AP05太阳辐射传输.ppt

5.4.1 太阳和太阳辐射 粗略估计，太阳向地球输送的热能大约是250亿亿卡/分钟，相当于燃烧4亿吨烟煤所产生的能量。 地球从月球等其它天体所得的辐射能，仅为太阳的亿分之一； 来自宇宙的辐射能也仅为太阳辐射能的20亿分之一； 从地球内部传到地面的热量，全年才为5.4卡/平方厘米，仅为来自太阳辐射能的万分之一。 地球和大气最主要的能量来源是太阳辐射。 要了解大气各层以及地面取得的太阳辐射能的规律，需要首先知道作为辐射源的太阳进入大气的辐射能谱分布以及地球和大气的吸收特性。 太阳的结构 太陽黑子是太陽光球上的臨時現象，它們在可見光下呈現比周圍區域黑暗的斑點。它們是由高密度的磁性活動抑制了對流的激烈活動造成的，在表面形成溫度降低的區域。雖然它們的溫度仍然大約有3000-4500K ，但是與周圍5,780K的物質對比之下，使它們清楚的顯視為黑點，因為黑體(光球非常近似於黑體)的熱強度(I)與溫度(T)的四次方成正比。如果將黑子與周圍的光球隔離開來，黑子會比一個電弧更為明亮。當它們在太陽表面橫越移動時，會膨脹和收縮，直徑可以達到80,000公里，因此在地球上不用望遠鏡也可以直接看見 。 激烈的磁場活動顯示，太陽黑子會導致次一級的活動，像是冕圈和再聯結事件。大多數的閃焰和日冕物質拋射都起源於可見到黑子群存在的磁場活動區域。相似的現象也在一些有著星斑的恆星上被直接觀測到。 太阳黑子很少单独活动，常是成群出现。黑子的活动周期为11.2年，活躍時会对地球的磁场產生影響，主要是使地球南北极和赤道的大气环流作经向流动，从而造成恶劣天气，使气候转冷。嚴重時會對各类电子产品和电器造成损害。 2.大气外界太阳光谱及太阳常数 太阳光谱(solar spectrum) ：由极为宽阔的连续谱以及数以万计的夫琅和费吸收线和发射线组成。 T = 5777 K 99.9% 的能量集中在IR、VIS和UV。 地面观测波段约为0.295～2.5微米。 作用：可以探测太阳大气特征和现象的产生机制与演变规律，可以认证谱线和确认元素的丰度，研究地球气候等。 2. 大气外界太阳光谱及太阳常数 太阳辐射谱的观测，关心3个问题： 大气外界太阳辐射的谱分布、总谱能量或太阳常数和太阳辐射随时间的变化。 观测简史 在20世纪初即已开始，地面测量； 50年代利用火箭观测了太阳的紫外辐射； 60年代利用飞机和高空气球对太阳辐射谱作了仔细的观测研究； 70年代又利用火箭和卫星以及新的主动腔体辐射表观测了太阳辐射的总谱能量。 观测简史 目前，在高山上进行的长期测量，仍是测算大气外界太阳辐射光谱的主要手段。借助高空观测弥补紫外和红外波段的测量。 太阳辐射谱标准 NASA标准：70年代初，美宇航局用飞机测量，给出大气上界太阳辐射谱分布，辐照度(即太阳常数)为1353 Wm-2 。 WRC标准：瑞士达佛斯的世界辐射中心给出的大气上界太阳谱分布，辐照度(即太阳常数)为1367 Wm-2 。 WMO仪器与观测方法委员会1981年10月决定采用WRC标准。 太阳常数：在大气上界日地平均距离处，通过与太阳光线垂直的单位面积上的太阳辐射总辐射通量密度(包括所有波长)。 太阳常数：太阳积分辐射通量密度。 1981年，WMO推荐的太阳常数最佳值为：1367±7Wm-2。 2. 大气外界太阳光谱及太阳常数 太阳常数的变化 5.4.2 地球大气上界的太阳辐射能 太阳的位置和时间 季節與太陽輻射 Sun-Earth relationship Variability due to orbit 2. 水平面上太阳辐射通量的计算 入射到大气上界水平面上的太阳辐照度 2.水平面上太阳辐射通量的计算 大气上界太阳辐射的日总量 2. 水平面上太阳辐射通量的计算 大气上界太阳辐射日总量 Qd 随纬度的变化是决定地球上各纬度间气候差异的基本因素。 S0 的日变化与Qd 的年变化,使得气温也具有日变化与年变化。 气温并非简单地取决于S0和Qd 5.4.3 太阳的直接辐射 由于太阳离地球较远，在地面上观测到太阳的视角仅为0.5°，因此太阳直接辐射可以认为是一种平行光辐射。 由于大气中的各种气体成份会吸收和散射部分太阳辐射的能量，造成了太阳直接辐射的衰减(也称削弱、消光)。 1. 地面太阳直接辐射 假设：各吸收、散射过程相互独立，则衰减系数为： kl,R为气体分子散射所引起的衰减， kl,M为气溶胶粒子的散射所引起的衰减 kl,O为臭氧吸收所引起的衰减 kl,g为其它均匀混合气体分子(O2和CO2)吸收所引起的衰减。 衰减系数： 2. 相对大气质量 大气质量数是倾斜路径的光学厚度与垂直路径光学厚度之比： 日光倾斜入射时与自天顶入射时的光学质量之比： 均匀混合气体相对大气质量，平面平行无折射均质