大氣科學(xué)概論課件第十輻射

大氣科學(xué)概論課件第十輻射第1頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月

6.3.1太陽和太陽輻射第2頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月

一、太陽概況

太陽是一個巨大的等離子體球。

等離子體，指其正負兩種離子所帶的電荷的總量相等，因而整體上呈現(xiàn)中性。這種溫度極高、電離度極高的物質(zhì)聚集態(tài)，被稱為物質(zhì)的第四態(tài)。

包括太陽、恒星和星際氣體在內(nèi)，宇宙空間幾乎99%

的物質(zhì)是等離子體。第3頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月

太陽是太陽系的中心天體,是太陽系里唯一的一顆恒星,也是離地球最近的一顆恒星。

1、太陽的大小

太陽的直徑為139.2萬千米，是地球的109倍。

太陽的體積為141億億立方千米，是地球的130萬倍。

太陽的質(zhì)量近2000億億億噸，是地球的33萬倍。

太陽的表面溫度約為5800K，中心溫度可達1.7×107K。

它集中了太陽系99.865%的質(zhì)量，是一個絕對至高無上的“國王”。第4頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月

2、太陽的大氣主要成分

太陽是個熾熱的氣體星球，沒有固體的星體或核心。太陽大氣的主要成分是氫（質(zhì)量約占71%）與氦（質(zhì)量約占27%）。

3、太陽的結(jié)構(gòu)太陽從中心到邊緣可分為太陽內(nèi)部和大氣層。第5頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月

太陽內(nèi)部：日核區(qū)、中介層、對流層；大氣層：光球、色球和日冕。

第6頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月

太陽能量的99%是由中心的核反應(yīng)區(qū)的熱核反應(yīng)產(chǎn)生的。太陽中心的密度和溫度極高，它發(fā)生著由氫聚變?yōu)楹さ臒岷朔磻?yīng)，而該反應(yīng)足以維持100億年,因此太陽目前正處于中年期。

在進入地球大氣之前，太陽光譜是怎樣的？其輻射通量密度是多少？

這不僅是研究大氣輻射問題時首先要了解的，而且在研究太陽物理、環(huán)境科學(xué)、宇航和太陽能利用等許多領(lǐng)域都具有重要的意義。第7頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月

二、大氣上界的太陽光譜及太陽常數(shù)

1、大氣上界的太陽光譜太陽輻射通量密度或輻射率隨波長的分布稱為太陽輻射光譜。p36

第8頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月

2、太陽常數(shù)太陽常數(shù)：當日地間處于平均距離時,大氣上界垂直于太陽光線的平面上,單位時間單位面積內(nèi)接受到的太陽輻射能量。

世界氣象組織在1981年推薦的太陽常數(shù)最近值S0=1367±7W/m2。(1372)第9頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月

大氣中有各種氣體成分以及水滴、塵埃等氣溶膠顆粒，太陽輻射在大氣中傳輸時，要受到大氣的影響，其強度、傳輸方向以及偏振狀態(tài)都會發(fā)生變化。

這種作用主要有吸收、散射和折射作用。由于折射作用一般與能量收支問題關(guān)系較小，該節(jié)主要講述大氣的吸收和散射對太陽輻射的衰減作用。第10頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月6.3.2太陽輻射在大氣中衰減第11頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月

6.3.2.1

大氣對太陽輻射的吸收

所謂吸收，就是指投射到介質(zhì)上面的輻射能中的一部分被轉(zhuǎn)化為物質(zhì)本身的內(nèi)能或其他形式的能量。

大氣分子除選擇性吸收外，還通過光化學(xué)反應(yīng)和

光致電離兩種途徑，把投射到大氣的輻射能中的一部分轉(zhuǎn)化為大氣本身的內(nèi)能或其他形式的能量并引起溫度升高。第12頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月

一、大氣吸收光譜

從整層和各主要吸收氣體的吸收光譜看，大氣的吸收有明顯的選擇性。

上曲線：

大氣上界的輻射光譜。下曲線：海平面的輻射光譜。可見，被大氣各成分吸收、散射后的光譜，極其不規(guī)則。第13頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月

以下組圖，a、黑體輻射；b、整層大氣的的吸收譜;第14頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月

c、11km以上大氣吸收譜;d、不同氣體的吸收譜第15頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月

