大氣物理學：01輻射概念規(guī)律

1、1,第五章地面和大氣中的輻射過程,學習要求,提前預習 課堂聽講 習題（復習）,3,第五章地面和大氣中的輻射過程,大氣運動的能量來源于太陽輻射，地面和大氣中的輻射過程從大尺度 開始控制了地球大氣系統(tǒng)的能量平衡， 從而決定了地球氣候的基本特征。,大氣輻射學,研究輻射能在地球-大氣系統(tǒng)內(nèi)傳輸和轉換的規(guī)律及其應用，屬大氣物理學的一個重要分支。 是天氣學、氣候學、動力氣象學、應用氣象學、大氣化學和大氣遙感等學科的理論基礎之一。,學習、研究的意義,學習、研究的意義,輻射能是地面和大氣的基本能量來源，輻射是地氣系統(tǒng)與宇宙空間能量交換的唯一方式 輻射傳輸規(guī)律是大氣遙感的理論基礎 數(shù)值天氣預報中需要定量化考察大

2、氣輻射過程 氣候問題輻射強迫 近年來人類活動造成的地球大氣氣候變遷成為大氣科學研究熱點，其原因也在于人類活動所排放的某些物質會改變地球大氣中的輻射過程所致。,光的本性之爭 17世紀70年代 微粒說（牛頓）和波動說（胡克、惠更斯） 光學1704 19世紀初波動說（橫波）占統(tǒng)治地位（托馬 斯.楊和菲涅耳） 20世紀統(tǒng)一,簡史,麥克斯韋和電磁場方程的建立 W. Weber (1804-1891) G. F. B. Riemann (18261866) James Clerk Maxwell (1831-1879) 1887年，德國物理學家赫茲(HRHenz，18571894)才用實驗證實了麥克斯韋關

3、于電磁波的預言 “法拉第一麥克斯韋的電動力學使物理學家們在長期猶豫不決之后，終于逐漸地放棄了有可能把全部物理學建立在牛頓力學之上的信念?！睈垡蛩固刮募?簡史,1880-1900七大實驗 1887年赫茲證實電磁波-光電效應 1887年的邁克耳孫一莫雷實驗以太 1895年倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線 1896年貝可勒爾發(fā)現(xiàn)了放射性輻射 1897年J.J. 湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子 1898年居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性元素 Planck黑體輻射實驗,簡史,簡史現(xiàn)代大氣輻射學的理論基礎,Max Planck (1858-1947) 德國物理學家 1901：Plancks Law 1918 Nobel Prize Quantum t

4、heory,Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887) 德國物理學家 1859：Kirchhoffs Law 光譜學 電學 發(fā)現(xiàn)了銫和銣,簡史現(xiàn)代大氣輻射學的理論基礎,Joseph Stefan (1835-1893) 奧地利物理學家、詩人 1884：Stefan-Boltzmann law Stefan flow 熱學 電磁學 1904 Nobel Prize,There always something will remain, that we shall not know, why?,簡史現(xiàn)代大氣輻射學的理論基礎,Ludwig Boltzmann (1844-

5、1906) 奧地利物理學家 1884：Stefan-Boltzmann law （理論推導） 統(tǒng)計力學,簡史現(xiàn)代大氣輻射學的理論基礎,Lord Rayleigh(John William Strutt 1842-1919) 英國物理學家 1871：Rayleigh Scattering 聲學 電學 1904 Nobel Prize,簡史現(xiàn)代大氣輻射學的理論基礎,Wilhelm Wien (1864-1928) 德國物理學家 1893：Wiens Displacement Law 1911 Nobel Prize 定義 black body,簡史現(xiàn)代大氣輻射學的理論基礎,簡史現(xiàn)代大氣輻射學的理論

6、基礎,Gustav Mie (1868-1957) 德國物理學家 1908：Mie theory,簡史現(xiàn)代大氣輻射學的完善,20世紀20年代：計算地-氣系統(tǒng)的輻射收支 30年代：輻射傳輸?shù)幕驹?1950年：美籍巴基斯坦學者Subramanyan Chandrasekhar 1983 Nobel Prize,Radiative Transfer Clarendon Press, Oxford, 1950, reprinted by Dover Publications, New York, 393 pp., 1960.,簡史現(xiàn)代大氣輻射學的完善,1964:英國Richard M. Goody

