地面和大氣中的輻射過程

1、第五章 地面和大氣中的輻射過程,5.1 輻射的基本概念5.2 輻射的物理規(guī)律5.3 地球大氣與輻射的相互作用5.4 太陽輻射在地球大氣中的傳輸5.5 地球－大氣系統(tǒng)的長波輻射5.6 地面、大氣及地氣系統(tǒng)的輻射平衡,5.1 輻射的基本概念,5.1.1 電磁輻射5.1.2 描述輻射場的物理量,任何物體，只要溫度大于絕對零度，都以電磁波形式向四周放射能量，同時也接收來自周圍的電磁波。這是物質(zhì)的本性決定的，是有物質(zhì)本身的電子、原子

2、、分子運動產(chǎn)生的。一般把這種電磁波能量本身稱為輻射能（或簡稱為輻射）。而把這種能量傳播方式稱為輻射。,輻射能和輻射,Energy Transfer能量傳輸,Conduction 傳導(dǎo)Convection 對流Radiation 輻射,Energy Transfer,Conduction（傳導(dǎo)）Transfer of energy by molecular motion由分子運動傳輸能量,,,,,,,,,,,,,,,Hot,C

3、old,Energy Transfer,Convection（對流）Transfer of energy through the movement of mass 靠物質(zhì)運動傳輸能量,,,Energy Transfer,Convection 對流Meteorology Terminology 氣象學(xué)術(shù)語Convection（對流）Advection（平流）,Convection對流,Meteorology Terminology

4、氣象學(xué)術(shù)語Convection 對流transfer of energy through the vertical movement of mass 通過物質(zhì)垂直運動傳輸能量,,,,,,,Hot,Cold,Convection對流,Meteorology Terminology氣象學(xué)術(shù)語Advection平流transfer of energy through the horizontal movement of mass通過

5、物質(zhì)的水平運動傳輸能量,Hot,Cold,,,,,,Energy Transfer能量傳輸,Conduction 傳導(dǎo)Convection 對流Radiation 輻射,Energy Transfer,RadiationTransfer of energy by electromagnetic wave 電磁波輻射傳輸能量,,Energy Transfer,RadiationTransverse Wave 橫波Particle

6、 motion is perpendicular to the direction of wave velocity質(zhì)點運動與波速方向垂直,,,,Speed of Wave,Particle Motion,Energy Transfer,Radiation輻射Requires no transport medium不需要傳輸介質(zhì),,,,Electromagnetic Waves,Waves that are propagated

7、 by simultaneous periodic variations of electronic and magnetic field intensity靠電場和磁場密度的同步周期變化傳播波,Electromagnetic Waves,Speed of Light (c)光速3 x 108 m/s (in a vacuum),,,C,Electromagnetic Waves,Wavelength (?)波長Distance

8、between two successive crests of a wave兩個相鄰波峰之間的距離,?,Electromagnetic Waves,Frequency (f)頻率Number of cycles that the wave is repeated over a time period一段時間內(nèi)波的重復(fù)循環(huán)次數(shù),Electromagnetic Waves,Frequency (f)頻率Measured inCy

9、cles/Second 循環(huán)數(shù)/秒Hertz 赫茲,Electromagnetic Waves,Relationship Between光速/波長/頻率之間的關(guān)系Speed of Light (c)Wavelength (?)Frequency (f),μm (10-6m) nm(10-9m),Electromagnetic Waves,c = ? f,?,High FrequencyShort Wavelength頻率

10、高/波長短,Low FrequencyLong Wavelength頻率低/波長長,,,各種顏色光對應(yīng)的波長,5.1.2 描述輻射場的物理量,1. 輻射通量(radiant flux)2. 輻亮度(radiance)3. 輻射通量密度(radiant flux density)4. 輻射源,指單位時間內(nèi)通過某一平面（或虛擬平面）的輻射能，也稱為輻射功率。也可指單位時間內(nèi)某個表面發(fā)射或接收的輻射能。,1. 輻射通量(radia

