大气物理学：第四章 地面和大气中的辐射过程.ppt

* 普朗克定律 斯蒂芬-波尔兹曼（ Stefan-Boltzmann）定律 维恩（Wien）位移定律 基尔霍夫定律 前三个定律均是描述绝对黑体的定律 黑体 ~~~一般物体 * * 小 结：普朗克定律给出绝对黑体的分光辐出度与波长、温度的关系，从而绘出黑体辐射光谱曲线，而Wien位移定律描述了曲线中辐射能力最强对应的波长与温度的关系，Stefan-Boltzmann Law则描述了黑体积分辐射能力与温度的四次方成正比，基尔霍夫定律把任何物体和绝对黑体联系起来。 普朗克定律 维恩位移定律 斯蒂芬-波尔兹曼定律 基尔霍夫定律 * 太阳辐射与地球辐射的差别 太阳近似为温度为6000K的黑体，地面近似温度为300K的黑体。 太阳辐射的能量集中在0.1?m至4.0?m之间，地球大气辐射的能量主要集中在4?m至120?m之间。 太阳辐射为短波辐射，称地气辐射为长波辐射。短波和长波辐射以4?m分界。 * * §3 大气对辐射的吸收和散射 3.1、大气对辐射的吸收 3.2、大气对辐射的散射 3.3、辐射能在介质中的传输 * * 大气吸收光谱 （1）气体分子的波长选择性 短波辐射：主要是水汽，其次是氧、臭氧，而 CO2 吸收不多； 长波辐射：主要是水汽，其次是CO2和臭氧。 （2）气体吸收对大气辐射平衡的重要性取决于： 一是吸收的强度 二是吸收气体的含量及其空间分布。 * * 定义无量纲尺度参数 α：尺度数 ；r：粒子半径；λ：入射辐射波长 当α1时：Rayleigh散射，也称分子散射。如空气分子对短波辐射的散射。 当0.1 α 50：Mie散射，如大气中的云滴等气溶胶粒子对短波辐射的散射。 当α 50：几何光学：折射。如大雨滴对可见光的折射、反射。 散射过程分类 * 散射过程分类 散射类型是由入射辐射波长与质点半径的相对大小来确定。 r(μm) * * 散射过程分类 分子散射α1 ：散射能力与波长的四次方成反比，散射能量分布呈对称球形。 米散射0.1α50：散射对所有波长的辐射都同样地发生，散射能量在入射光方向伸长，散射质点越大，偏离对称越多。 几何光学散射α50 ：属于几何光学范畴，比如虹，晕就是光在雨滴或者冰晶上的反射折射造成的。 * * 散射削弱系数 （1）瑞利散射散射系数： N：单位体积中散射质点的数目； m：介质的折射指数； 对于处于特定状态的特定介质，m和N都是确定的数值，则散射系数与波长的四次方成反比。 * * 散射削弱系数 * 天空很蓝？ 夕阳红？ * §3 大气对辐射的吸收和散射 一、大气对辐射的吸收 二、大气对辐射的散射 三、辐射能在介质中的传输（大气消光） * * Eλ E+dEλ dl l=0 Eλ，0 l=l Eλ，l 对上式移项积分得： 对于单色辐射，光经过介质吸收后，其辐照度呈指数衰减，此为比尔定律。 1、布格—朗伯定律（比尔定律） §4 太阳辐射在地球大气中的传输 一、太阳辐射及日地关系 二、大气上界太阳辐射光谱 三、太阳直接辐射 四、天空散射辐射 五、地面对太阳辐射的反射和吸收 * * §4 太阳辐射在地球大气中的传输 一、太阳辐射及日地关系 二、大气上界太阳辐射光谱 三、太阳直接辐射 四、天空散射辐射 五、地面对太阳辐射的反射和吸收 * * 1、太阳常数 太阳常数：大气上界在日地平均距离d0时，与日光垂直平面上的太阳的积分辐照度，称为太阳常数，用 表示。 （4-1） * * 太阳 d d0 如图，中心为太阳，以d0为半径和以d为半径两个球面所通过的辐射通量相等。 同理可得： * 1、太阳常数 * * 习题 * 习题 * 习题 * 习题 地气系统辐射平衡 辐射差额（净辐射）=收入辐射能-支出辐射能 * 辐射平衡 * 若将入射到大气层顶的太阳辐射归一化为100个单位，其中被大气吸收的太阳辐射有20个单位（水汽、臭氧、尘埃吸收为16，云吸收为4），被地表吸收的有50个单位，被反射的太阳辐射有30个单位（空气分子散射为6，云反射为20，地面反射为4），太阳辐射达到平衡； 被地表吸收的50个单位太阳短波辐射中，20个单位以长波（即红外）辐射的形式进入大气（14个被大气中的水汽和二氧化碳吸收，6个直接透过大气进入太空），6个以感热的形式进入大气，24个以潜热的形式进入大气； 对大气而言，它吸收了20个单位太阳辐射，14个单位长波辐射，30个单位感热潜热，能量收入为64个单位，而大气中的水汽和二氧化碳向外空间发射的净辐射为38，云放射的辐射为26，总计