7、 Atmospheric Radiation, Theoretical Basis, (second edition by R. M. Goody and Y. Yung), Oxford University Press, 436 pp., 1964, 519 pp., 1989. 1969：蘇聯(lián)地球物理學家Kondratyev, K. Ya. Radiation in the Atmosphere. Academic Press,簡史現(xiàn)代大氣輻射學的完善,70年代后：非球形粒子的吸收和散射、輻射傳輸方程的數(shù)值解法,簡史近年來的主要研究,發(fā)展大氣遙感探測的理論和方法 建立具有物理基礎的實際大

8、氣輻射模式 人類活動對全球氣候和局地大氣環(huán)境的影響 太陽活動的變化對氣候的影響,簡史華人的貢獻,1932年：嚴濟慈采用照相光度術方法，精確測定了臭氧在全部紫外區(qū)域（即215-345納米）的吸收系數(shù)，并發(fā)現(xiàn)了若干新光帶 國際臭氧委員會把嚴濟慈精確測定的吸收系數(shù)定為標準值，各國氣象學家用以每日測定高空臭氧層厚度的變化，長達年之久,簡史華人的貢獻,程純樞(1914-1997）根據(jù)1931-1935年南京地區(qū)日射強度記錄，計算過大氣消光系數(shù)，分析了大氣混濁度因子 1944：郭曉嵐（Hsiao-Lan Kuo）根據(jù)當時最完善的水汽與CO2紅外吸收系數(shù)資料，重新計算了北半球大氣輻射圖及大氣冷卻率，其計算精

9、度超過了當時的國際水平 廖國男（Kuo-Nan Liou）,參考書目教材類,廖國男著，1980，周詩健等譯，1985：大氣輻射導論，氣象出版社。第2版，2005，120元 Liou, K.N., 1980: An Introduction to Atmospheric Radiation. Academic Press, New York, 392 pp. Liou, K.N., 2002: An Introduction to Atmospheric Radiation. 2nd edition, Academic Press, San Diego, 583 pp.,參考書目教材類,尹宏編著

10、，1993：大氣輻射學基礎，氣象出版社 劉長盛、劉文保編著，1990：大氣輻射學，南京大學出版社。 周秀驥等，1991：高等大氣物理學，氣象出版社 Grant W. Petty, A First Course In Atmospheric Radiation. Sundog Publishing, Madison, Wisconsin, 446 pp. 2004.,參考書目參考類,吳北嬰等編著，1998，大氣輻射傳輸實用算法，氣象出版社。 大氣光學分子散射 Paltridge, G. W. and C. M. Platt, 1976, 呂達仁等譯，1981：氣象學和氣候學中的輻射問題。科學出版

11、社。 M. Iqbal, 1983, An Introduction to Solar Radiation, Academic Press.,參考書目參考類,Jacqueline Lenoble, 1993, Atmospheric Radiative Transfer, A . Deepak Publishing. Chandrasekhar, S., Radiative Transfer, Clarendon Press, Oxford, 1950, reprinted by Dover Pub., New York, 393 pp., 1960. Goody, R. M., Atmosp

12、heric Radiation, Theoretical Basis, (second edition by R. M. Goody and Y. Yung), Oxford University Press, 436 pp., 1964, 519 pp., 1989.,參考書目參考類,Kondratyev, K. Ya., 1969: Radiation in the Atmosphere. Academic Press Sobolev, 1975: Light Scattering in Planetary Atmosphere.,參考書目期刊類,Applied Optics Journa

13、l of the Atmospheric Sciences,29,5.1 輻射的基本知識,5.1.1 電磁波譜 5.1.2 描述輻射場的物理量,5.1 輻射的基本知識,自然界一切物體都時刻不停地以電磁波的形式向四周傳遞能量，同時也接收外界投射來的電磁波，這種能量傳遞的方式稱為輻射。 以這種方式傳遞的能量，稱為輻射能。 以橫波形式在空間傳播，速度即光速,5.1.1 電磁波譜,電磁波描述 波長 頻率f 波數(shù) 波速c,5.1.1 電磁波譜,5.1.1 電磁波譜,例1：波長10mm對應的頻率和波數(shù)？,5.1.1 電磁波譜,不同波長的電磁波有不同的物理特性，因此可以用波長來區(qū)分輻射，并給以不同的名稱，稱

