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第二章 大气的热能和温度 第一节 太阳辐射 第二节 地面辐射和大气辐射 第三节 大气的增温和冷却 第四节 大气温度随时间的变化 第五节 大气温度的空间分布 第一节 太阳辐射 　　据计算，一年中整个地球可以由太阳获得5.44×1024J的热量。这是地面和大气最主要的能量来源。而来自宇宙其他星体的辐射能仅及来自太阳的辐射能的亿分之一。从地球内部传送到地面上的热量，也仅及来自太阳的辐射能的万分之一，这和来自太阳的辐射能比较起来，都是极其微小的。 　(一)什么是辐射 　　　　　　　 自然界中的一切物体都以电磁波的形式时刻不停地向外传送能量，这种传递能量的方式称为辐射。以辐射的方式向四周输送的能量称辐射能，有时简称为辐射。 　 电磁波的波长： 　　电磁波的波长范围很广，从波长为10-10微米的宇宙射线，到波长达几公里的无线电波。肉眼看得见的是从0.4—0.76微米的波长，这部分称为可见光。 　　　 　　　可见光经三棱镜分光后，成为一条由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各种颜色组成的光带，其中红光波长最长，紫光波长最短。其他各色光的波长则依次介于其间。波长长于红色光波的，有红外线和无线电波；波长短于紫色光波的，有紫外线，X射线、γ射线等，这些射线虽然不能为肉眼看见，但是用仪器可以测量出来(图2-1)。气象学着重研究的是太阳、地球和大气的热辐射，它们的波长范围大约在0.15—120μ之间。 辐射通量：单位时间内通过一定面积的辐射能量称辐射通量。 辐射通量密度：单位时间内通过单位面积的辐射能量称辐射通量密度（E），单位是W/m2。 辐射强度：单位时间内，通过垂直于选定方向上的单位面积（对球面坐标系，即单位立体角）的辐射能，称为辐射强度，其单位是W/m2 或W/sr,常以符号I表示。 在平行光辐射的特殊情况下，辐射强度与辐射通量密度的关系为： 　　　 I=E/cosθ 　式中θ为辐射体表面的法线方向与选定方向间的夹 角。 辐射光谱:某物体的辐射能按波长的分布称为该物体的辐射光谱 设一物体的辐射出射度为 F（W/m2），在波长λ至λ+dλ间的辐射能为dF，则 (二)物体对辐射的吸收、反射和透射 不论何种物体，在它向外放出辐射的同时，必然会接受到周围物体向它投射过来的辐射，但是，投射到物体上的辐射并不能全部为它所吸收，因为一部分被它反射，还有一部分可能透过物体。 　　设投射到物体上的总辐射能为Qo；被吸收的为Qa；被反射的为Qr；透过的为Qd。根据能量守恒原理： 　　 Qa+Qr+Qd=Qo 　　　将上式等号两边除以Qo，得：P23(第5行)变换得： 　 a+r+d=1 a、r、d都是0-1之间变化的无量纲量，分别表示物体对辐射吸收、反射和透射的能力。 物体的吸收率、反射率和透射率大小随着辐射的波长和物体的性质而改变(选择性)。例如，干洁空气对红外线是近似透明的，而水汽对红外线却能强烈地吸收；雪面对太阳辐射的反射率很大，但对地面和大气的辐射则几乎能全部吸收。 如果有某种物体对各种不同波长辐射的吸收率都等于1，也就是说，投射于其上的辐射能全部被吸收，这种物体称为黑体。黑体是理想的辐射体，实际上在自然界中并不存在真正的黑体，但是为了研究方便，在一定条件下(例如在一定的波长范围内)，可以把某些物体近似地看成为黑体。 (三)有关辐射的基本定律 1.基尔荷夫(Kirchhoff)定律：某温度、某波长的一个物体的辐射强度与其吸收率之比等于同温度、同波长的黑体辐射强度。 设有一真空恒温器（T），放出黑体辐射IλTb。在其中用绝热线悬挂一个非黑体物体，它的温度与容器温度一样亦为T，它的辐射强度为IλT，吸收率为KλT。这样非黑体和器壁之间将要达到辐射平衡。器壁放射的辐射能、非黑体放射的辐射能和未被吸收的非黑体反射辐射能，三者达到平衡，则 IλTb-（1-KλT）IλTb-IλT=0?? ????（2·5） 得 IλT=kλT·IλTb (1)对所有物体来说，辐射强度只是某λ与T的函数 (2)在一定波长、一定温度下一个物体的吸收率等于该物体同温度同波长的放射率。黑体吸收能力最强，所以它也是最好的放射体。 KλT=eλT，eλT=IλT/IλTb (3)同一物体在温度一定时，放射辐射的波长等于其吸收辐射的波长。 2.斯蒂芬(Stefan)—玻耳兹曼(Boltz—man)定律 根据研究，黑体的总放射能力与它本身的绝对温度的四次方成正比，即 ETb=σT4?