第八章電磁輻射環(huán)境改版ppt課件

1、電磁輻射環(huán)境物體以輻射的方式傳送交換的能量。輻射的根本知識一、輻射及其特性 輻射物體以電磁波或粒子流方式向周圍傳送或交換能量的方式。 輻射能 根本特性波粒二象性 動搖性Vf 動搖性的反映 電磁波譜稱號波長范圍紫外線100埃0.4微米可見光0.4微米0.76微米紅外線近紅外0.76微米3.0微米中紅外3.0微米6.0微米遠紅外6.0微米15微米超遠紅外15微米1000微米微波毫米波110毫米厘米波110厘米分米波10厘米1米顏色稱號波長范圍紫0.400.43微米藍0.430.47微米青0.470.50微米綠0.500.56微米黃0.560.59微米橙0.590.62微米紅0.620.76微米不同

2、電磁波的詳細波長范圍可見光波長范圍 粒子性其中h6.62610-34Js，稱為普朗克常數(shù)。 輻射的度量和單位輻射通量、輻射通量密度 輻射通量及單位：定義：單位時間經(jīng)過恣意面積上的輻射能量。單位：Js-1或W 輻射通量密度E及單位定義：單位面積上的輻射通量。單位： Js-1m-2或Wm-2E=dF/(ds.dt)dFdsdFds輻射通量密度又被稱為輻射強度、輻射才干或放射才干。 光通量、光通量密度、照度 光通量及單位定義：表征輻射通量而產(chǎn)生光覺得的量。單位：流明lm 光通量密度及單位定義：單位面積上的光通量。單位：流明/米2lmm-2 照度及單位定義：單位面積上接受的光通量。單位： lx，音譯為

3、勒克斯，1 lx=1 lmm-2 物體對輻射的吸收、反射和透射 概念吸收率(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 a、r、d的變化黑體：對于投射到該物體上一切波長的輻射都能全部吸 收的物體稱為絕對黑體。故有：a，rd。 灰體：透射率d，吸收率ar，且a不隨波 長而變化的物體。 二、輻射的根本定律 基爾荷夫(kirchoff)定律(選擇吸收定律) 定律 在一定溫度下，任何物體對于某一波長的放射才干(e,T) 與物體對該波長的吸收率(a,T)的比值，只是溫度和波長的函數(shù)，而與物體的其它性質(zhì)無關(guān)。即:(3-4)E,T只是波長和溫度的

4、函數(shù)。 推論 對不同性質(zhì)的物體，放射才干較強的物體，吸收才干 也較強；反之，放射才干弱者，吸收才干也弱，黑體 的吸收才干最強，所以它也是放射才干最強的物體。 對同一物體，假設(shè)在溫度T時它放射某一波長的輻射， 那么，在同一溫度下它也吸收這一波長的輻射。 斯蒂芬波爾茲曼(Stefan-Boltzmann)定律 定律 黑體的總放射才干ET與它本身絕對溫度T的四次方成正比。即：ET T 4式中5.6710-8W.m-2.K-4為斯蒂芬波爾茲曼常數(shù)。 意義物體溫度愈高，其放射才干愈強。 mC/T 或 m T=C 假設(shè)波長以nm為單位，那么常數(shù)C2,897103nm K,于是(3-6)式為： 維恩(Wie

5、n)位移定律 定律 絕對黑體的放射才干最大值對應(yīng)的波長(m) 與其本身的絕對溫度(T)成反比。即：mT2897103nmK 不同溫度下黑體輻射強度與溫度的關(guān)系 意義 物體的溫度愈高， 放射能量最大值 的波長愈短，隨 著物體溫度不斷 增高，最大輻射 波長由長向短位 移。 太陽輻射是短波 輻射，人、地 面和大氣輻射 是長波輻射。一、太陽輻射太陽是一個及其炙熱的氣態(tài)球體，中心溫度為20106K，外表溫度高達6 000K，因此太陽時辰不停的向周圍放射宏大的能量，稱為太陽輻射1、太陽電磁輻射太陽輻射能量隨波長的分布稱為太陽輻射光譜。太陽輻射的波長范圍很廣，但其能量的絕大部份集中在0.174微米之間，其中