11、nt flux),Units energy per unit time Joules/sec Watts,Radiant Flux 輻射通量,Sun’s radiant flux太陽輻射通量3.9 x 1026 W,在輻射傳輸方向上的單位立體角內(nèi)，通過垂直于該方向的單位面積、單位波長間隔的輻射功率。一般來說，表示輻射場任一點在任一方向上、任一波長處輻射的強弱程度。單位為：W ·m-2 · sr-1 &#

12、183; μm -1,2. 輻亮度(radiance),2. 輻亮度(radiance),圖5.2 公式5.1.3,指輻射場內(nèi)任一點處通過單位面積的輻射功率，也稱輻照度(irradiance)。凈輻射通量密度：水平面上自上向下和自下向上的輻射通量密度之差，單位為W · m-2 · μm -1,3. 輻射通量密度(radiant flux density),Irradiance (E),Rate at which

13、 radiant energy in a radiation field is transferred across a unit area,Units of E energy per unit time per unit area Watts/meter2 單位面積單位時間內(nèi)通過的能量W/m2,,,,,,Glossary of Meteorology,Unit Area,,Irradiance (E),Radiant flux

14、 per areaAlso known as radiant flux density,,,,,,Unit Area,,Irradiance (E),Sun’s Irradiance太陽輻照度Calculate the surface area of the SunSun’s Radius = 7 x 108 m,,,,7 X 108 m,Irradiance (E),Sun’s Irradiance太陽輻照度Sun’s Rad

15、iant Flux = 3.9 x 1026 W,,假設(shè)源向四周發(fā)射是均勻的輻照度隨距離的變化服從反平方規(guī)律。平行輻射在不考慮吸收和散射等因素時，平行光在任何位置上的輻照度應(yīng)是常數(shù)。,4. 輻射源——點源,,Parallel Beam Radiation平行輻射,Most natural objects are isotropic radiators大部分自然物體是各向同性的輻射體,Parallel Beam Radiati

16、on平行輻射,Change of angle with distance is small at great radii,,,,,150 x 106 km,,,Parallel-Beam Radiation,Sunlight reaching earth can be assumed to be parallel-beam radiation太陽輻射可假設(shè)為平行光輻射,,,,,,Parallel-Beam Radiation,Thi

17、s effectively eliminates the need to integrate over solid angle.這有效地避免對立體角積分.,,,,,特點可以向2π立體角中發(fā)射輻射能。輻出度即通過單位面積在面源的法線方向射出的能量有多少。郎伯體（面）向所有方向以同一輻亮度發(fā)射輻射的物體。常常把太陽、陸地表面看做朗伯體。,4. 輻射源——面輻射源,,第五章 地面和大氣中的輻射過程,5.1 輻射的基本概念5

18、.2 輻射的物理規(guī)律5.3 地球大氣與輻射的相互作用5.4 太陽輻射在地球大氣中的傳輸5.5 地球－大氣系統(tǒng)的長波輻射5.6 地面、大氣及地氣系統(tǒng)的輻射平衡,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差別,吸收率,反射率,透射率,絕對黑體：某一物體對任何波長的輻射都能全部吸收，即A＝1。對某一波長的黑體：如果某一物體僅對某一波長全部吸收，即Aλ

19、=1，則稱該物體對這一波長為黑體。這里所討論的黑體與一般所謂黑色物體是黑色物體只表明它對可見光的反射性質(zhì)。,1. 黑體,2. 灰體,如果物體的吸收率A不隨波長而變，但A<1，則稱該物體為灰體。如地面對長波輻射的吸收率接近于常數(shù),故可認為地面為灰體,且吸收率A極近于1.,5.2 平衡輻射的基本規(guī)律,輻射平衡：當(dāng)物體放射出的輻射能恰好等于吸收的輻射能時，該物體處于輻射平衡。這時物體處于熱平衡態(tài)，可以用態(tài)函數(shù)——溫度來描述，所以平

