第二章 辐射能（气象学）.ppt

第二章 辐射能 本章主要内容 §1 辐射的基本知识 几个概念、几个定律 §2 太阳辐射 太阳辐射光谱、太阳常数、太阳辐射在大气中的减弱、太阳高度和昼长、太阳辐射在大气中减弱的一般规律、到达地面的太阳辐射能、森林中的太阳辐射 §3 长波辐射 地面辐射、大气辐射、地面有效辐射 §4 净辐射 地面的净辐射、森林的净辐射 本章重点 一、有关辐射的几个基本概念 辐射：自然界中的一切物体以电磁波的形式时刻不停地向外发射能量的方式 辐射能：以辐射的方式向外发射的能量（焦耳，J） 辐射通量(功率)：单位时间通过辐射体表面的辐射能（瓦，W） 辐射通量密度：单位时间内通过单位辐射体表面的辐射能（瓦·米-2，W·m-2) 辐射强度：在单位时间内由单位立体角内(圆锥)射到与射线相垂直的单位面积上的辐射能量(瓦·米-2·球面度-1，W·m-2·Sr-1) 吸收率(a)：某物体的吸收辐射与投射到该物体表面的辐射之比 反射率(r)：某物体的反射辐射与投射到该物体表面的辐射之比 透射率(t)：某物体的透射辐射与投射到该物体表面的辐射之比 a+r+t=1 黑体：吸收率为1的物体 二、有关辐射的基本定律 基尔霍夫定律 在一定温度和相应波长下，任一物体的发射率ελ，T与吸收率aλ，T的比值是一常数，即 ελ，T ： aλ，T=常数 或者说物体的放射能力与吸收能力的比值为波长和温度的函数： ε(λ,T)/ a(λ,T)=f(λ,T) 基尔霍夫定律表明：(1)某物体在某一温度T，对于某一波长λ的放射能力与吸收能力的比值为常数；(2)吸收能力强的物体，也是放射能力强的物体；(3)当物体在温度T时放射出波长为λ的辐射能，则在此温度下也吸收同样波长的辐射能。 普朗克定律 绝对黑体放射能量在光谱中的分布可由此定律得出，它指出了绝对黑体的放射能力ε0(λ,T)随波长和温度而变的关系。 在温度T时，黑体表面单位面积所放射的波长介于λ到λ+ d λ之间能量为： 其中C1=2πhc2，C2=hc/k，c=3×108m·s-1为光速，h=6.63×10-34J·s为普朗克常数，k=1.38×10-23J·K-1 为波尔兹曼常数，即C1=3.74×10-16W·m2，C2=1.438×10-2m·K 该定律指出了放射能量最大值的波长随着温度的增加而移向波长较短的区域，而且放射的总能量随着温度增加而增大 斯蒂芬—波尔兹曼定律 绝对黑体在温度为T时放射的总能量E0(T)与其热力学温度T的四次方成正比： E0(T)= σ T4 σ=5.67×10-8W·m-2·K-4为斯蒂芬—波尔兹曼常数。该定律指出了黑体温度愈高，放射的总能量也愈大。 例如：黑体温度T=1000K时 E0=5.67×10-8×10004=5.67×104W·m2 维恩位移定律 绝对黑体放射能力最强所对应的波长与黑体的绝对温度的乘积为一常数，即： λmax·T=a (μm) a=2898 μm·K=2.898×10-3m·K 黑体的温度愈高，放射能力最强所对应的波长愈短，当黑体的温度不断升高，所发出的光就会由红橙转为青蓝。因此，高温物体辐射能量最大值所对应的波长为短波，如太阳辐射；低温物体辐射能量最大值所对应的波长为长波，如地球辐射。如： T=8000K， λmax=0.36 μm(紫外区） T=6000K， λmax=0.48 μm(绿青光部份） T=4000K， λmax=0.72 μm(红光部份） T=2000K， λmax=1.45 μm(红外区） 大致温度在3800K至7600K， λmax落在可见光区，高于7600K时， λmax落在紫外区，低于3800K时λmax则位于红外区。 太阳表面温度为6000K左右，总的放射能力为7348×104W·m-2，放射出能量的99%位于波长0.15~4.0μm ， λmax=0.48 μm，属于短波辐射，是地球上一切能量的主要来源。 一、太阳辐射光谱 定义：太阳辐射能随波长的分布 分区： 紫外区，波长小于0.39 μm 可见光区，波长为0.39~0.76 μm 红外区，波长大于0.76 μm 各区能量所占比例及作用： 紫外区：约占7%，能杀死病毒和病菌，过多的紫外线对生物有害，如日灼、生长停止、蛋白质凝固和血球溶解。 可见光区：约占50%，最大放射能力所对应的波长位于此区中。它既有热效应，又有光效应。对光合作用、蛋白质的合成、动物视觉及其它生物现象都起作用。 红外区：约占43%，波长小于1 μm的辐射对植物延长生长起作用，而波长大于1 μm的则主要是热效应 二、太阳常数 定义：在日地平均距离条件下，地球大气上界垂直于太阳光线面上的辐射通量密度。用S0表示 大小：WMO在1981推荐的最佳值为1367±7W·m2 订正：S0′=S0(