲。原产于高纬度。 几种长日照植物的临界日长几种长日照植物的临界日长 植物种类冬小麦菠菜甜菜白芥菜天仙子 临界日长（h）121313141411.5 2短日照植物短日照植物 短日照植物要求日照时间短于一定的临界值（1214）才能开 花。日长越短，越促进或提早短日照植物开花；延长日照时间，则会延 迟或抑制短日照植物开花。例例：菊花、君子兰、一品红、报春花、大豆、 玉米、高梁、豇豆、茼蒿。原产于低纬度。 几种短日照植物的临界日长几种短日照植物的临界日长 3中性日照植物中性日照植物 中性日照植物的成花对日照时间长短要求不严格，只要其它条件 适宜，在自然光周期条件下都能开花。

24、 例：例：茄子、黄瓜、四季豆、西红柿、月季、美人蕉、大丽花、香石竹、 仙客来。 植物美洲烟草草莓菊花苍耳早大豆晚大豆 临界日长14 10.5 11.5 1615.5171314 光周期理论在农生产中的应用光周期理论在农生产中的应用 1.光照时间与植物引种光照时间与植物引种 （1）纬度相近或同纬度地区之间引种容易成功。 （2）短日照植物北种南引，生育期缩短，应引晚熟品种，南种北引则相反。 （3）长日照植物北种南引生育期延迟，应引早熟品种，南种北引则相反。 长日照植物有“温抵偿现象。”短日照植物有“光温叠加现象。” 2.调节植物开花时间调节植物开花时间 例例 1 遮光可提早短日照花卉开花、延迟长日

25、照花卉开花。菊花。 例例2 加人造光源延长日照时数或夜间闪光可提早长日照花卉开花、延迟短日 照花卉开花。 例例3 在育种工作中有时遇到雌雄亲本花期不遇的问题，无法杂交。通过暗期 闪光、人工延长光照时间或适当遮光等技术措施调控光周期，使雌雄亲本同时 开花，以便顺利杂交，培育新品种。 3.改变植物休眠与促进植物生长改变植物休眠与促进植物生长 长日照条件能促进多年生植物的萌动生长，短日照条件则引起植 物落叶及休眠。 例例1 路灯旁的行道树，因为灯光延长了日照时数，使园林树木春季萌动、展叶 早，落叶较晚，进入休眠晚，生长期长。 例例2 秋季短日照条件下，很多植物因为叶片感受短日照刺激，产生脱落酸，从

26、而促进落叶及休眠。 l 提高植物光能利用率的途径提高植物光能利用率的途径 植物光能的利用率：植物光能的利用率：植物光合产物中贮存的能量占其所得到能量的百分率， 称为植物的光能利用率。 一般为0.5%1%，低产田只有0.1%0.2%，丰产田也3%左右。 合理密植合理密植 合理密植是提高植物产量的重要措施之一。 选育光能利用率高的品种选育光能利用率高的品种 在植物品种的选育过程中，应选育具有矮秆抗倒伏、叶片较短较直立、 叶片分布合理、耐荫性较强、适于密植及青秆黄熟等特点的植物品种， 这些特点有利于植物对光能的利用。 生长季的太阳光能生长季的太阳光能 采用间作、套种、复种、立体栽培、育苗移栽、地膜覆盖等。充分利用 生长季，提高光能利用率。 量之和生长季内太阳辐射日