6、可見光區(qū)占50，紅外區(qū)占43，紫外區(qū)僅占7。太陽最大輻射才干所對應(yīng)的波長為0475微米相當于青光部份。因此，普通稱太陽輻射為短波輻射。觀測闡明，太陽輻射光譜不是嚴厲延續(xù)光譜，其中有兩萬多條吸收暗線。當太陽輻射經(jīng)過地球大氣時，由于地球大氣的吸收作用，使太陽光譜發(fā)生很大的變化。 可見光區(qū)(0.4-0.76m能量占總能量的50%，具有光效應(yīng)，是人類肉眼可見光譜區(qū)，也是植物光協(xié)作用的有效光譜區(qū)?？梢姽饪砂床ㄩL由長至短分解為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七色光。太陽輻射的最大波長。 紫外光區(qū)0.76m能量占總能量的43%，具有熱效應(yīng)，起著加熱地面、大氣、動、植物等物體的作用。太陽與地球間的間隔不是一個常數(shù)，

7、因此，地球大氣層上界的太陽輻射強度隨日地間間隔的不同而不同。實踐上，由于日地間間隔很大15000萬公里，其相對變化量很小，由此引起的太陽輻射強度的相對變化不超越3.4%，這就意味著地球大氣層外的太陽輻射強度幾乎是一個常數(shù)。我們運用“太陽常數(shù)來描畫大氣層上界的太陽輻射強度。當日地間處于平均間隔時，大氣上界垂直于太陽光線的平面上單位面積單位時間內(nèi)接受的太陽輻射能量作為規(guī)范值，稱為太陽常數(shù)S。太陽常數(shù)：用 Isc 表示。 參考值為 Isc = 7 7W/m2恣意時辰的太陽輻射強度 對于S。的丈量和計算，因觀測方法，觀測地點的不同以及太陽活動的變化，世界各地域曾采用不同的數(shù)值。1981年世界氣候組織引

8、薦了太陽常數(shù)的最正確值是S。 77瓦米2。 常采用取S。 7瓦米2 。 到達地球的太陽輻射能隨日地間隔的變化日期太陽輻射能（W/m2）日期太陽輻射能（W/m2）1月3日(近日點)13997月4日(遠日點)13092月1日13938月1日13133月20日(春分)13659月23日(秋分)13454月3日135510月1日13505月3日132211月1日13746月21日(夏至)131012月22日(冬至)1398(9-3)/3100%=3.40%(3-1309)/3100%=3.25%太陽輻射強度太陽輻射強度就是太陽在垂直照射情況下在單位時間(一分鐘、一天、一個月或者一年)內(nèi)，單位面積面積上

9、所得到的輻射能量 。用符號S表示,其單位為J/ (m2.s) 。2、太陽輻射在大氣中的減弱 太陽輻射先經(jīng)過大氣圈，然后到達地表，由于大氣對太陽輻射有一定的吸收、散射和反射作用，使投射到大氣上界的太陽輻射不能完全到達地面，所以在地球外表所呈現(xiàn)的太陽輻射強度比7瓦米2小。 大氣對太陽輻射的影響作用：折射、反射、吸收、散射、透射大氣對太陽輻射的減弱作用的表現(xiàn) a、大氣對太陽輻射的吸收太陽輻射穿過大氣層時，大氣中某些成分具有選擇吸收一定波長輻射的特性。大氣中吸收太陽輻射的成分主要有水汽、氧、臭氧、二氧化碳和固體雜質(zhì)等。太陽輻射被大氣吸收后變成熱能，因此使太陽輻射減弱，有24%的太陽輻射被大氣吸收。 可

10、見大氣對太陽輻射的減弱是劇烈的。b、大氣對太陽輻射的散射太陽輻射經(jīng)過大氣遇到空氣、塵粒、云滴等質(zhì)點時，都要發(fā)生散射。散射改動輻射方向，使太陽輻射以質(zhì)點為中心向四面八方傳播開來，這樣，散射后，有一部分太陽輻射就到不了地面。c、大氣的云層和塵埃對太陽輻射的反射大氣中云層和較大顆粒的塵埃能將太陽輻射中的一部分能量反射到宇宙空間中去。其中云的反射作用最為顯著，太陽輻射遇到云時能反射太陽輻射的一部分或大部分。反射對各種波長沒有選擇性，所以反射光呈白色。太陽輻射約有31%因反射和散射會宇宙空間。上述三種方式中，以反射作用最為重要，散射作用次之，吸收作用最小。 3、到達地面的太陽輻射經(jīng)過大氣減弱后投射到地面

