气象学第二章辐射

气象学第二章辐射辐射就就是物体发射电磁波所有物体都在发射电磁波,也吸收电磁波电磁波就就是“光”;光就就是电磁波电磁波就是一种能量,无处不在,无时不在电磁波就是物体间能量交换得重要方式。光就是什么？辐射就是很危险得东西吗？紫外线消毒得原理？微波炉加热食物得原理？蓝色就是冷色,红色为暧色？太阳离地球很远,为何会带给地球温暖？晴朗得天空为何就是蓝色得,日落为红色？叶片为何就是绿色得？为何夏天穿黑色衣服感觉更热？主要内容1、辐射得基本知识2、太阳辐射太阳得高度与方位、昼长变化太阳辐射概述大气层对太阳辐射得影响到达地面得太阳辐射与植物得关系3、地面和大气辐射大气温室效应地面辐射大气辐射黑体与灰体辐射与电磁波辐射基本规律1、辐射得基本知识辐射定义电磁波辐射得基本规律

基尔霍夫定律(Kirchhoff)斯蒂芬—波茨曼(Stefan-Boltzman)定律维恩(Wien)位移定律辐射:物体发射电磁波任何物体(＞－273℃)都会向外发射电磁波电磁波？发射电磁波得强度发射什么样得电磁波物体对电磁波得吸收振动产生波墙10大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流所有得物体都由分子、原子等带电粒子组成“振动”得强烈程度即就是“温度”热辐射带电粒子得振动产生电磁波所有得带电粒子都在“振动”所有得物体都在辐射电磁波,且与温度有关辐射名称波长范围紫外线100埃～0.4微米可见光0.4微米～0.76微米红外线近红外0.76微米～3.0微米中红外3.0微米～6.0微米远红外6.0微米～15微米超远红外15微米～1000微米微波毫米波1～10毫米厘米波1～10厘米分米波10厘米～1米色彩名称波长范围紫0.40～0.43微米蓝0.43～0.47微米青0.47～0.50微米绿0.50～0.56微米黄0.56～0.59微米橙0.59～0.62微米红0.62～0.76微米不同电磁波得具体波长范围可见光波长范围斯蒂芬—波茨曼(Stefan-Boltzman)定律黑体和灰体

黑体:能将投射到其表面得辐射全部吸收得物体,如地面、太阳表面。只能部分吸收得为灰体黑体得辐射强度(E)与其表面得绝对温度(T)得四次方成正比,即:E=σT4

σ=5、67×10-8就是斯蒂芬—波茨曼常数。普通物体得辐射强度

E=εσT4

ε:辐射率维恩(Wien)定律物体辐射出各种波长得电磁波(辐射波谱)

物体辐射能力最强得电磁波波长与T成反比λmax=2897/T(μm)λmax辐射能力最强得电磁波波长例如:太阳表面温度为6000K,最大辐射波长λmax=2897/6000=0、48μm

地球表面得平均温度为288K,放射得最大辐射波长为

λmax=2897/288=10μm基尔霍夫定律(Kirchhoff)物体易发射某波段得电磁波,同时也易吸收相同波段得电磁波

物体对电磁波得吸收就是有选择性得,如大气、水、玻璃、塑料薄膜、雪等。(大气温室效应原理)铁在常温下为黑色,高温下为白色？黑色得路面、墙面等得温度变化红外测温仪、夜视设备、红外感应等冷血动物(蛇等)太阳能得利用2、太阳辐射2、1影响太阳辐射得天文因素2、2太阳辐射概述2、3大气层对太阳辐射得影响2、4到达地面得太阳辐射2、5植物与太阳辐射得关系2、1影响太阳辐射得天文因素太阳得高度、方位、昼长变化太阳高度与方位意义太阳高度日变化、年变化、地区变化正午太阳高度角建筑物朝向、温室顶面倾角、山得南北坡小气候差别、果园行向、空调安装方位等H正午＝90－A+BA:纬度

B:太阳赤纬,太阳直射点纬度春、秋分0

夏至23、5冬至－23、5

可查表、计算广州夏至、春分、冬日正午得太阳高度H夏至=90-A+B=90-23+23、5=90、5(180-90、5=89、5)H春分=90-A+B=90-23+0=67H冬至=90-A+B=90-23-23、5=43、5天顶南北夏至春分冬至北京夏至、春分、冬日正午得太阳高度H夏至=90-A+B=90-40+23、5=73、5H春分=90-A+B=90-40+0=50H冬至=90-A+B=90-40-23、5=26、5北南天顶春秋分太阳得高度与方位:日出正东正午正南日落正西太阳光线地平线天顶地平线北南夏至太阳方位日出东偏北正午日落西偏北回归线以北:正南回归线:天顶回归线以南:正北

冬至太阳方位日出东偏南正午正南日落西偏南昼长得时空变化昼长即就是太阳从地平面升起到落下得这段时间,也叫日长或可照时间。光照时间=昼长+曙光+暮光纬度越高,曙暮光时间越长与植物得光周期有关2、2太阳辐射概述

太阳辐射光谱辐射强度太阳常数辐射强度、照度、量子通量密度太阳辐射光谱

定义太阳辐射能随波长得分布曲线。大气上界得太阳辐射光谱图中:实线就是大气上界得太阳辐射光谱;虚线就是温度在6,000K时得黑体辐射光谱。

太阳辐射概述2、2太阳辐射概述波长范围,大约在0、15-4微米之间。能量分布波长较短得紫外光区7％波长较长得红外光区43％可见光区50％生理辐射或光合有效辐射2、2太阳辐射概述太阳辐射强度在垂直照射情况下在单位时间内、单位面积上所得到得辐射能量。太阳常数在日地平均距离得条件下,在地球大气上界得太阳辐射强度。1367W/m22、2太阳辐射概述辐射强度:w/m2,用能量计算。照度:光照强度,米烛光(lux),夏日中午可高达12万lux以上。照明等。光(量)子通量密度:E/m2·s1E=6、02×1022个光子,用于光合作用等较好。太阳紫外线(UV)(选讲)具有较高得能量,波长越短,能量越高。UVC

