01輻射概念規(guī)律

1、第五章地面和大氣中的輻射過(guò)程1學(xué)習(xí)要求 提前預(yù)習(xí) 課堂聽(tīng)講 習(xí)題（復(fù)習(xí)）2第五章地面和大氣中的輻射過(guò)程大氣運(yùn)動(dòng)的能量來(lái)源于太陽(yáng)輻射，地面和大氣中的輻射過(guò)程從大尺度開(kāi)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。3大氣輻射學(xué)研究輻射能在地球-大氣系統(tǒng)內(nèi)傳輸和轉(zhuǎn)換的規(guī)律及其應(yīng)用，屬大氣物理學(xué)的一個(gè)重要分支。是天氣學(xué)、氣候?qū)W、動(dòng)力氣象學(xué)、應(yīng)用氣象學(xué)、大氣化學(xué)和大氣遙感等學(xué)科的理論基礎(chǔ)之一。學(xué)習(xí)、研究的意義學(xué)習(xí)、研究的意義輻射能是地面和大氣的基本能量來(lái)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(chǔ)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中需要定量化考察大氣輻射過(guò)程氣候問(wèn)題輻射強(qiáng)迫

2、近年來(lái)人類(lèi)活動(dòng)造成的地球大氣氣候變遷成為大氣科學(xué)研究熱點(diǎn)，其原因也在于人類(lèi)活動(dòng)所排放的某些物質(zhì)會(huì)改變地球大氣中的輻射過(guò)程所致。光的本性之爭(zhēng)17世紀(jì)70年代微粒說(shuō)（牛頓）和波動(dòng)說(shuō)（胡克、惠更斯）光學(xué)170419世紀(jì)初波動(dòng)說(shuō)（橫波）占統(tǒng)治地位（托馬斯.楊和菲涅耳）20世紀(jì)統(tǒng)一簡(jiǎn)史麥克斯韋和電磁場(chǎng)方程的建立W. Weber (1804-1891)G. F. B. Riemann (18261866)James Clerk Maxwell (1831-1879)1887年，德國(guó)物理學(xué)家赫茲(HRHenz，18571894)才用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了麥克斯韋關(guān)于電磁波的預(yù)言“法拉第一麥克斯韋的電動(dòng)力學(xué)使物理學(xué)家們?cè)?/p>

3、長(zhǎng)期猶豫不決之后，終于逐漸地放棄了有可能把全部物理學(xué)建立在牛頓力學(xué)之上的信念?！睈?ài)因斯坦文集簡(jiǎn)史1880-1900七大實(shí)驗(yàn)1887年赫茲證實(shí)電磁波-光電效應(yīng)1887年的邁克耳孫一莫雷實(shí)驗(yàn)以太1895年倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線(xiàn)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(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)史簡(jiǎn)史現(xiàn)代大氣輻射學(xué)的理論基礎(chǔ)Max Planck (1858-1947)德國(guó)物理學(xué)家1901：Plancks Law1918 Nobel PrizeQuantum theory Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887)德國(guó)物理

4、學(xué)家1859：Kirchhoffs Law光譜學(xué)電學(xué)發(fā)現(xiàn)了銫和銣簡(jiǎn)史現(xiàn)代大氣輻射學(xué)的理論基礎(chǔ)Joseph Stefan (1835-1893)奧地利物理學(xué)家、詩(shī)人1884：Stefan-Boltzmann lawStefan flow熱學(xué)電磁學(xué)1904 Nobel PrizeThere always something will remain, that we shall not know, why? 簡(jiǎn)史現(xiàn)代大氣輻射學(xué)的理論基礎(chǔ)Ludwig Boltzmann (1844-1906)奧地利物理學(xué)家1884：Stefan-Boltzmann law（理論推導(dǎo)）統(tǒng)計(jì)力學(xué)簡(jiǎn)史現(xiàn)代大氣輻射學(xué)的理論基

5、礎(chǔ)Lord Rayleigh(John William Strutt 1842-1919)英國(guó)物理學(xué)家1871：Rayleigh Scattering聲學(xué)電學(xué)1904 Nobel Prize簡(jiǎn)史現(xiàn)代大氣輻射學(xué)的理論基礎(chǔ)Wilhelm Wien (1864-1928)德國(guó)物理學(xué)家1893：Wiens Displacement Law1911 Nobel Prize定義 black body簡(jiǎn)史現(xiàn)代大氣輻射學(xué)的理論基礎(chǔ)簡(jiǎn)史現(xiàn)代大氣輻射學(xué)的理論基礎(chǔ)Gustav Mie (1868-1957)德國(guó)物理學(xué)家1908：Mie theory簡(jiǎn)史現(xiàn)代大氣輻射學(xué)的完善20世紀(jì)20年代：計(jì)算地-氣系統(tǒng)的輻射收支3