20、衡輻射也稱為溫度輻射。,在熱平衡條件下，任何物體的輻射率（輻出度）和它的吸收率之比值是一個普適函數(shù)。該普適函數(shù)只是溫度和波長的函數(shù)，而與物質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。,,,1. 基爾霍夫（Kirchhoff）定律,若定義比發(fā)射率,,則有,公式（5.2.3）、（5.2.5）都是Kirchhoff 定律的表達式,表明：任何物體的輻出度和它的吸收率之比都等于同一溫度下黑體的輻出度。,意義：將物體的吸收能力和放射能力聯(lián)系起來，只要知道了某種物體的吸收

21、率，也就知道了它的比輻射率；特別是，將各種物體的吸收、放射能力與黑體的放射能力聯(lián)系了起來。,,有了這種聯(lián)系以后，我們就可以根據(jù)對黑體輻射的研究結(jié)果來了解一般物體的輻射規(guī)律，而對于絕對黑體的研究，無論從實驗上或理論上都是比較簡單的。,絕對黑體的輻射光譜對于研究一切物體的輻射規(guī)律具有根本的意義。1900年普朗克開創(chuàng)性地引進了量子概念，將輻射當(dāng)做不連續(xù)的量子發(fā)射，成功地從理論上得出了與試驗精確符合的絕對黑體輻射率隨波長變化的函數(shù)關(guān)系，即普

22、朗克定律。,2. 普朗克(Planck)定律,,,,,,普朗克(Planck)定律,,,,,第一輻射常數(shù),第二輻射常數(shù),是絕對黑體的分光輻出度,,,絕對黑體的分光輻出度指由一個表面向外發(fā)射能量的大小，并不涉及這些能量的出射方向。是向各個方向射出能量在表面法線方向分量的總和，是通量。絕對黑體服從朗伯定律，黑體的分光輻亮度：,普朗克(Planck)定律,,,,,,,稱為普朗克函數(shù),,理論上，任何溫度的絕對黑體都放射0～∞μm波長的輻射；

23、但溫度不同，輻射能力集中的波段也就不同；隨著溫度的下降，輻射能量集中的波段向長波方向移動。,不同溫度黑體輻射光譜曲線,當(dāng)溫度升高時，各波段放射的能量均加大；積分輻射能力也隨著迅速加大；且能量集中的波段向短波方向移動。,不同溫度黑體輻射光譜曲線,每一溫度下，都有輻射最強的波長λmax，而且隨溫度升高，λmax變小。,1879年斯蒂芬由實驗發(fā)現(xiàn)，絕對黑體的積分輻出度與其溫度的4次方成正比1884年玻爾茲曼由熱力學(xué)理論得出該公式

24、,3.1 斯蒂芬－玻爾茲曼(Stefen-Boltzmann)定律,3.1 斯蒂芬－玻爾茲曼(Stefen-Boltzmann)定律,可以由溫度求出絕對黑體的積分輻出度；也可由積分輻出度反求起溫度；這就是用輻射方法測量物體溫度的基礎(chǔ)。將物體視作絕對黑體而計算出的溫度稱為有效溫度。,1893年維恩從熱力學(xué)理論推導(dǎo)出黑體輻射光譜極大值對應(yīng)的波長λmax和溫度的乘積為一常數(shù)。即黑體溫度越高，則λmax越小，故稱維恩位移定律。若知

25、道絕對黑體的溫度，可求出輻射最強的波長；由輻射最強的波長也可以確定絕對黑體的溫度；這是由光譜方法測定物體溫度的基礎(chǔ)。求出的溫度稱為顏色溫度或簡稱色溫。,3.2 維恩(Wien)定律,有了上述有關(guān)輻射的定律，黑體輻射的規(guī)律就全部確定了。這些定律把黑體的溫度與輻射光譜聯(lián)系了起來。對于非黑體，只要知道了它的溫度和吸收率，通過基爾霍夫定律，其輻射光譜也就確定了。因此，在研究大氣輻射過程時，首先要確定地球和大氣的吸收率。,5.2.3