可見，吸收太陽短波輻射的主要氣體是H2O，其次O2，O3，最少CO2。吸收長波輻射的主要氣體是H2O，其次CO2

和

O3。p37

在8-12μm波段，大氣吸收很弱，稱大氣透明窗。

大氣透明窗對地氣系統(tǒng)的輻射平衡有十分重要的意義：

因為地表溫度約為300K，與此溫度對應(yīng)的黑體輻射能量主要集中在10μm這一范圍，而大氣對這一波長范圍的輻射少有吸收，故地面發(fā)出的長波輻射透過這一窗口被送到宇宙空間。第16頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月

根據(jù)以上大氣中各種物質(zhì)對輻射的

吸收可歸納為：輻射的吸收具有選擇性!。

不同氣體成分的吸收帶及吸收強烈程度不同，因而使穿過大氣后的太陽輻射有以下特點：

第17頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月

１、大氣對太陽波譜變得極其不規(guī)則。２、大氣主要吸收物質(zhì)的吸收帶位于太陽光譜能量較小的兩端。大氣中主要吸收物質(zhì)（臭氧和水汽）對太陽輻射的吸收帶，都位于太陽輻射波譜兩端能量較小的紅外線和紫外線區(qū)，平流層以上主要是臭氧對紫外線的吸收，平流層至地面主要是水汽和二氧化碳對紅外線輻射的吸收。３、整層大氣吸收削弱入射太陽輻射能的20%左右。

吸收對太陽輻射的減弱作用不是很大，也就是說大氣直接吸收太陽輻射并不多，特別是對流層大氣，太陽輻射不是它的直接熱源，地面的輻射和其他能量才是對流層大氣的直接熱源。第18頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月

6.3.2.2

大氣對太陽輻射的散射

電磁輻射在遇到大氣中的氣體分子以及懸浮塵埃、云滴、雨滴、冰粒和雪花等粒子時，會產(chǎn)生散射現(xiàn)象，使一部分入射波能量改變方向，射向四面八方，而原方向的輻射能被削弱。

第19頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月

散射并不象吸收那樣把輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)榇髿鈨?nèi)能，而只是改變輻射的方向，并使一部分太陽輻射不能到達地面。但同時卻把整個天空變得明亮起來。

如果沒有大氣的散射，即使太陽再光亮耀眼，對于地球上的觀測者來說，除了能看見閃閃發(fā)光的太陽光外，天空是一片漆黑。第20頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月

散射在電磁波譜上的各個波長都會發(fā)生。但散射的強弱和空間分布與散射粒子的大小、入射的波長有關(guān)。

引入尺度參數(shù)

α=2πr/λ，

r為散射粒子的半徑，λ為入射輻射的波長。下圖給出α隨r，λ的變化關(guān)系：第21頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月

第22頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月

一、α《1,(即r《λ),瑞利散射

空氣分子對太陽輻射的散射為瑞利散射，也叫分子散射。（可見光的波長在0.5μm左右，空氣分子的大小約10-4μm左右，即r《λ）

大氣對輻射散射削弱作用的強弱取決于氣溶膠散射粒子的數(shù)密度及每個散射粒子的散射截面。

第23頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月

瑞利散射的體積散射削減系數(shù)

C為洛希米德數(shù),標準狀態(tài)下,C=1.0563*10-30m3,ksc,λ的單位為m

–1。

瑞利散射的削減系數(shù)與波長的四次方成反比，這種散射是有選擇性的:

波長越短，散射削減越強！第24頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月

第25頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月

第26頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月

第27頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月

例：

λ藍光＝470μm,λ紅光=700μm,

則藍光的散射比紅光強9倍。

藍光的散射比紅光強9倍，在高空，分子首選紫光，并在高空散射掉了，再選蘭光散射，所以，晴天天空呈藍色。日出日落時，由于太陽光經(jīng)歷的路途較遠，紫、藍光被削減完，到達地平線上空余下黃橙紅光，如果有云，把光線反射過來，形成絢麗的早晚霞。第28頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月

二、0.1<α<50即(r≈λ)，米散射

塵埃的顆粒大小為0.1--10μm，云滴一般也為幾μm(即r≈λ)，所以，它們相對可見光是米散射（大顆粒散射），相對紅外輻射或微波是瑞利散射。

各種輻射具有幾乎相同強度的散射，而且散射光中各種波長的比例也和入射輻射中的一致。第29頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月

三、α>50即(r》λ)，幾何光學(xué)的散射范疇。

大雨滴(1--4μm)對可見光的散射就屬于此類。

虹、暈、華等光學(xué)現(xiàn)象就是光在雨滴和冰晶上發(fā)生反射和折射造成的，它們服從幾何光學(xué)規(guī)律。第30頁，課件共35頁，