6、0年代：輻射傳輸?shù)幕驹?950年：美籍巴基斯坦學(xué)者Subramanyan Chandrasekhar 1983 Nobel PrizeRadiative Transfer Clarendon Press, Oxford, 1950, reprinted by Dover Publications, New York, 393 pp., 1960.簡(jiǎn)史現(xiàn)代大氣輻射學(xué)的完善1964:英國(guó)Richard M. GoodyAtmospheric Radiation, Theoretical Basis, (second edition by R. M. Goody and Y. Yung), Ox

7、ford University Press, 436 pp., 1964, 519 pp., 1989.1969：蘇聯(lián)地球物理學(xué)家Kondratyev, K. Ya. Radiation in the Atmosphere. Academic Press簡(jiǎn)史現(xiàn)代大氣輻射學(xué)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(jiǎn)史近年來(lái)的主要研究發(fā)展大氣遙感探測(cè)的理論和方法建立具有物理基礎(chǔ)的實(shí)際大氣輻射模式人類(lèi)活動(dòng)對(duì)全球氣候和局地大氣環(huán)境的影響太陽(yáng)活動(dòng)的變化對(duì)氣候的影響簡(jiǎn)史華人的貢獻(xiàn)1932年：嚴(yán)濟(jì)慈采用照相光度術(shù)方法，精確測(cè)定了臭氧在全部紫外區(qū)域（即215-345納米）的吸收系數(shù)，并

8、發(fā)現(xiàn)了若干新光帶國(guó)際臭氧委員會(huì)把嚴(yán)濟(jì)慈精確測(cè)定的吸收系數(shù)定為標(biāo)準(zhǔn)值，各國(guó)氣象學(xué)家用以每日測(cè)定高空臭氧層厚度的變化，長(zhǎng)達(dá)年之久簡(jiǎn)史華人的貢獻(xiàn)程純樞(1914-1997）根據(jù)1931-1935年南京地區(qū)日射強(qiáng)度記錄，計(jì)算過(guò)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(dāng)時(shí)最完善的水汽與CO2紅外吸收系數(shù)資料，重新計(jì)算了北半球大氣輻射圖及大氣冷卻率，其計(jì)算精度超過(guò)了當(dāng)時(shí)的國(guó)際水平廖國(guó)男（Kuo-Nan Liou）參考書(shū)目教材類(lèi)廖國(guó)男著，1980，周詩(shī)健等譯，1985：大氣輻射導(dǎo)論，氣象出版社。第2版，2005，120元Liou, K.N., 1980: An I

9、ntroduction 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(shū)目教材類(lèi)尹宏編著，1993：大氣輻射學(xué)基礎(chǔ)，氣象出版社劉長(zhǎng)盛、劉文保編著，1990：大氣輻射學(xué)，南京大學(xué)出版社。周秀驥等，1991：高等大氣物理學(xué)，氣象出版社Grant W. Petty, A First Course In Atmos

10、pheric Radiation. Sundog Publishing, Madison, Wisconsin, 446 pp. 2004.參考書(shū)目參考類(lèi)吳北嬰等編著，1998，大氣輻射傳輸實(shí)用算法，氣象出版社。大氣光學(xué)分子散射Paltridge, G. W. and C. M. Platt, 1976, 呂達(dá)仁等譯，1981：氣象學(xué)和氣候?qū)W中的輻射問(wèn)題?？茖W(xué)出版社。M. Iqbal, 1983, An Introduction to Solar Radiation, Academic Press.參考書(shū)目參考類(lèi)Jacqueline Lenoble, 1993, Atmospheric Rad

11、iative Transfer, A . Deepak Publishing.Chandrasekhar, S., Radiative Transfer, Clarendon Press, Oxford, 1950, reprinted by Dover Pub., New York, 393 pp., 1960.Goody, R. M., Atmospheric Radiation, Theoretical Basis, (second edition by R. M. Goody and Y. Yung), Oxford University Press, 436 pp., 1964, 5

12、19 pp., 1989.參考書(shū)目參考類(lèi)Kondratyev, K. Ya., 1969: Radiation in the Atmosphere. Academic PressSobolev, 1975: Light Scattering in Planetary Atmosphere.參考書(shū)目期刊類(lèi)Applied OpticsJournal of the Atmospheric Sciences 5.1 輻射的基本知識(shí)5.1.1 電磁波譜5.1.2 描述輻射場(chǎng)的物理量295.1 輻射的基本知識(shí)自然界一切物體都時(shí)刻不停地以電磁波的形式向四周傳遞能量，同時(shí)也接收外界投射來(lái)的電磁波，這種能量傳遞