26、太陽輻射和地球輻射的差別,太陽表面的溫度和地球大氣的溫度差別很大, 兩者輻射能量集中的光譜段是不同的.,,若以溫度T=6000K代表太陽，則能量集中在0.17～4.0μm,極值波長為0.483 μm ;稱太陽輻射為短波輻射，以可見光與近紅外為主；若以溫度T=300K代表地面，則能量集中在3.3～80μm,極值波長為9.659 μm ;地球輻射和大氣輻射為長波輻射，以紅外波段為主；若以溫度T=200K代表大氣（平流層下層），則能量集中

27、在5～120 μm,極值波長為14.489 μm 。,短波輻射和長波輻射基本上以4 μm為分界。地球處于輻射平衡狀態(tài)。在太陽光譜中，可見光區(qū)(0.39~0.75 μm)的能量占積分能量的44%，紫外區(qū)占8%,紅外區(qū)占48%。,第五章 地面和大氣中的輻射過程,5.1 輻射的基本概念5.2 輻射的物理規(guī)律5.3 地球大氣與輻射的相互作用5.4 太陽輻射在地球大氣中的傳輸5.5 地球－大氣系統(tǒng)的長波輻射5.6 地面、大氣及地氣系

28、統(tǒng)的輻射平衡,5.3.1 大氣對輻射吸收的物理過程5.3.2 大氣吸收光譜5.3.3 大氣對輻射的散射5.3.4 輻射能在介質(zhì)中的傳輸,5.3 地球大氣與輻射的相互作用,吸收,投射到介質(zhì)上面的輻射能中的一部分被轉(zhuǎn)變?yōu)槲镔|(zhì)本身的內(nèi)能或其他形式的能量。輻射在通過吸收介質(zhì)向前傳輸時,能量就會不斷被削弱;介質(zhì)則由于吸收了輻射能而被加熱,溫度升高.,(1)分子光譜氣體分子或原子內(nèi)的電子能級躍遷，原子和分子的振動、轉(zhuǎn)動能級躍遷等，所發(fā)射

29、和吸收的輻射譜是非連續(xù)性的，有分離的譜線和譜帶組成，構(gòu)成原子的線光譜和分子的帶光譜。,,,,,1.大氣分子的選擇吸收,(1)分子光譜任何單個分子內(nèi)含的能量:Ee：大部分是圍繞各個原子核軌道運動的電子的能量（動能和靜電勢能），Ev ：一小部分是各原子在其分子平均位置周圍的振動能量Er ：分子繞其質(zhì)量中心轉(zhuǎn)動的能量.分子的吸收光譜和輻射光譜必然是一致的。,,,,,1.大氣分子的選擇吸收,(1)分子光譜輻射頻率及波數(shù)與能量改變

30、的關(guān)系,,,,,1.大氣分子的選擇吸收,得到輻射頻率f和波數(shù)v即為分子吸收譜線或輻射譜線的位置。,(1)分子光譜分子光譜包括電子光譜、振動光譜和轉(zhuǎn)動光譜。僅有電子能級躍遷，光譜帶在X譜線、紫外線和可見光部分；僅有振動能級躍遷，光譜帶在近紅外部分；僅有轉(zhuǎn)動能級躍遷，光譜帶在紅外和微波波段部分。,,,,,1.大氣分子的選擇吸收,大氣中含量最多的是N2和O2分子對稱電荷分布，不具有電偶極子結(jié)構(gòu)，無振動或轉(zhuǎn)動譜吸收和發(fā)射譜有電子軌

