《大氣物理學(xué)》學(xué)習(xí)資料：地面和大氣中的輻射過(guò)程

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1、1第五章第五章地面和大氣中的輻射過(guò)程地面和大氣中的輻射過(guò)程學(xué)習(xí)要求學(xué)習(xí)要求q 提前預(yù)習(xí)q 課堂聽(tīng)講q 習(xí)題（復(fù)習(xí)）3第五章第五章地面和大氣中的輻射過(guò)程地面和大氣中的輻射過(guò)程大氣運(yùn)動(dòng)的大氣運(yùn)動(dòng)的能量來(lái)源能量來(lái)源于太陽(yáng)輻射，地面于太陽(yáng)輻射，地面和大氣中的輻射過(guò)程從大尺度和大氣中的輻射過(guò)程從大尺度開(kāi)始開(kāi)始控制控制了地球大氣系統(tǒng)的能量平衡，了地球大氣系統(tǒng)的能量平衡，從而從而決定決定了地球氣候的基本特征。了地球氣候的基本特征。大氣輻射學(xué)大氣輻射學(xué)研究輻射能在地球-大氣系統(tǒng)內(nèi)傳輸和轉(zhuǎn)換的規(guī)律及其應(yīng)用，屬大氣物理學(xué)的一個(gè)重要分支。是天氣學(xué)、氣候?qū)W、動(dòng)力氣象學(xué)、應(yīng)用氣象學(xué)、大氣化學(xué)和大氣遙感等學(xué)科的理論基礎(chǔ)之

2、一。學(xué)習(xí)、研究的意義學(xué)習(xí)、研究的意義學(xué)習(xí)、研究的意義學(xué)習(xí)、研究的意義輻射能是地面和大氣的基本能量來(lái)源，輻射是地氣系統(tǒng)與宇宙空間能量交換的唯一方式輻射傳輸規(guī)律是大氣遙感的理論基礎(chǔ)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中需要定量化考察大氣輻射過(guò)程氣候問(wèn)題輻射強(qiáng)迫 近年來(lái)人類(lèi)活動(dòng)造成的地球大氣氣候變遷成為大氣科學(xué)研究熱點(diǎn)，其原因也在于人類(lèi)活動(dòng)所排放的某些物質(zhì)會(huì)改變地球大氣中的輻射過(guò)程所致。光的本性之爭(zhēng)光的本性之爭(zhēng)17世紀(jì)70年代微粒說(shuō)（牛頓）和波動(dòng)說(shuō)（胡克、惠更斯）光學(xué)170419世紀(jì)初波動(dòng)說(shuō)（橫波）占統(tǒng)治地位（托馬斯.楊和菲涅耳）20世紀(jì)統(tǒng)一簡(jiǎn)史簡(jiǎn)史麥克斯韋和電磁場(chǎng)方程的建立麥克斯韋和電磁場(chǎng)方程的建立W.Weber(180

3、4-1891)G.F.B.Riemann(18261866)James Clerk Maxwell(1831-1879)1887年，德國(guó)物理學(xué)家赫茲(HRHenz，18571894)才用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了麥克斯韋關(guān)于電磁波的預(yù)言“法拉第一麥克斯韋的電動(dòng)力學(xué)使物理學(xué)家們?cè)陂L(zhǎng)期猶豫不決之后，終于逐漸地放棄了有可能把全部物理學(xué)建立在牛頓力學(xué)之上的信念。”愛(ài)因斯坦文集簡(jiǎn)史簡(jiǎn)史1880-19001880-1900七大實(shí)驗(yàn)七大實(shí)驗(yàn)1887年赫茲證實(shí)電磁波-光電效應(yīng)1887年的邁克耳孫一莫雷實(shí)驗(yàn)以太1895年倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線(xiàn)1896年貝可勒爾發(fā)現(xiàn)了放射性輻射1897年J.J.湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子1898年居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射