13、的方式稱(chēng)為輻射。以這種方式傳遞的能量，稱(chēng)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(zhǎng)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(zhǎng)10mm對(duì)應(yīng)的頻率和波數(shù)？5.1.1 電磁波譜不同波長(zhǎng)的電磁波有不同的物理特性，因此可以用波長(zhǎng)來(lái)區(qū)分輻射，并給以不同的名稱(chēng)，稱(chēng)之為電磁波譜。5.1.1 電磁波譜5.1.1 電磁波譜紫外線(xiàn)：uv-A：0.315-0.400 微米u(yù)v-B：0.280-0.315微米u(yù)v-C：0.150-0.280微米可見(jiàn)光紅外線(xiàn)：近紅外：0.7-2.5微米遠(yuǎn)紅外：2.5-1000微米微波無(wú)線(xiàn)電波長(zhǎng)波、短波：4微米FLUXFLUX

14、: INVERSE SQUARE LAW5.1.2 描述輻射場(chǎng)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(chǎng)的物理量立體角輻射能Q能量:焦耳、熱力學(xué)卡（1k=4.1840J）輻射通量 （radiant flux 輻射功率W）單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)任意表面的輻射能量，單位為J/s，即W5.1.2 描述輻射場(chǎng)的物理量輻射通量密度E(radiant flux density)單位時(shí)間通過(guò)單位面積的輻射能量，單位為W/m2。設(shè)面元為dA：表示面元接受的F時(shí)，又稱(chēng)輻照度（irradiance）表示從物體表面發(fā)射出的E，又稱(chēng)輻出度、輻射度、輻射能

15、力（emittance）。5.1.2 描述輻射場(chǎng)的物理量輻射強(qiáng)度L(radiance輻亮度、輻射率)單位立體角、單位時(shí)間、單位面積所通過(guò)的輻射能量，單位為W/m2sr5.1.2 描述輻射場(chǎng)的物理量輻射強(qiáng)度L(radiance輻亮度、輻射率)光度計(jì)示意圖5.1.2 描述輻射場(chǎng)的物理量 CE318自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)分光光度計(jì)5.1.2 描述輻射場(chǎng)的物理量單色與譜段積分輻射量5.1.2 描述輻射場(chǎng)的物理量各向同性輻亮度L與觀(guān)測(cè)方向（q , ） 無(wú)關(guān)（L是立體角的函數(shù)，即與方向有關(guān)各向異性）均勻輻射L與觀(guān)測(cè)位置（x, y, z） 無(wú)關(guān)（ L是觀(guān)測(cè)位置的函數(shù)非均勻輻射）定常輻射L與時(shí)間t無(wú)關(guān)（ L與時(shí)間t的函

16、數(shù)非定常輻射）5.1.2 描述輻射場(chǎng)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(yuǎn)小于垂直方向的變化率，因此經(jīng)?？杉僭O(shè)大氣是水平均一的，相應(yīng)的大氣模型在大氣輻射學(xué)中稱(chēng)為平面平行大氣。5.1.2 描述輻射場(chǎng)的物理量平面平行大氣可把從各個(gè)方向射來(lái)的輻亮度在垂直方向的分量累加起來(lái)，其計(jì)算公式為5.1.2 描述輻射場(chǎng)的物理量?jī)糨椛渫棵芏然騼糨椪斩扔?jì)算水平面上的輻射通量密度，分別對(duì)從上半球和下半球入射輻射的垂直分量進(jìn)行積分凈輻照度5.1.2 描述輻射場(chǎng)的物理量?jī)糨椛渫棵芏然騼糨椪斩容椛淠苁罩檎簹鈱訙囟壬撸环粗禍亍?.1.2 描述輻射場(chǎng)的物理量?jī)糨椛渫棵芏然騼糨椪斩?.1.2

17、 描述輻射場(chǎng)的物理量點(diǎn)輻射源假設(shè)點(diǎn)源向四周發(fā)射是均勻的，發(fā)射輻射的功率為0 ，以點(diǎn)源為中心畫(huà)一個(gè)半徑為r的球面，則通過(guò)球表面的輻照度為點(diǎn)源的輻照度（或輻射通量密度）將隨r 2減小。 5.1.2 描述輻射場(chǎng)的物理量平行輻射當(dāng)光源的距離足夠遠(yuǎn)時(shí)，所有來(lái)自該光源的輻射傳輸方向可以認(rèn)為是相互平行的，這種輻射常被稱(chēng)為平行輻射(或平行光)特點(diǎn)：在不考慮吸收散射等因素時(shí)，平行光的輻射通量密度應(yīng)當(dāng)是常數(shù)，即在任何位置上設(shè)置一個(gè)和輻射傳輸方向相垂直的平面，通過(guò)這平面的輻射通量密度都應(yīng)當(dāng)是一個(gè)常數(shù)。5.1.2 描述輻射場(chǎng)的物理量平行輻射大氣輻射中，常把來(lái)自太陽(yáng)的直接輻射看作平行光。因?yàn)榈厍螂x太陽(yáng)的距離為149,5