31、道躍遷所造成，因而位于紫外和可見光輻射區(qū)。,大氣中吸收長波輻射的主要是CO2、水汽和O3CO2分子以C原子為中心線型對稱，沒有轉(zhuǎn)動帶，15μm的振動帶（范圍從12～18 μm ）是CO2在紅外區(qū)的主要吸收帶。4.3 μm帶是一個很窄而非常強的的吸收帶。水汽是極性分子，轉(zhuǎn)動和振動態(tài)結(jié)合，吸收譜復(fù)雜而不規(guī)則，6.3 μm帶H和2.7 μm吸收區(qū)。O3分子的振動－轉(zhuǎn)動帶中比較重要的是9.6 μm吸收帶。,1、自然增寬：沒有任何外界因

32、素作用，譜線本身也必然具有一定的寬度，這是由于能級具有一定的寬度造成的（測不準(zhǔn)原理）。,譜線增寬,譜線增寬,2、壓力加寬(碰撞加寬)在對流層和平流層大氣中，由于分子、原子或離子處于不斷的無規(guī)則運動中，頻繁碰撞的結(jié)果導(dǎo)致發(fā)射輻射的位相發(fā)生無規(guī)則變化，而使譜線加寬。壓力加寬與T、P有關(guān)，由于大氣壓力的變化比溫度的變化大得多，碰撞加寬的譜線寬度隨壓力的變化是主要的,譜線增寬,3、Doppler增寬由作熱運動的分子發(fā)射輻射的Doppler

33、頻移引起。分子不停地向各個方向以不同速度作無規(guī)則運動，即使每個分子所發(fā)射的輻射頻率相同，但因相對速度的原因使不同運動速度的分子的輻射之間有一定的頻率差異，從而引起輻射譜線有一定程度的增寬。與T有關(guān)，與P無關(guān),1.大氣分子的選擇吸收,(2)吸收系數(shù),,,,,吸收截面：單個離子所吸收的輻射能相當(dāng)于面積 從入射輻射場中所截獲的輻射能。單位體積中各個粒子吸收截面之和稱為體積吸收系數(shù)：某一波數(shù)處的體積吸收系數(shù)，是所有譜線在該處的疊

34、加作用的總和：,分子由于要分裂為原子而吸收足夠的輻射；不穩(wěn)定的原子由于要互相結(jié)合成較穩(wěn)定的分子而釋放多余的輻射能。在光化反應(yīng)過程中，電磁輻射的吸收或發(fā)射在供給和取走能量方面起著決定性的作用。在地球大氣中，大多數(shù)光化反應(yīng)都需要有紫外輻射和可見光輻射。,,,2. 光化反應(yīng)和光致電離,Photochemical Reactions,Absorption of radiation causes molecule to break down

35、 into atomic components,O2 + hn = O + O,,,,,,Photochemical Reactions,Can occur at a continuum of wavelengthsShorter wavelengths with sufficient energy,O2 + hn = O + O,,,,,,l < .2424 mm,任何原子都能被波長非常短的輻射所電離。具有足夠能量的光子把電

36、子從繞原子核旋轉(zhuǎn)的外層軌道上剝離開來，這種過程稱為光致電離。要求輻射具有低于一定的臨界波長的連續(xù)波。引起電離的輻射波長通常小于0.1μm 。,,,2. 光化反應(yīng)和光致電離,,,Photoionization,Atoms that are ionizied by high energy radiation,,,+,,,,Photoionization,Photons ‘strip’ outer electrons from its o

37、rbitOccurs at a continuum of wavelengths,,,,,,,,,,,,l < .1 mm,5.3 地球大氣與輻射的相互作用5.3.1 大氣對輻射吸收的物理過程5.3.2 大氣吸收光譜5.3.3 大氣對輻射的散射5.3.4 輻射能在介質(zhì)中的傳輸,,大氣吸收光譜,,大氣中的O2和O3把太陽輻射中小于0.29μm 的紫外輻射幾乎全部都吸收了。在可見光區(qū)，大氣的吸收很少，只有不強的吸收帶。在