4、性元素Planck黑體輻射實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)史簡(jiǎn)史簡(jiǎn)史簡(jiǎn)史現(xiàn)代大氣輻射學(xué)的理論基礎(chǔ)現(xiàn)代大氣輻射學(xué)的理論基礎(chǔ)Max Planck(1858-1947)Max Planck(1858-1947)德國(guó)物理學(xué)家德國(guó)物理學(xué)家19011901：Plancks LawPlancks Law1918 1918 Nobel PrizeNobel PrizeQuantum theory Quantum theory Gustav Robert Kirchhoff Gustav Robert Kirchhoff(1824-1887)(1824-1887)德國(guó)物理學(xué)家德國(guó)物理學(xué)家18591859：Kirchhoffs LawKi

5、rchhoffs Law光譜學(xué)光譜學(xué)電學(xué)電學(xué)發(fā)現(xiàn)了銫和銣發(fā)現(xiàn)了銫和銣簡(jiǎn)史簡(jiǎn)史現(xiàn)代大氣輻射學(xué)的理論基礎(chǔ)現(xiàn)代大氣輻射學(xué)的理論基礎(chǔ)Joseph Stefan(1835-1893)Joseph Stefan(1835-1893)奧地利物理學(xué)家、詩(shī)人奧地利物理學(xué)家、詩(shī)人18841884：Stefan-Boltzmann lawStefan-Boltzmann lawStefan flowStefan flow熱學(xué)熱學(xué)電磁學(xué)電磁學(xué)1904 Nobel Prize1904 Nobel PrizeThere always something will remain,that we shall not know

6、,why?簡(jiǎn)史簡(jiǎn)史現(xiàn)代大氣輻射學(xué)的理論基礎(chǔ)現(xiàn)代大氣輻射學(xué)的理論基礎(chǔ)Ludwig Boltzmann Ludwig Boltzmann(1844-1906)(1844-1906)奧地利物理學(xué)家?jiàn)W地利物理學(xué)家18841884：Stefan-Boltzmann lawStefan-Boltzmann law（理論推導(dǎo)）統(tǒng)計(jì)力學(xué)統(tǒng)計(jì)力學(xué)簡(jiǎn)史簡(jiǎn)史現(xiàn)代大氣輻射學(xué)的理論基礎(chǔ)現(xiàn)代大氣輻射學(xué)的理論基礎(chǔ)Lord Lord Rayleigh(JohnRayleigh(John William William StruttStrutt 1842-1919)1842-1919)英國(guó)物理學(xué)家英國(guó)物理學(xué)家18711871：

7、Rayleigh ScatteringRayleigh Scattering聲學(xué)聲學(xué)電學(xué)電學(xué)1904 Nobel Prize1904 Nobel Prize簡(jiǎn)史簡(jiǎn)史現(xiàn)代大氣輻射學(xué)的理論基礎(chǔ)現(xiàn)代大氣輻射學(xué)的理論基礎(chǔ)Wilhelm Wien(1864-1928)Wilhelm Wien(1864-1928)德國(guó)物理學(xué)家德國(guó)物理學(xué)家18931893：Wiens Displacement LawWiens Displacement Law1911 1911 Nobel PrizeNobel Prize定義定義 black body black body簡(jiǎn)史簡(jiǎn)史現(xiàn)代大氣輻射學(xué)的理論基礎(chǔ)現(xiàn)代大氣輻射學(xué)的理

8、論基礎(chǔ)簡(jiǎn)史簡(jiǎn)史現(xiàn)代大氣輻射學(xué)的理論基礎(chǔ)現(xiàn)代大氣輻射學(xué)的理論基礎(chǔ)Gustav Mie(1868-1957)Gustav Mie(1868-1957)德國(guó)物理學(xué)家德國(guó)物理學(xué)家19081908：Mie theoryMie theory簡(jiǎn)史簡(jiǎn)史現(xiàn)代大氣輻射學(xué)的完善現(xiàn)代大氣輻射學(xué)的完善2020世紀(jì)世紀(jì)2020年代：計(jì)算地年代：計(jì)算地-氣系統(tǒng)的氣系統(tǒng)的輻射收支輻射收支3030年代：輻射傳輸?shù)幕驹砟甏狠椛鋫鬏數(shù)幕驹?9501950年：美籍巴基斯坦學(xué)者年：美籍巴基斯坦學(xué)者SubramanyanSubramanyan Chandrasekhar Chandrasekhar 1983 1983 Nobe