18、97,890 km，而大氣輻射學(xué)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(gè)范圍中，太陽(yáng)輻射的強(qiáng)度僅變化(149597890+6371)/149597890)2 = 1.000085。因此把太陽(yáng)輻射當(dāng)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(chǎng)的物理量平行輻射對(duì)于平行輻射，由于輻射能是在同一個(gè)方向傳播，射線(xiàn)所張的立體角為零，此時(shí)輻射強(qiáng)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(yáng)輻射通量密度5.1.2 描述輻射場(chǎng)的物理量面輻射源特點(diǎn)是它可以向2立體角中發(fā)射輻射能。對(duì)平面平行大氣，水平方向的輻射分量都是相同的，它們

19、對(duì)局地能量平衡不起作用。因此只關(guān)心垂直方向的輻射通量密度。5.1.2 描述輻射場(chǎng)的物理量余弦輻射體或Lambert光源輻射強(qiáng)度不隨方向變化的面輻射源如黑體、太陽(yáng)、陸地表面平靜水面？例5.1(朗伯定律)5.1.2 描述輻射場(chǎng)的物理量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(yáng)輻射和地球輻射的區(qū)別60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(guò)率)A + R + = 1 5.2.1 吸收率、反射率和透射率對(duì)于單色輻射，稱(chēng)為單色吸收率、反射率和透射率。分別記

20、為Al , Rl , l 各種物體對(duì)不同波長(zhǎng)的輻射具有不同的吸收率與放射率，構(gòu)成了該物體的吸收光譜或輻射光譜。反照率：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(duì)黑體所有波長(zhǎng)吸收率均為1A = 1單色黑體某一波長(zhǎng)吸收率為1Al = 1 灰體吸收率不隨波長(zhǎng)變化但小于15.2.1 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(zhì)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(guò)程相當(dāng)緩慢，物體中內(nèi)能的分布來(lái)得及變化均勻，這時(shí)物體的溫度雖然在變化，但每一給定瞬間，物體的

21、狀態(tài)可以看作是平衡的，仍可用一定的溫度來(lái)描述。地球大氣中的輻射過(guò)程，一般認(rèn)為地面至60公里以下的大氣處于局地輻射平衡狀態(tài)，因此可以應(yīng)用平衡輻射的規(guī)律來(lái)解訣平流層以下的大氣輻射學(xué)的問(wèn)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(guān)系，二者比值只是波長(zhǎng)和溫度的函數(shù)，與物體性質(zhì)無(wú)關(guān)，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(xiě)成意義：將物體的吸收能力和放射能力聯(lián)系起

22、來(lái)將各種物質(zhì)的吸收、放射能力與黑體的吸收放射能力聯(lián)系起來(lái)。Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887)德國(guó)物理學(xué)家1859：Kirchhoffs Law光譜學(xué)電學(xué)發(fā)現(xiàn)了銫和銣Kirchhoff LawPlanck Law對(duì)于絕對(duì)黑體物質(zhì)，單色輻射通量密度與發(fā)射物質(zhì)的溫度和輻射波長(zhǎng)或頻率的關(guān)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(zhì)組成無(wú)關(guān)黑體輻射強(qiáng)度隨溫度增高而增大Stefan-Boltzmann Law最大強(qiáng)度的波長(zhǎng)隨溫度增高而減小Wien位移定律Max Planck (1858-1

23、947)德國(guó)物理學(xué)家1901：Plancks Law1918 Nobel PrizeQuantum theory Planck LawStefan-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(duì)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(cè)量物體溫度的基礎(chǔ)。將太陽(yáng)視作絕對(duì)黑體而計(jì)算出的溫度稱(chēng)為太陽(yáng)的有效溫度，約為5777K，與太陽(yáng)表面的實(shí)際溫度略有差異。如果不是絕對(duì)黑體，反演出的溫度就會(huì)偏低。Joseph Stefan (1835-1893)奧地利物理學(xué)家、詩(shī)人1884：Stefan-Boltzmann lawStefan