第二章辐射能

第二章辐射能第一页，共八十六页，编辑于2023年，星期五本章主要内容：1、熟悉辐射的基本概念、辐射的基本特征量、辐射的基本定律；2、掌握太阳辐射强度、太阳高度角、太阳辐射光谱、太阳常数的概念、计算及应用；3、了解大气对辐射的吸收、辐射在大气中的减弱规律，理解太阳直接辐射的日变化和年变化规律；4、理解和掌握日照时间长短的概念及变化规律；5、了解光合有效辐射、地面有效辐射的概念；6、掌握光合作用强度、光补偿点、光饱和点、植物光周期现象的概念及它们在农业生产上的应用。第二页，共八十六页，编辑于2023年，星期五

第一节辐射的一般知识

(Basicknowledgeofradiation)一、辐射的概念(conceptofradiation)1、定义：物体以电磁波或粒子的形式放射或输送能量的过程。2、辐射的波动性：电磁波谱电磁波按波长不同顺序排列，称为电磁波谱。λ*ν=3*108ms-1第三页，共八十六页，编辑于2023年，星期五0.40.7610波长(μm)10-510-410-310-2可见光

红外线

无线电波电磁波谱的划分

γ射线

紫外线大气辐射X射线太阳辐射第四页，共八十六页，编辑于2023年，星期五

可见光中各色光的波长范围第五页，共八十六页，编辑于2023年，星期五碳原子3、辐射的粒子性粒子（量子）的概念：微观世界的某些物理量不能连续变化而只能以某一最小单位的整数倍发生变化，这些最小单位就称为该量的量子。如电子是量子，每个量子的能量为：E=h*νh=6.63*10-27尔格.秒第六页，共八十六页，编辑于2023年，星期五

h为普朗克常数h

＝6.626×10-34J·s

1焦耳（J）＝107尔格

4、辐射的度量和单位辐射通量（F）、辐射通量密度（E）辐射通量：单位时间通过任意面积上的辐射能量。单位：J·s-1或W或(μmols-1)第七页，共八十六页，编辑于2023年，星期五辐射通量密度（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或μmolm-2s-1

E=dF/(ds.dt)dFdsdFds辐射通量密度又被称为辐射强度、辐射能力或放射能力。

第八页，共八十六页，编辑于2023年，星期五光通量、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第九页，共八十六页，编辑于2023年，星期五二、物体对辐射的吸收、反射和透射

(Theabsorption,reflectionandtransmission

ofobjectonradiation)

物体对辐射的吸收、反射和透射能力，分别以吸收率a、反射率r、和透射率t来表示。根据能量守恒原理：可得出a+r+t=1第十页，共八十六页，编辑于2023年，星期五物体对辐射的吸收、反射和透射吸收率(a)

：a=Qa/Q

反射率(r)

：r=Qr/Q

透射率(d)

：d=Qd/Q

入射反射吸收透射第十一页，共八十六页，编辑于2023年，星期五入射Q反射Qr吸收Qa透射Qt第十二页，共八十六页，编辑于2023年，星期五

讨论：（1）a+r+t=1给出了物体的吸收率a、反射率r、和透射率t之间的定量关系，而且,0≤a≤1，0≤r≤1，0≤t≤1（2）不同的物体，其a、r、t各不相同，它们分别随物体性质的改变而变化。（3）同一物质，对不同波长的辐射，其a、r、t也各不相同，这种性质，称为

物体对辐射的选择性吸收、反射和透射。第十三页，共八十六页，编辑于2023年，星期五

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＝１，r＝d＝０。灰体：透射率d＝０，吸收率a＝（１－r），且a不随波长而变化的物体。