0、2-0、29得紫外线对生物有杀伤作用,可杀死单细胞生物,降低人体免役力,伤害人眼得视网膜,致使失明,好在这部分紫外线基本上被大气中得O3吸收掉了,很少到达地面。UVB

0、29-0、32波段紫外线有少量到达地面,这部分紫外线能量也较高,可穿透人得皮肤,产生日灼,甚至皮肤癌(90%得皮肤癌与有关),有意思得就是,UVB有利于维生素D得合成,而维生素D与人得健康关系密切。UVA0、32-0、4波段紫外线能量相对较低一些,可使皮肤变红,对免役系统有一定危害。紫外线作用下,皮肤细胞中会产生一些黑色素,黑色素可吸收紫外线,起到保护作用(白种人与日光,皮肤癌)。紫外线指数预报紫外线指数:中午前后到达地面得紫外线对人体可能造成得损害程度。用0至15表示。夜间为0,最强为15。

1级:0、1、2

2级:3、4

3级:5、6中等强度,有一定影响

4级:7、8、9较强,危害较大

5级:10以上,危害大,需预防2、3大气层对太阳辐射得影响吸收作用

散射作用

反射作用大气吸收大气反射吸收作用吸收后变为热能,可使气温升高吸收物质水气0、93～2、85微米之间臭氧0、2～0、3微米大气主体成份无吸收作用太阳辐射主体未被吸收太阳辐射不就是大气直接热源尘埃等眼对紫色不敏感水汽吸收最强得就是在红外区,从0、93-2、85微米之间得几个吸收带。最强得太阳辐射能就是短波部分,因此水汽从总得太阳辐射能里所吸收得能量就是不多得。据估计,太阳辐射因水汽得吸收可以减弱4-15％。

氮和氧,只有氧能微弱地吸收太阳辐射。在波长小于0、2微米处为一宽得吸收带,吸收能力较强;在0、69和0、76微米附近,各有一个窄吸收带,吸收能力较弱。

臭氧在大气中含量虽少,但对太阳辐射得吸收很强。0、2-0、3微米为一强吸收带,使小于0、29微米得太阳辐射不能到达地面。

二氧化碳对太阳辐射得吸收比较弱,仅对红外区4、3微米附近得辐射吸收较强,但这一区域得太阳辐射很微弱,被吸收后对整个太阳辐射影响不大。散射作用辐射遇到大气中得质点,以此为中心向四面八方散开。只改变方向。类型分子散射粗粒散射散射质点:分子散射强度:与波长得四次方成反比高层大气,或天空晴朗蓝天、多彩天空得原因天空多尘埃、云雾时散射质点:粒子散射强度:与波长无关又称雷莱散射反射作用云层反射平均达50～55％大气中较大颗粒得埃尘散射作用指向天空得部分由直接辐射和散射辐射组成影响因素太阳高度角大气状况:云量、尘埃大气透明度等海拔高纬和低纬度地区,冬天和夏天,平原和高原,晴天和阴天太阳辐射得差异？2、4到达地面得太阳辐射太阳高度角与辐射强度太阳高度角越大,辐射强度越强太阳高度角与辐射强度高度越小,路径越长,损失越少太阳直接辐射光谱与高度角得关系光谱成分0、551020305090紫外线00、41、02、02、73、24、7可见光31、238、641、042、44、43、45、3红外线68、861、058、056、54、52、50、0太阳辐射与植物关系l、波长大干1μm得辐射被植物吸收转为热能,不参与生化作用。2波长为0、72-1μm伸长起作用,其中0、7—0、8μm称为远红光,对光周期和种子形成有重要作用,并控制开花与果实颜色。3、波长为0、61—0、72μm得辐射(红、橙光)被叶绿素强烈吸收,光合作用最强4、波长为0、51—0、61μm得辐射(绿光)

表现为低光合作用与弱成形作用。

5、波长0、4—0、51μm得辐射(蓝、紫光)被叶绿素强烈吸收,表现强得光合作用与成形作用

6、波长0、315—0、4μm得辐射起成形作用,如使植物变矮、叶片变厚等。7、波长0、28—0、315μm得辐射对大多数植物有害。8、波长小于0、28μm得辐射能立即杀死植物。

3、地面和大气辐射地面辐射大气辐射大气逆辐射地面有效辐射地面净辐射大气温室效应地面辐射1～30μm主要在10μm附近如地面温度15℃时:

E=εσT4=0、9×5、67×10-8×2884

=346、7(w/m2)

λmax=2897/T=2897/288=10(μm)一般,波长＞4μm称长波辐射波长＜4μm称短波辐射

大气辐射辐射主体:co2、水气、云、尘埃等大气逆辐射大气辐射中向下得那一部分大气天窗大气在8～12μm吸收率很小就是地表失去能量得通道影响因素地面有效辐射就是地表实际失去得辐射能即地面辐射－大气逆辐射地表温度,越高,辐射力越强空气温度,越高,大气逆辐射越强空气湿度,越大,有效辐射越小天空云量,越多,有效辐射越小海拔高度,越高,有效辐射越大地面净辐射RR＝(S＋D)×(1－a)-F0S:直接辐射D:散射辐射a:反射率F0:地面有效辐射到达地面得太阳辐射地面得到得太阳辐射又称地面