38、紅外區(qū)，主要是水汽的吸收，其次有CO2和CH4的吸收。在14μm 以外，大氣可以看成是近于黑體，地面發(fā)射的大于14μm 的遠紅外輻射全部被吸收，不能透過大氣傳向空間。,在8～12μm波段，大氣的吸收很弱，被稱為大氣的透明窗或大氣光譜窗。只有9.6 μm附近臭氧有一個較強的吸收帶，臭氧主要分布在高空，這一吸收帶對由大氣上界向外的輻射有明顯作用。大氣窗區(qū)對地氣系統(tǒng)的輻射平衡有十分重要的意義：地表溫度約300K，與此溫度向?qū)?yīng)的黑體輻

39、射能量主要集中在10 μm這一范圍，大氣對這一波長范圍的輻射少有吸收，地面發(fā)出的長波輻射透過這一窗口被發(fā)送到宇宙空間。,,散射現(xiàn)象的本質(zhì)氣體分子以及氣溶膠粒子由電子和帶正電的質(zhì)子組成，當(dāng)電磁波照射到氣體分子和氣溶膠粒子后，正負電荷中心產(chǎn)生變異而構(gòu)成電偶極子或多極子，并在電磁波激發(fā)下作受破振動，向個方向發(fā)射次生電磁波。波長與原始波相同，并且與原始波有固定的相位關(guān)系。,5.3.3 大氣對輻射的散射,r為粒子尺度λ為波長,散射過程的

40、分類,,,瑞利(Rayleigh)散射：α « 1，即r 50，r » λ。大雨滴對可見光的散射。,散射削弱系數(shù),用散射截面 表示一個粒子的散射能力。體積散射削弱系數(shù)為單位體積中各粒子散射截面之和： 對于不同大小的氣溶膠散射粒子：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)密度各個散射粒子的散射截面。,,,,瑞利散射,標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下,體積散射消弱系數(shù),體積散射削弱系數(shù)與波長的4次

41、方成正比，波長越短，分子散射削弱越強?？梢娝{光的散射比紅光強9倍以上，這就是晴空天空呈藍色的原因。太陽的直接輻射光在通過地球大氣時，由于分子散射對藍光的削弱要遠大于對紅光的削弱，從而是人們看到的日盤顏色向紅色偏移。,,密度為 的空氣,米散射（大顆粒散射）,米散射討論大粒子的散射過程；假設(shè)粒子是球狀的且球體的介質(zhì)是均勻的。是球粒子散射的通用理論。散射效率因子粒子的散射截面積與粒子幾何截面之比,,5.3 地球大氣與輻射的相

42、互作用5.3.1 大氣對輻射吸收的物理過程5.3.2 大氣吸收光譜5.3.3 大氣對輻射的散射5.3.4 輻射能在介質(zhì)中的傳輸,,布格－郎伯(Bouguer-Lambert)定律僅適用于單色輻射的指數(shù)削弱規(guī)律可適用于任何原因引起的輻射衰減,,,輻射傳輸?shù)挠嘘P(guān)物理量(1),光學(xué)厚度(optical depth或optical thickness)定義：沿輻射傳輸路徑，單位截面上所有吸收和散射物質(zhì)產(chǎn)生總削弱，是量綱一

43、的量（原稱無量綱量）。,輻射傳輸?shù)挠嘘P(guān)物理量(2),光學(xué)質(zhì)量(optical mass)定義:輻射束沿傳輸路徑在單位截面氣柱內(nèi)所吸收或散射的氣體質(zhì)量。,——海平面以上整層大氣的光學(xué)質(zhì)量,——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下吸收或散射氣體的厚度,,——訂正光學(xué)質(zhì)量,輻射傳輸?shù)挠嘘P(guān)物理量(3),單色透過率通過一段大氣路徑的透過率為前后輻射通量密度之比；習(xí)慣上將整層大氣在垂直方向的透過率稱為透明系數(shù)。單色輻射透明系數(shù)為：,,單色吸收率若大氣路徑內(nèi)僅