大氣科學(xué)概論課件第十：輻射2

1、6.3太陽輻射和大氣中的衰減，6.3.1太陽和太陽輻射，1，太陽剖面太陽是一個巨大的等離子體球。等離子體整體上表示中性，因為其正負(fù)兩個離子擁有的電荷總量相同。這種溫度很高，電離度很高的物質(zhì)聚合狀態(tài)被稱為物質(zhì)的第四狀態(tài)。包括太陽、星星和星際氣體在內(nèi)，近99%的宇宙空間等離子體。太陽是太陽系的中心天體，是太陽系中唯一的恒星，也是離地球最近的恒星。1.太陽大小太陽的直徑是139萬2000千米，地球的109倍。太陽體積為141億立方千米，地球為130萬倍。太陽的質(zhì)量是近2000億億噸地球的33萬倍。太陽表面溫度約為5800K，中心溫度約為1.7107K。它集中了太陽系99.865%的質(zhì)量，絕對是最高的

2、“王”。2，太陽大氣的主要成分太陽是熱氣體行星，沒有固體的恒星或內(nèi)核。太陽大氣的主要成分是氫(質(zhì)量約為71%)和氦(質(zhì)量約為27%)。3、太陽結(jié)構(gòu)太陽中心到邊緣可以分為太陽內(nèi)部和大氣層。太陽內(nèi)部：單核區(qū)域、中間層、對流層；大氣層：光球、彩球、日冕。99%的太陽能源是由中心的核反應(yīng)區(qū)的熱核反應(yīng)引起的。太陽中心的密度和溫度很高，產(chǎn)生從氫融合到氦的熱核反應(yīng)，牙齒反應(yīng)足以維持100億年，因此處于太陽中期。進入地球大氣之前，太陽光譜怎么樣？輻射通量密度是多少？這不是研究大氣輻射問題時首先要知道的，對研究太陽物理、環(huán)境科學(xué)、航天、太陽能利用等諸多領(lǐng)域具有重要意義。2，大氣上限的太陽頻譜和太陽常數(shù)1，大氣上

3、限的太陽頻譜太陽輻射通量密度或輻射率的波長分布稱為太陽發(fā)射光譜。P36，2，太陽常數(shù)太陽常數(shù)：當(dāng)日地面之間平均距離時，大氣上限垂直于太陽射線平面，是單位時間單位面積內(nèi)允許的太陽輻射能量。1981年世界氣象組織建議的太陽常數(shù)最新值S0=13677W/m2。(1372)，大氣中有各種氣體成分和水滴、灰塵等氣溶膠粒子，太陽輻射在大氣中傳輸時受到大氣的影響，強度、傳輸方向、偏振狀態(tài)都發(fā)生變化。牙齒效果主要是吸收、散射和折射。折射作用一般與能量裴秀智問題關(guān)系較小，因此牙齒部分主要討論大氣的吸收和散射對太陽輻射的衰減。6.3.2太陽輻射在大氣中衰減，6.3.2.1大氣對太陽輻射的吸收是指投射在介質(zhì)上的部分

4、輻射能轉(zhuǎn)換為物質(zhì)本身的內(nèi)部能量或其他形式的能量。除了選擇性吸收外，大氣分子還通過光化學(xué)反應(yīng)和光兩種茄子方法呼叫，將投射到大氣中的部分輻射能轉(zhuǎn)換為大氣本身的內(nèi)部能量或其他形式的能量，從而提高溫度。1，大氣吸收光譜整體層和各主要吸收氣體的吸收光譜，大氣吸收具有明顯的選擇性。父曲線：大氣上限的發(fā)射頻譜。下方曲線：海平面的輻射頻譜?？梢姶髿飧鞒煞治蘸蜕⑸涞墓庾V很不規(guī)則。下一組，a，黑體輻射；b、整個樓層的大氣吸收光譜；c、11公里以上的大氣吸收光譜；d，其他氣體的吸收光譜表明，吸收太陽短波輻射的主要氣體為H2O，第二O2，O3，最小CO2。吸收長波輻射的主要氣體是H2O、CO2、O3。P37在8-1