第十四页，共八十六页，编辑于2023年，星期五三、辐射的基本定律

(Basiclawsofradiation)定义：a=1的物体为黑体，a=const<1的物体为灰体。1、斯蒂芬----波尔兹曼定律E=σT4σ=5.67*10-5尔格.厘米-2.开-4意义：黑体表面的辐射强度E，与其表面绝对温度T的4次方成正比。第十五页，共八十六页，编辑于2023年，星期五2、维恩位移定律λmax=c/TC=2.898*10-1厘米.开意义：物体的温度愈高，它向外放出辐射光谱中具有最大能量所对应的波长愈短。第十六页，共八十六页，编辑于2023年，星期五010203040506070μm

不同温度的黑体辐射能量曲线352821147能量第十七页，共八十六页，编辑于2023年，星期五第十八页，共八十六页，编辑于2023年，星期五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，地面和大气辐射是长波辐射。第十九页，共八十六页，编辑于2023年，星期五

第二节大气上界的太阳辐射

(Solarradiationonupperatmosphere)一、太阳的光源来源(Thesource)：氢原子的聚合反应4(

H)(4He)+2(+

e)+能量第二十页，共八十六页，编辑于2023年，星期五二、日地关系

(Therelationshipbetweenthesunandtheearth)

1、地球的公转运动：公转轨道为一椭圆、公转一周的时间为一年。2、地球的自转运动：绕地轴旋转，自转一周为一天。第二十一页，共八十六页，编辑于2023年，星期五3、地轴与地球公转轨道面的交角为66.5°，且地球在公转过程中，地轴方向保持不变。4、太阳直射地球的位置（直射点），用太阳赤纬δ来表示。它在数值上与当地的地理纬度相等。-23.5°≤δ≤23.5°(N)第二十二页，共八十六页，编辑于2023年，星期五第二十三页，共八十六页，编辑于2023年，星期五冬季夏季春季秋季第二十四页，共八十六页，编辑于2023年，星期五90°第二十五页，共八十六页，编辑于2023年，星期五三、太阳高度角

h

(Solarelevationangle)1、定义：太阳光线与地平面之间的夹角，称为太阳高度角。规定：0°≤h≤90°h第二十六页，共八十六页，编辑于2023年，星期五2、太阳高度角的计算方法某地（φ）、某日（δ）、某时（t）的太阳高度角为：Sinh=SinφSinδ+CosφCosδCost特别地，t=0°时，

h=90°-φ+δ第二十七页，共八十六页，编辑于2023年，星期五太阳直接辐射强度的变化太阳直接辐射强度第二十八页，共八十六页，编辑于2023年，星期五四、昼夜形成和日照长短

(Thecauseofdayandnightandthesunshineduration)1、昼夜形成昼：受光的半球夜：背光的半球2、日照时间长短（1）日照时间：日出到日落的时间。第二十九页，共八十六页，编辑于2023年，星期五冬季夏季春季秋季第三十页，共八十六页，编辑于2023年，星期五（2）昼夜长短随季节（时间）、纬度的变化

对北半球（φ）≥0°(N)

夏半年（δ≥0°，22/3—22/9）各地日照时数均≥12小时，且纬度愈高，日照时间愈长，北极圈以内为永昼。

冬半年（δ≤0°，23/9—21/3）各地日照时数均≤12小时，且纬度愈高，日照时间愈短，北极圈以内为永夜。第三十一页，共八十六页，编辑于2023年，星期五（3）春分日和秋份日，δ=0°，太阳直射赤道，全球各地日照时间均为12小时。（4）赤道上，

φ=0°，全年的日照时间均为12小时。第三十二页，共八十六页，编辑于2023年，星期五

纬度月份0o20o30o40o50o70o112.0811.0410.259.398.330412.0612.3612.5513.1513.4516.08712.0813.1413.5414.4515.5824.001012.0711.4111.2711.1210.499.12日照时数简表（各月15日值。单位：小时）第三十三页，共八十六页，编辑于2023年，星期五五、太阳常数(Solarconstant)So

当日地处于平均距离时,在地球大气上界,垂直于太阳光线方向,单位时间内单位面积上接收到的太阳辐射能,就称为太阳常数,记为SoSo＝１.９6卡.厘米－２分－１

＝1367W.m-2=1.4

.

