第五章-地面和大气中的辐射过程2-大气物理学ppt课件

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1、第五章地面和大气中的辐射过程大气运动的大气运动的能量来源能量来源于太阳辐射，地面和大气中的于太阳辐射，地面和大气中的辐射过程从大尺度开始辐射过程从大尺度开始控制控制了地球大气系统的能量了地球大气系统的能量平衡，从而平衡，从而决定决定了地球气候的基本特征。了地球气候的基本特征。严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。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。严格执行突发事件上报制度、校外活动报

2、批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。FAQ 1.1,Figure 1.Estimate of the Earths annual and global mean energy balance.Source:IPCC_AR4_Kiehl and Trenberth(1997).严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。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。

3、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严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。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。严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。5.1.1 电磁波谱c =speed of light in a vacuum=

4、3.0 x 108 m/sl =wavelength(m)v =frequency(1/s or s-1)严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。l=c,E=h v=h c/lE=Energy(joules,or j),h=Plancks constant=6.63 x 10-34 j-s,v=frequency(1/s or s-1)c=speed of light in a vacuum(m/s),l=wavelength(m)Electromagnetic radiation is characterized by

5、its frequency,wavelength l,wave number or photon energy严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。5.1.1 电磁波谱严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。5.1.1 电磁波谱例1：波长10 m对应的频率和波数？严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。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

6、射，并给以不同的名称，称之为电磁波谱。http:/www.lbl.gov/MicroWorlds/ALSTool/EMSpec/EMSpec2.html严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。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、

7、短波：4微米严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。FLUX严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。Flux:inverse square law平方反比定律是表示辐射能通过空间传播方式的原则,表示光的强度与到光源的距离的平方成反比 严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。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:Steradi

8、an）严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。5.1.2 描述辐射场的物理量立体角严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。Solid AnglesStudy of radiation requires the use of solid angles.A solid angle is the ratio of the subtended area()of the surface of a sphere divided by the square of t

9、he spheres radius(r):2rSolid angle units are steradians sr.For a sphere of surface area 4r2,the solid angle subtended by the entire sphere is 4,by a hemisphere is 2,etc.Figure this page from Liou严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。辐射能Q能量:焦耳、热力学卡（1k=4.1840J）辐射通量（radiant flux 辐射功率W

10、）单位时间内通过任意表面的辐射能量，单位为J/s，即WdQdt5.1.2 描述辐射场的物理量严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。5.1.2 描述辐射场的物理量 辐射通量密度E(radiant flux density)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）。ddQEdAdtdA严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类

11、违纪行为或突发事件。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 m-2 sr-1.5.1.2 描述辐射场的物理量(,)dELxyztdddA ddQdA dtd严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。辐射强度 L(radiance 辐亮度、辐射率)全自动太阳分光光度计 CE-318 为高精度野外太阳和天空辐射测量仪器，具有易携带安装，自动瞄准，太阳能供电，可自动传输数据等特点。主要用于测量太阳和天空在可见光和近红外的不同波段、不同方向、不同时间的辐射亮度，来推算

12、大气汽溶胶，水汽，臭氧等成分的特性。5.1.2 描述辐射场的物理量严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。单色与谱段积分辐射量21QQ dllll5.1.2 描述辐射场的物理量严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。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严格执行

13、突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。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严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。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cosELdll严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止

14、、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。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*EEE2/20020/2cos sincos sinELd dELd d 严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。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严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。净辐射通量密度或净辐照度5.1

15、.2 描述辐射场的物理量严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。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r 2减小。5.1.2 描述辐射场的物理量024Er严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。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，

16、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严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。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149,597,890 km,而大气辐射学中讨论的最大尺度是地球半径的尺度,即6,371 km.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

17、是合理的.5.1.2 描述辐射场的物理量严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。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cosSS严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。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

18、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严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。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FL5.2 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严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。能量守恒 Q0=Qa+Qr+Qt

19、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、反射率和透射率严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。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、反射率和透射率严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。绝对黑体：所有波长吸

20、收率均为1，A=1。单色黑体：某一波长吸收率为1，Al=1。灰 体：吸收率不随波长变化，但小于1。A Black Body is an object that absorbs all light that falls on it(no light is reflected or transmitted).The object appears black when it is relatively cold.5.2.1 吸收率、反射率和透射率严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。十九世纪，科学家们普遍认为古典力学的理论已趋