11、的太陽輻射由兩部分組成，即太陽直接輻射和散射輻射。直接輻射是指以平行光線的方式直接投射到地面的太陽輻射。直接輻射照度是指單位面積，在單位時間內(nèi)所接受的直接輻射，用S表示。散射輻射是指經(jīng)散射后，由天空投射到地面的太陽輻射。散射輻射照度是指單位面積，在單位時間內(nèi)所接受的散射輻射，用D表示。直接輻射與散射輻射之和，稱為總輻射。直接輻射照度與散射輻射照度之和稱為總輻照度Q。即 Q = S+ D前往a、直接輻射 太陽直接輻射的強弱和許多因子有關(guān)，其中最主要有兩個，即太陽高度角和大氣透明度。太陽高度角簡稱太陽高度，系指太陽相對于地平面的角間隔。 太陽高度角主要是太陽高度角和大氣透明系數(shù) (1)太陽高度角

12、當太陽高度角增大時，直接輻射和散射輻射都增大，因此總輻射也增大。又由于太陽高度角有日、年變化和隨緯度的變化，因此總輻射也有日、年變化和空間程度變化。 一影響太陽總輻照度的要素2)大氣透明度 當大氣透明系數(shù)增大時，直接輻射增大，但散射輻射減小，這時，輻射總量的變化就無法判別。普通來說，直接輻射大于散射輻射，因此，當大氣透明系數(shù)增大時，總輻射也增大。 (3)海拔高度 當海拔升高時，大氣透明系數(shù)增大，總輻射也增大。(4)云量 云量增多，總輻射能夠增大，也能夠減小，分為以下三種情況： 當天空烏云密布時，直接輻射為零S=0，到達地面的輻照度以散射輻射D為主，但其值也減小，那么這時的總輻射Q必定減小。 當

13、部分天空有云，且云遮住陽光，這時，對該區(qū)域來講，直接輻射為零S=0，而散射輻射D的增大量補償不了直接輻射S的減小量，那么總輻射Q也減小。 當部分天空有云，而且是沒有遮住陽光的中云和高云，這時，對該區(qū)域來講，直接輻射S沒有明顯減小，或減小不多，而散射輻射D卻有明顯增大，因此使得總輻射Q增大。二太陽總輻照度的變化規(guī)律1、總輻照度的日變化 一天中，總輻照度夜間為零，日出后逐漸增大，正午到達最大，午后又逐漸減小。 2、總輻照度的年變化 一年中，中、高緯度地域總輻照度夏季最大，冬季最小。赤道附近，一年中有兩個最大值，分別出如今春分和秋分。3、光照度的變化 晴天時，光照度由直射光和散射光兩部分組成；陰天時

14、，只需散射光。4、太陽輻射總量的變化 一天內(nèi)，普通在中緯度地域，夏季太陽輻射日總量大 ，冬季太陽輻射日總量??； 一年中，太陽輻射年總量普通隨緯度的增高而減少 。4、地面對太陽輻射的反射 投射到地面的太陽輻射，并非完全被地面所吸收，其中一部分被地面所反射。地表對太陽輻射的反射率，決議地表的性質(zhì)和形狀。陸地外表對太陽輻射的反射履約為10-30%，雪面的反射率很大，約為60%，水面的反射率隨水的安靜程度和太陽高度角的大小而變，約為2-89.2%。 地面對太陽輻射的反射和吸收1、地面的反射輻射: 到達地面的太陽總輻射中，有一部分被地面反射回到大氣中，稱為地面反射輻射。地面反射輻射占到達地面的總輻射的百

15、分率，稱為地面反射率，以r表示。 反射率主要與下墊面性質(zhì)有關(guān) 。 下墊面：墊在空氣層下面的面。p17)2、地面對太陽輻射的吸收由于太陽輻射不能穿透地球，所以地面吸收率為1-r前往二、地面、大氣輻射 1、地面輻射 地球外表在吸收太陽輻射的同時，又將其中的大部分能量以輻射的方式傳送給大氣。地外表這種以其本身的熱量日夜不停地向外放射輻射的方式，稱為地面輻射。 由于地表溫度比太陽低得多(地外表平均溫度約為300K)，因此，地面輻射的主要能量集中在130微米之間，其最大輻射的平均波長為10微米，屬紅外區(qū)間，與太陽短波輻射相比，稱為地面長波輻射。地面的輻射才干，主要決議于地面本身的溫度。由于輻射才干隨輻射