105Lux(lx)第三十四页，共八十六页，编辑于2023年，星期五S0So＝１.９6卡.厘米－２分－１

＝1367W.m-2

=1.4.105Lux(lx)

第三十五页，共八十六页，编辑于2023年，星期五90°第三十六页，共八十六页，编辑于2023年，星期五六、太阳辐射光谱(spectrum)能量相对值

100100200400600800100015002000波长（nm）806040200红外线可见光紫外线第三十七页，共八十六页，编辑于2023年，星期五

第三节太阳辐射在大气中的减弱

(Decreaseofsolarradiationthroughtheatmosphere)一、大气对太阳辐射的吸收(Atmosphericabsorptiononsolarradiation)

1、O3和O2的吸收O3：吸收0.2—0.32μm的紫外辐射，O2：吸收小于0.2μm的远紫外辐射。2、水汽的吸收（包括云层）吸收最强在0.93—2.85μm第三十八页，共八十六页，编辑于2023年，星期五第三十九页，共八十六页，编辑于2023年，星期五3、CO2的吸收主要吸收4.8μm附近的辐射大气共吸收了太阳辐射的19％，其中：

O3和O2吸收3％水汽吸收13％CO2吸收3％第四十页，共八十六页，编辑于2023年，星期五二、大气对太阳辐射的散射

(Atmosphericscatteringonsolarradiation)

1、散射的概念（1）定义：光束在媒介中传播时，部分光线偏离原传播方向而分散传播的现象。（2）引起散射的原因：媒质密度不均匀媒质中存在其它物质的微粒第四十一页，共八十六页，编辑于2023年，星期五2、散射定律根据散射质点直径D和入射辐射的波长λ的相对大小，把散射分为：

分子散射和粗粒散射（1）当λ＞＞D，称为分子散射；此时，单个微粒的散射辐射强度与波长的4次方成反比。（2）当λ≈D，称为粗粒散射散射质点对各波长辐射的散射能力一致。第四十二页，共八十六页，编辑于2023年，星期五三、太阳直接辐射的光谱成分

(Spectrumcomponentofdirectbeamsolarradiation)

不同太阳高度角时，可见光中各色光的能量分布（占可见光总能量的百分数）太阳高度角红光黄光绿光蓝光紫光90°262320201130°32222018910°4925141120°8313400第四十三页，共八十六页，编辑于2023年，星期五四、天空散射辐射的光谱成分

(Spectrumcomponentofskyscatteringradiation)天空散射辐射能量分布与太阳高度角的关系（能量百分比）波长（nm）﹤400400～600﹥6009025.853.520.76024.654.221.23020.456.123.535.953.340.8太阳高度角（°）第四十四页，共八十六页，编辑于2023年，星期五五、大气对太阳辐射的反射

(Atmosphericreflectiononsolarradiation)

云层的平均反射率约为50%，其中：高云的反射率为25%中云的反射率为50%低云的反射率为65%第四十五页，共八十六页，编辑于2023年，星期五

第四节到达地面的太阳辐射

(Thesolarradiationofreachingearth'ssurface)

一、到达地面的太阳辐射能量1、大气量m当h=90°时，定义大气层的厚度为一个大气量，且m=1当太阳高度角为h时定义：m=1/sinh=cschh

m=1第四十六页，共八十六页，编辑于2023年，星期五2、大气透明系数p

(Atmospherictransparentcoefficient)定义:太阳辐射穿过一个大气量后的太阳辐射强度S1与大气上界的太阳常数S0

之比，称为大气透明系数。

即p=S1/S0第四十七页，共八十六页，编辑于2023年，星期五3、太阳辐射穿过m大气量后，到达

垂直于太阳光线表面上的太阳

辐射强度Sm由p=S1/S0S1=S0p

p=S2/S1S2=S1p=S0p2由数学归纳法可得：

Sm=S0pm

第四十八页，共八十六页，编辑于2023年，星期五4、到达水平面上的太阳直接辐射

强度与太阳高度角的关系S′=Ssinh=S0pm

sinhS=S0pm

c

bS′ah第四十九页，共八十六页，编辑于2023年，星期五5、太阳直接辐射强度的变化太阳直接辐射强度第五十页，共八十六页，编辑于2023年，星期五二、天空散射辐射强度D