14、之為電磁波譜。,5.1.1 電磁波譜,5.1.1 電磁波譜,紫外線： uv-A：0.315-0.400 微米 uv-B：0.280-0.315微米 uv-C：0.150-0.280微米 可見光 紅外線： 近紅外：0.7-2.5微米 遠紅外：2.5-1000微米 微波 無線電波 長波、短波：4微米,FLUX,FLUX: INVERSE SQUARE LAW,5.1.2 描述輻射場的物理量,立體角 錐體所攔截的球面積與半徑r的平方之比，單位為球面度（sr：Steradian）,5.1.2 描述輻射場的物理量,立體角,輻射能Q 能量:焦耳、熱力學卡（1k=4.1840J） 輻射通量 （radiant

15、 flux 輻射功率W） 單位時間內(nèi)通過任意表面的輻射能量，單位為J/s，即W,5.1.2 描述輻射場的物理量,輻射通量密度E(radiant flux density) 單位時間通過單位面積的輻射能量，單位為W/m2。設面元為dA： 表示面元接受的F時，又稱輻照度（irradiance） 表示從物體表面發(fā)射出的E，又稱輻出度、輻射度、輻射能力（emittance）。,5.1.2 描述輻射場的物理量,輻射強度L(radiance輻亮度、輻射率) 單位立體角、單位時間、單位面積所通過的輻射能量，單位為W/m2sr,5.1.2 描述輻射場的物理量,輻射強度L(radiance輻亮度、輻射率) 光度

16、計示意圖,5.1.2 描述輻射場的物理量,CE318自動跟蹤太陽分光光度計,5.1.2 描述輻射場的物理量,單色與譜段積分輻射量,5.1.2 描述輻射場的物理量,各向同性 輻亮度L與觀測方向（q , ） 無關（L是立體角的函數(shù)，即與方向有關各向異性） 均勻輻射 L與觀測位置（x, y, z） 無關（ L是觀測位置的函數(shù)非均勻輻射） 定常輻射 L與時間t無關（ L與時間t的函數(shù)非定常輻射）,5.1.2 描述輻射場的物理量,平面平行大氣 考慮到大氣中各種變量在水平方向的變化率遠小于垂直方向的變化率，因此經(jīng)?？杉僭O大氣是水平均一的，相應的大氣模型在大氣輻射學中稱為平面平行大氣。,5.1.2 描述輻射

17、場的物理量,平面平行大氣 可把從各個方向射來的輻亮度在垂直方向的分量累加起來，其計算公式為,5.1.2 描述輻射場的物理量,凈輻射通量密度或凈輻照度 計算水平面上的輻射通量密度，分別對從上半球和下半球入射輻射的垂直分量進行積分 凈輻照度,5.1.2 描述輻射場的物理量,凈輻射通量密度或凈輻照度 輻射能收支為正：氣層溫度升高；反之降溫。,5.1.2 描述輻射場的物理量,凈輻射通量密度或凈輻照度,5.1.2 描述輻射場的物理量,點輻射源 假設點源向四周發(fā)射是均勻的，發(fā)射輻射的功率為0 ，以點源為中心畫一個半徑為r的球面，則通過球表面的輻照度為 點源的輻照度（或輻射通量密度）將隨r 2減小。,5.1

18、.2 描述輻射場的物理量,平行輻射 當光源的距離足夠遠時，所有來自該光源的輻射傳輸方向可以認為是相互平行的，這種輻射常被稱為平行輻射(或平行光) 特點：在不考慮吸收散射等因素時，平行光的輻射通量密度應當是常數(shù)，即在任何位置上設置一個和輻射傳輸方向相垂直的平面，通過這平面的輻射通量密度都應當是一個常數(shù)。,5.1.2 描述輻射場的物理量,平行輻射 大氣輻射中，常把來自太陽的直接輻射看作平行光。 因為地球離太陽的距離為149,597,890 km，而大氣輻射學中討論的最大尺度是地球半徑的尺度，即6,371 km。 在這樣一個范圍中，太陽輻射的強度僅變化(149597890+6371)/1495978