16、體溫度的增高而加強，所以，白天，地面溫度較高，地面輻射較強；夜間，地面溫度較低，地面輻射較弱。地面的輻射是長波輻射，除部分透過大氣奔向宇宙外，大部分被大氣中水汽和二氧化碳所吸收，其中水汽對長波輻射的吸收更為顯著。因此，大氣，尤其是對流層中的大氣，主要靠吸收地面輻射而增熱。 2、大氣輻射 大氣輻射：大氣向外放射的輻射。 大氣平均溫度比地面低，其輻射波長范圍為7-120m，最大放射才干的波長為15m，也屬于紅外長波輻射。 大氣輻射有一部分向上進入宇宙空間，有一部分向下到達地面，這一部分因與地面輻射的方向相反，稱為大氣逆輻射Ea。3、大氣逆輻射 大氣吸收地面長波輻射的同時，又以輻射的方式向外放射能量

17、。大氣這種向外放射能量的方式，稱為大氣輻射。由于大氣本身的溫度也低，放射的輻射能的波長較長，故也稱為大氣長波輻射。大氣輻射的方向既有向上的，也有向下的。大氣輻射中向下的那一部分，剛好和地面輻射的方向相反，所以稱為大氣逆輻射。大氣逆輻射是地面獲得熱量的重要來源。 由于大氣逆輻射的存在，使地面實踐損失的熱量比地面以長波輻射放出的熱量少一些，大氣的這種保溫作用稱為大氣的溫室效應(yīng)。這種大氣的保溫作用使近地表的氣溫提高了約18。月球那么由于沒有象地球這樣的大氣，因此，致使它外表的溫度晝夜變化猛烈，白天外表溫度可達127，夜間可降至-183。 4、 地面有效輻射 地面放射的輻射與地面吸收的大氣逆輻射之差，

18、稱為地面有效輻射。通常情況下，地面溫度高于大氣溫度，地面有效輻射為正值，這意味著經(jīng)過長波輻射的放射和吸收，地外表經(jīng)常是失去熱量的。只需在近地層有很強的逆溫暖空氣濕度很大的情況下, 有效輻射才能夠為負值，這時地面才干經(jīng)過長波輻射的交換而獲得熱量。 4、地面有效輻射用E表示： 即 E=Ee- Ea 通常地面溫度高于大氣溫度，相應(yīng)地EeEa，E常為正值，這闡明地面由于放射長波輻射大于吸收的長波輻射而經(jīng)常失去熱量，E是地面凈損失的熱量。E愈大，地面熱量損失愈多，降溫愈猛烈。影響地面有效輻射的要素 1水汽 水汽是關(guān)鍵要素，空氣中水汽含量添加，大氣逆輻射加強，地面有效輻射減小，所以當天空有云、霧存在時，地

19、面有效輻射較小，云層越厚云底越低，地面有效輻射越小。 2風 風能促進對流，使上層熱量往下傳送給地面，所以夜間有風時地面有效輻射較小。 3地氣溫差 當?shù)販馗哂跉鉁貢r，地面有效輻射為正值，且隨地氣溫差的增大而增大這種情況多發(fā)生在白天； 當?shù)販氐陀跉鉁貢r，地面有效輻射為負值，且地氣溫差越大，地面有效輻射越小這種情況多發(fā)生在夜間影響地面有效輻射的要素4.下墊面性質(zhì) 無植被覆蓋的地面有效輻射較有植被覆蓋的大； 起伏不平的粗糙地面較平坦地的有效輻射大； 枯燥的下墊面較潮濕的下墊面的有效輻射大。5覆蓋 采用薄膜、草墊等資料在夜間覆蓋時地面有效輻射減小。6海拔高度 隨海拔高度的添加，水汽量減少，大氣逆輻射減小

20、，所以地面有效輻射增大。三、太陽可變性它是指太陽電磁輻射各波段輻射通量隨太陽活動的變化特性。太陽活動通常用太陽活動指數(shù)來表征。為描畫太陽遠紫外輻射的變化特性，常用的太陽活動指數(shù)有F10.7, F81和Hel EW等。 F10.7為太陽10.7cm射電輻射的通量，單位為10-22W/m2Hz。b. F81太陽射電指數(shù)F10.7的81天平均值。c. Hel EW太陽1083nm氦發(fā)射線的等效寬度，單位為10-4nm。四、地氣系統(tǒng)在研討地球及其大氣作為一個整體的能量平衡時，通常它們作為一個一致的系統(tǒng)思索，稱之為地球-大氣系統(tǒng)，簡稱地氣系統(tǒng)。五、太陽電磁輻射、地氣系統(tǒng)對航天器的影響太陽電磁輻射、地氣系