21、于完备，然而对于黑体辐射存在现象，却无法用古典理论于予解释，对于黑体辐射所衍 生的问题，在科学家的努力下渐渐揭开其神秘面纱，在揭开其神秘面纱的同时也引领我们进入另一全新的领域量子力学。1859年，德国物理学家Kirchhoff辐射定律（law of radiation）指出物体在已知温度下，对辐射能之放射率或吸收率与物体表面之性质有关。而黑色物质对辐射能具有较大的吸收能力。如果一个物体在任何温度下能吸收任何频率的辐射能，那么这个物体便称为黑体。事实上，完全黑体并不存在，研究黑体辐射时，常以人工制成一完全黑体讨论之。如图所示，当外界辐射能经由小孔射于空腔时，此辐射能经过多次反射后，几乎无机会再由

22、小孔出现，故可视为辐射能被空腔所完全吸收，而称之以完全黑体。若加热此物体至某一温度，观察由小孔辐射出之光谱其光谱与在同一温度之黑体黑体BlackbodyBlackbody所吸收辐射者，完全相同。黑体辐射严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。Much of a persons energy is radiated away in the form of infrared energy.Some materials are transparent to infrared light,while opaque to visib

23、le light(note the plastic bag).Other materials are transparent to visible light,while opaque or reflective to the infrared(note the mans glasses).严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。BLACKBODY RADIATION严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。普朗克定律 斯蒂芬-波尔兹曼定律 韦恩位移定律

24、 基尔霍夫定律5.2.2 平衡辐射的基本规律严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。Planck Law 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 Law：第一辐射常数第二辐射常数22/111552(,)(1)(1)chCTkTBCc hFTeelllll2hcCk严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。Planck Law2B/1151(,)(,)(e1)CTBTF TClll普朗克函数普朗克函数(黑体分

25、光辐亮度黑体分光辐亮度)严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。Planck Law 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-Boltzmann Law 最大强度的波长随温度增高而减小Wien位移定律严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。Max Planck(1858-1947)德国物理学家1901:Plancks Law1918:Nobel PrizeQuantum theory 严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度

26、等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。Stefan-Boltzmann Law 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。4TFBT严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。Joseph Stefan(1835-1893)奥地利物理学家、诗

27、人1884:Stefan-Boltzmann lawStefan flow热学电磁学1904:Nobel Prize严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。Ludwig Boltzmann (1844-1906)奥地利物理学家1884:Stefan-Boltzmann law理论推导统计力学严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。Wilhelm Wien (1864-1928)德国物理学家1893:Wiens Displacement Law1911:

28、Nobel Prize定义 Black Body5.2.2 平衡辐射的基本规律严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。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6000 K黑体，l max=0.42 m（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色温。max2897.8()TmKl严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。Wien位移定律严格执行突发事件上报制度、校外活

29、动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。Planck functionWiens LawStefan-Boltzman lawBLACKBODY RADIATIONT=temperature(K)s=Stefan Boltzman constant严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。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

30、，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严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887)德国物理学家1859:Kirchhoffs Law光谱学电学发现了铯和铷Kirchhoff Law严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报

31、并处理各类违纪行为或突发事件。Kirchhoff Law 在辐射平衡条件下，任何物体的单色辐射通量密度FT与吸收系数AT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,TBTFFTAlll严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。Kirchhoff Law 若定义比辐射率 ,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。TTA,ll严格执

32、行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。太阳辐射的能量集中在0.1m至4.0m之间 地球大气辐射的能量主要集中在4m至120m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4m分界。5.2.3 太阳辐射和地球辐射严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。5.2.3 太阳辐射和地球辐射严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。相对能量大小:在所有的波长，太阳表面的辐射通量都远大于地球表面辐射通量。但辐射通量在传输过程中随距离的平方减小。在地球表面或离地面几百公里的范围内，在长波波段，地球的辐射通量远大于太阳的辐射通量，故常常可以忽略太阳的作用。例如，在大气上界，入射的太阳长波辐射通量约 10 Wm-2，而地球出射的长波辐射通量约270 W m-2。对于全波段辐射通量密度，太阳、地球两者辐射通量密度数量级接近5.2.3 太阳辐射和地球辐射严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。习题第120页(1)(2)(3)