D=S0(1-pm

)sinh/2三、太阳总辐射强度Q

Q=S′+D四、地面反射辐射

不同性质的地面，对太阳辐射的反射率不同。

a+r+t=1第五十一页，共八十六页，编辑于2023年，星期五第五节地面辐射平衡

(Balanceoftheearth'ssurfaceradiation)

辐射平衡或辐射差额，是指某一物质表面上辐射能的收支差值。

一、地面辐射(surfaceradiation)Ee=

δ

σT4第五十二页，共八十六页，编辑于2023年，星期五二、地面有效辐射Fe

(Effectiveradiationofthesurface)地面有效辐射Fe

是指地面辐Ee与大气逆辐射Ea之差。

Fe=Ee-δEa第五十三页，共八十六页，编辑于2023年，星期五

三、地面辐射平衡方程

(Radiationbalanceequationofthesurface)收入：（S′+D)（1-α）+Ea支出：Ee辐射平衡方程:R=（S′+D）（1-α）+Ea-Ee（S′+D)（1-α

）

Ea

Ee第五十四页，共八十六页，编辑于2023年，星期五四、地面辐射平衡的变化

(Variationofthesurfaceradiationbalance)

24681012141616202224

辐射差额时间第五十五页，共八十六页，编辑于2023年，星期五第六节太阳辐射与生物

(Solarradiationandlivingthings)一.太阳辐射强度与作物生长发育1.

植物的光合作用强度.光饱和点.光补偿点(1)光合作用强度(photosyntheticintensity)定义:单位时间内单位叶面积上合成有机物量或同化CO2的量,就称为光合作用强度．单位：mg．s－１．cm－２

第五十六页，共八十六页，编辑于2023年，星期五(2)光饱和点(photo-saturationpoint)

定义：太阳辐射强度增加到一定程度时，光合作用强不再增加，这时的光照强度称为光饱和点.(3)光补偿点(photo-compensationpoint)

定义：太阳辐射强度减弱到一定程度后，光合作用产物与呼吸消耗量相等，这时的太阳辐射强度称为光补偿点.第五十七页，共八十六页，编辑于2023年，星期五

2.太阳辐射强度与作物生长发育和品质的关系(Therelationshipbetweensolarradiationandcropgrowthandcropqualify)

不同的作物、作物在不同生育期对光照的要求不同。

营养生长需要相对的弱光繁殖器官生长需要强光

第五十八页，共八十六页，编辑于2023年，星期五

3.光的强度对园艺植物的影响

(Influenceofphoto-intensityonhorticulturalplant)

不同的园艺植物对光照的要求不同。果树一般需要强光；叶菜需要相对的弱光；根据花卉对光照强度的不同要求，可把花卉四大类：（1）阳性花卉喜强光，不耐阴，必须在全日光照下，才能正常生长发育。如一串红、鸡冠花、一品红、桃花、梅花、月季、米兰、海棠、菊花等，这些花卉如光照不足，会造成枝叶徒长、组织柔软不充实、叶色变淡、难于开花或开花不良。第五十九页，共八十六页，编辑于2023年，星期五第六十页，共八十六页，编辑于2023年，星期五