21、統(tǒng)輻射和地球反射率是衛(wèi)星溫控系統(tǒng)設(shè)計所必需思索的主要外界輸入能量；太陽可見光和近紅外波段的光譜輻照度是衛(wèi)星能源系統(tǒng)設(shè)計的重要資料；而對大型航天器而言，太陽電磁輻射和地氣輻射對對姿控系統(tǒng)的影響也是需求思索的因子。太陽輻射對近地軌道航天器的影響對航天器溫控系統(tǒng)的影響：主要外熱源。對航天器姿控系統(tǒng)的影響：A.太陽輻射和地氣輻射壓是航天器姿態(tài)控制中所必需思索的要素之一。B.太陽輻射引起大氣密度的變化，使航天器所受阻力添加。對航天器構(gòu)造系統(tǒng)的影響：熱機械應(yīng)力對航天器電源系統(tǒng)的影響：太陽可見光和近紅外波段的光譜輻照度決議航天器太陽電池方陣功率的準確計算。對航天器通訊系統(tǒng)的影響：短波和中波無線電信號衰落，甚

22、至完全中斷；背景噪聲的加強。對航天遙感器、探測器的影響：光學背景、資料性能、光學遙感系統(tǒng)污染。對人體和生物體的影響：人體器官和眼睛有不同的損傷，誘發(fā)皮膚癌。1、對衛(wèi)星電離環(huán)境、通訊系統(tǒng)的影響 太陽Lyman線是地球電離層D層的主要電離源，而太陽X射線迸發(fā)那么能夠是引起電離層忽然騷擾的主要緣由。當太陽迸發(fā)時，X射線和紫外輻射忽然添加，使電離層D層電子濃度急劇增大，導致短波和中波無線電信號衰落、甚至完全中斷。此外，太陽射電迸發(fā)引起射電背景噪聲的加強，在一定條件下也會對通訊系統(tǒng)呵斥干擾。在大射電迸發(fā)時，L波段的太陽射電噪聲可增大24個量級，而對S波段也將添加23個量級。在另一方面，太陽極紫外輻射是地

23、球電離層E、F層的主要電離源。隨太陽活動的加強，地球大氣的電離情況也隨之改動。在太陽活動最大比太陽活動最小時F2層電子濃度約增大近一個量級。 2、對星載探測器光學部件的侵蝕、污染太陽極紫外輻射是熱層大氣氧原子產(chǎn)生的主要能源。隨著太陽活動的變化，熱層大氣氧原子密度將變化一個量級以上。它和航天器外表的相互作用，將加強其對外表的侵蝕作用，破壞太陽電池維護層、危害航天器能源系統(tǒng)。太陽紫外輻射對航天器外表的照射將使其外表涂層的光學性能變化，使航天器外表溫度升高，影響其溫控。航天器資料中包含的氣體雜質(zhì)在高真空環(huán)境下釋放出來，在太陽紫外輻射照射下可對其上各種光學遙感系統(tǒng)構(gòu)成污染。3、對人體和生物體的影響太陽

24、X射線輻射對人體器官和眼睛有不同的損傷，而太陽紫外輻射可使人體發(fā)生皮膚癌，破壞生物體的脫氧核糖核酸。 4、空間外熱流模擬太陽電磁輻射中的可見光輻射、近紅外輻射和遠外輻射構(gòu)成了衛(wèi)星在空間飛行時所遭到的加熱源，也叫做空間外熱流。對于近地衛(wèi)星，外熱流還包括地球反射太陽輻射的能量和地球本身的紅外輻射部分。衛(wèi)星所吸收的熱流Q可寫成Q=aQf式中，a衛(wèi)星外表資料的吸收率；Qf空間外熱流。如上式可以知道衛(wèi)星熱設(shè)計時選擇的Q值取決于a和Qf，Qf值的選定是根據(jù)國內(nèi)外利用火箭、衛(wèi)星丈量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計值，而a值取決于衛(wèi)星溫控涂層資料或衛(wèi)星外表資料的物質(zhì)特性及在太陽輻照環(huán)境下的穩(wěn)定性。如今衛(wèi)星熱設(shè)計已采用了大容量的電子計算機，提高了熱分析的精度，但許多要素使得熱分析存在誤差。為了驗證熱設(shè)計，鑒定衛(wèi)星熱設(shè)計的可靠性，主要手段就是在地面