19、90)2 = 1.000085。因此把太陽輻射當作平行光，其輻照度不隨距離變化是合理的。,5.1.2 描述輻射場的物理量,平行輻射 對于平行輻射，由于輻射能是在同一個方向傳播，射線所張的立體角為零，此時輻射強度的概念不再適用。 這種情況下，只需要知道平行輻射的方向和輻射通量密度即可。 地面接收的太陽輻射通量密度,5.1.2 描述輻射場的物理量,面輻射源 特點是它可以向2立體角中發(fā)射輻射能。 對平面平行大氣，水平方向的輻射分量都是相同的，它們對局地能量平衡不起作用。因此只關心垂直方向的輻射通量密度。,5.1.2 描述輻射場的物理量,余弦輻射體或Lambert光源 輻射強度不隨方向變化的面輻射源

20、如黑體、太陽、陸地表面 平靜水面？ 例5.1(朗伯定律),5.1.2 描述輻射場的物理量,60,5.2 輻射的物理規(guī)律,5.2.1 吸收率、反射率和透射率 5.2.2 平衡輻射的基本規(guī)律 5.2.3 太陽輻射和地球輻射的區(qū)別,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 (透過率) A + R + = 1,5.2.1 吸收率、反射率和透射率,對于單色輻射，稱為單色吸收率、反射率和透射率。分別記為Al , Rl , l 各種物體對不同波長的輻射具有不同的吸收率與放射率，構成了該物體的吸收光譜或輻射光譜。 反照

21、率：物體表面的反射輻射通量與入射輻射通量之比,5.2.1 吸收率、反射率和透射率,絕對黑體 所有波長吸收率均為1 A = 1 單色黑體 某一波長吸收率為1 Al = 1 灰體 吸收率不隨波長變化 但小于1,5.2.1 吸收率、反射率和透射率,？黑色物體,BLACKBODY RADIATION,輻射平衡狀態(tài) 吸收和發(fā)射輻射能量相等：1）物質熱狀況保持不變，可用一確定溫度表示；2）各向同性 局地輻射平衡狀態(tài) 如果輻射熱交換的過程相當緩慢，物體中內(nèi)能的分布來得及變化均勻，這時物體的溫度雖然在變化，但每一給定瞬間，物體的狀態(tài)可以看作是平衡的，仍可用一定的溫度來描述。 地球大氣中的輻射過程，一般認為地面

22、至60公里以下的大氣處于局地輻射平衡狀態(tài)，因此可以應用平衡輻射的規(guī)律來解訣平流層以下的大氣輻射學的問題,5.2.2 平衡輻射的基本規(guī)律,Kirchhoff Law,在輻射平衡條件下，任何物體的單色輻射通量密度FT與吸收系數(shù)AT成正比關系，二者比值只是波長和溫度的函數(shù)，與物體性質無關，比值大小等于Planck函數(shù)的通量密度形式,Kirchhoff Law,若定義比輻射率(Emissivity) , T為物體的放射能力F , T和黑體的輻射能力FB (l ,T )之比，則基爾霍夫定律可以寫成 意義： 將物體的吸收能力和放射能力聯(lián)系起來 將各種物質的吸收、放射能力與黑體的吸收放射能力聯(lián)系起來。,Gu

23、stav Robert Kirchhoff (1824-1887) 德國物理學家 1859：Kirchhoffs Law 光譜學 電學 發(fā)現(xiàn)了銫和銣,Kirchhoff Law,Planck Law,對于絕對黑體物質，單色輻射通量密度與發(fā)射物質的溫度和輻射波長或頻率的關系 Planck定律： 第一輻射常數(shù) 第二輻射常數(shù),Planck Law,普朗克函數(shù) (黑體分光輻亮度),Planck Law,黑體輻射與物質組成無關 黑體輻射強度隨溫度增高而增大 Stefan-Boltzmann Law 最大強度的波長隨溫度增高而減小 Wien位移定律,Max Planck (1858-1947) 德國物理學

24、家 1901：Plancks Law 1918 Nobel Prize Quantum theory,Planck Law,Stefan-Boltzmann Law,黑體的積分輻射通量密度與溫度的4次方成正比 由溫度可以求出絕對黑體的積分輻射通量密度；反之，也可由積分輻射通量密度反求其溫度，這就是用輻射方法測量物體溫度的基礎。 將太陽視作絕對黑體而計算出的溫度稱為太陽的有效溫度，約為5777K，與太陽表面的實際溫度略有差異。 如果不是絕對黑體，反演出的溫度就會偏低。,Joseph Stefan (1835-1893) 奧地利物理學家、詩人 1884：Stefan-Boltzmann law Stefan f