（2）中性花卉

不喜强光，稍能耐阴，在光照充足或微阴下可以生长良好。如桂花、夹竹桃、棕榈、苏铁、樱花等。第六十一页，共八十六页，编辑于2023年，星期五

（3）阴性花卉

适于光照不足或散射光条件下生长的花卉，要求遮阴度保持在50％，不能忍受强光直射。如杜鹃、山茶、马蹄莲、万年青等及观叶植物。第六十二页，共八十六页，编辑于2023年，星期五（4）强阴性花卉要求遮阴度达80％左右，不能适应强烈的光照，如兰科和蕨类等种类。第六十三页，共八十六页，编辑于2023年，星期五二．太阳辐射时间长短与作物生长

发育(Sunshinedurationandcropgrowth)１．

植物的光周期(photoperiod)定义：植物在长期的生长发育过程中，对昼夜长短产生反应，在一年的特定时间开花、结果、落叶、休眠等，统称为植物的光周期现象。

２

.

根据作物开花结果对光照时间的要求，把作物分成长日照作物、短日照作物和光中性作物。

第六十四页，共八十六页，编辑于2023年，星期五第六十五页，共八十六页，编辑于2023年，星期五（1）长日照作物如小麦、大麦、燕麦、甜菜、菠菜等，需要每天12个小时以上的光照才能开花。

长日照作物一般原产高纬（温带）。第六十六页，共八十六页，编辑于2023年，星期五第六十七页，共八十六页，编辑于2023年，星期五

长日照花卉如绣球花、紫罗兰、凤仙花、金鱼草等，需要每天12个小时以上的光照才能开花。长日照花卉在夏天开花，一般原产高纬（温带）。第六十八页，共八十六页，编辑于2023年，星期五

（2）短日照作物晚稻、玉米、大豆、棉花等，如果在发育期每天只有10—13小时的光照，就能加快发育，提前开花；反之，日照时数超过13小时，就会推迟开花甚至不开花。短日照作物一般原产热带或亚热带。第六十九页，共八十六页，编辑于2023年，星期五

短日照花卉

一品红、蟹爪兰等，如果在发育期每天只有8—12小时的光照，就能加快发育，提前开花；反之，日照时数超过12小时，就会推迟还花甚至不开花。短日照花卉一般原产热带或亚热带。第七十页，共八十六页，编辑于2023年，星期五（3）光中性花卉

它们对日照长短并不敏感，只要生长正常，就不影响开花。如月季、紫茉莉、石竹、仙客来、天竺葵等。第七十一页，共八十六页，编辑于2023年，星期五（3）光中性作物它们对日照长短并不敏感，只要生长正常，就不影响开花。如早稻、西红柿等。第七十二页，共八十六页，编辑于2023年，星期五4、光照与引种长日照植物：北种南引，开花期推后，生育期会延长；南种北引，生育期会缩短，开花期提前短日照植物：南种北引，开花期推后，生育期会延长；北种南引，生育期会缩短，开花期提前。第七十三页，共八十六页，编辑于2023年，星期五①长日照植物→南种北引：生育期缩短→引迟熟种

②长日照植物→北种南引：生育期延长→引早熟种

③短日照植物→南种北引：生育期延长→引早熟种④短日照植物→北种南引：生育期缩短→引迟熟种第七十四页，共八十六页，编辑于2023年，星期五①长日照植物→南种北引：生育期缩短→引迟熟种

②长日照植物→北种南引：生育期延长→引早熟种

③短日照植物→南种北引：生育期延长→引早熟种④短日照植物→北种南引：生育期缩短→引迟熟种第七十五页，共八十六页，编辑于2023年，星期五

三、太阳辐射光谱与作物生长发育

(Solarradiantspectrumandcropgrowth)

１．叶绿素a和叶绿素b的吸收光谱

400500600700波长（纳米）

叶绿素a和叶绿素b的吸收光谱1601208060相对吸收ab第七十六页，共八十六页，编辑于2023年，星期五２、光周期的一般作用光谱

(Generaleffectivespectrumof

photoperiod)

400500600700波长(nm)

光周期的一般作用光谱相对强度第七十七页，共八十六页，编辑于2023年，星期五３、不同光谱成分对植物的影响（1）λ﹥1000nm被植物吸收转化为热