5、2m波段的大氣吸收較弱，稱為大氣透明窗口。大氣透明窗口對地面氣體系統(tǒng)的輻射平衡有著非常重要的意義。由于表面溫度約為300K，因此與牙齒溫度相對應(yīng)的黑體輻射能量主要集中在10米范圍內(nèi)，大氣幾乎不被牙齒波長范圍的輻射吸收，因此地面發(fā)射的長波輻射通過牙齒窗口發(fā)送到宇宙空間。根據(jù)上述大氣中的各種物質(zhì)，輻射的吸收可以概括為：輻射的吸收是可選的！氣體成分的吸收帶和吸收強度不同，因此通過大氣的太陽輻射，大氣對太陽光譜變化很不規(guī)則。大氣主要吸收物質(zhì)的吸收帶位于太陽頻譜能量較小的兩端。大氣中主要吸收物質(zhì)(臭氧和水蒸氣)對太陽輻射的吸收臺均位于太陽輻射光譜兩端能量較少的紅外線和紫外線區(qū)域，二流層以上主要是臭氧對紫

6、外線的吸收，平流層至地面主要是水汽和二氧化碳對紅外輻射的吸收。整個層大氣吸收減弱了約20%的入射太陽輻射能量。吸收對太陽輻射的減弱作用不大。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，太陽輻射不是直接的熱源。地面輻射和其他能量是對流層大氣的直接熱源。6.3.2.2大氣對太陽輻射的散射電磁輻射大氣中的氣體分子和懸浮灰塵、云滴、雨滴、冰粒、雪花等粒子發(fā)生散射現(xiàn)象，導(dǎo)致部分入射波能量改變方向，向四面八方傾斜，原始方向的輻射能減弱。散射不是像吸收一樣把輻射能變成大氣中的四分之一，而是改變輻射的方向，使一些太陽輻射不接觸地面。但同時照亮了整個天空。如果沒有大氣的散射，不管太陽牙齒怎么閃閃發(fā)光，

7、地球觀測者都能看到閃閃發(fā)光的太陽光，天空一片漆黑。電磁波譜上分布的每個波長都會發(fā)生。但是散射的強弱和空間分布與散射粒子大小、入射波長有關(guān)。接收尺寸參數(shù)=2r/，R是散射粒子半徑，入射輻射的波長。下圖說明了隨R變化的關(guān)系：一，1，(即R)，瑞利散射空氣分子對太陽輻射的散射也稱為瑞利散射，分子散射。(可見光波長約為0.5米，空氣分子的大小約為10-4米，即R)大氣減弱輻射散射的強弱取決于氣溶膠散射粒子數(shù)密度和每個散射粒子散射截面。瑞利散射體積散射減少系數(shù)C為羅西米德數(shù)，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下C=1.0563*10-30m3，ksc為m 1單位。瑞利散射縮減系數(shù)與波長的4階正方形成反比。牙齒散射選擇性：波長越短，散射就越大！例如，藍(lán)色張藝興470米，紅色=700米，藍(lán)色光的散射比紅色光強9倍。藍(lán)光的散射比紅光強9倍。在高空中，分子偏好紫光，在高空中散射，然后散光散射，所以晴朗的天空是藍(lán)色。日出和日落的時候，因為太陽光經(jīng)歷的路很遠(yuǎn)，紫色和藍(lán)光被砍掉，到達(dá)地平線，留下黃色橙色的紅光，如果有云的話，反射照亮，形成絢麗的早晚霞。(威廉莎士比亞，哈姆雷特，太陽名言) (威廉莎士比亞，溫斯頓，太陽)，2，0.150也就是(R)，米散射塵埃的粒子大小0.1-10米，云滴一般也是幾米，因此相對的可見光(大各種輻射具有幾乎相同強度的散射，散射光的各種波長比例也與入射輻射一致。3，50，即(r)，幾