9、l PrizeNobel PrizeRadiative Transfer Clarendon Press,Oxford,1950,reprinted by Dover Publications,New York,393 pp.,1960.簡(jiǎn)史簡(jiǎn)史現(xiàn)代大氣輻射學(xué)的完善現(xiàn)代大氣輻射學(xué)的完善1964:1964:英國(guó)英國(guó)Richard M.GoodyRichard M.GoodyAtmospheric Radiation,Theoretical Basis,(second edition by R.M.Goody and Y.Yung),Oxford University Press,436 pp.,

10、1964,519 pp.,1989.19691969：蘇聯(lián)地球物理學(xué)家蘇聯(lián)地球物理學(xué)家Kondratyev,K.Ya.Radiation in the Atmosphere.Academic Press簡(jiǎn)史簡(jiǎn)史現(xiàn)代大氣輻射學(xué)的完善現(xiàn)代大氣輻射學(xué)的完善7070年代后：非球形粒子的吸收和散年代后：非球形粒子的吸收和散射、輻射傳輸方程的數(shù)值解法射、輻射傳輸方程的數(shù)值解法簡(jiǎn)史簡(jiǎn)史近年來(lái)的主要研究近年來(lái)的主要研究發(fā)展大氣遙感探測(cè)的理論和方法發(fā)展大氣遙感探測(cè)的理論和方法建立具有物理基礎(chǔ)的實(shí)際大氣輻射模式建立具有物理基礎(chǔ)的實(shí)際大氣輻射模式人類(lèi)活動(dòng)對(duì)全球氣候和局地大氣環(huán)境的影響人類(lèi)活動(dòng)對(duì)全球氣候和局地大氣環(huán)境

11、的影響太陽(yáng)活動(dòng)的變化對(duì)氣候的影響太陽(yáng)活動(dòng)的變化對(duì)氣候的影響簡(jiǎn)史簡(jiǎn)史華人的貢獻(xiàn)華人的貢獻(xiàn)19321932年：嚴(yán)濟(jì)慈采用照相光年：嚴(yán)濟(jì)慈采用照相光度術(shù)方法，精確測(cè)定了臭氧度術(shù)方法，精確測(cè)定了臭氧在全部紫外區(qū)域（即在全部紫外區(qū)域（即215-345215-345納米）的吸收系數(shù)，并發(fā)現(xiàn)納米）的吸收系數(shù)，并發(fā)現(xiàn)了若干新光帶了若干新光帶國(guó)際臭氧委員會(huì)把嚴(yán)濟(jì)慈精國(guó)際臭氧委員會(huì)把嚴(yán)濟(jì)慈精確測(cè)定的吸收系數(shù)定為標(biāo)準(zhǔn)確測(cè)定的吸收系數(shù)定為標(biāo)準(zhǔn)值，各國(guó)氣象學(xué)家用以每日值，各國(guó)氣象學(xué)家用以每日測(cè)定高空臭氧層厚度的變化，測(cè)定高空臭氧層厚度的變化，長(zhǎng)達(dá)年之久長(zhǎng)達(dá)年之久簡(jiǎn)史簡(jiǎn)史華人的貢獻(xiàn)華人的貢獻(xiàn)程純樞程純樞(1914-199

12、7(1914-1997）根據(jù)）根據(jù)1931-19351931-1935年南京地區(qū)日射強(qiáng)度記錄，計(jì)算過(guò)年南京地區(qū)日射強(qiáng)度記錄，計(jì)算過(guò)大氣消光系數(shù)，分析了大氣混濁度大氣消光系數(shù)，分析了大氣混濁度因子因子19441944：郭曉嵐（郭曉嵐（Hsiao-Hsiao-LanLan KuoKuo）根）根據(jù)當(dāng)時(shí)最完善的水汽與據(jù)當(dāng)時(shí)最完善的水汽與CO2CO2紅外吸收紅外吸收系數(shù)資料，重新計(jì)算了北半球大氣系數(shù)資料，重新計(jì)算了北半球大氣輻射圖及大氣冷卻率，其計(jì)算精度輻射圖及大氣冷卻率，其計(jì)算精度超過(guò)了當(dāng)時(shí)的國(guó)際水平超過(guò)了當(dāng)時(shí)的國(guó)際水平廖國(guó)男（廖國(guó)男（KuoKuo-Nan-Nan LiouLiou）參考書(shū)目參考書(shū)目教

13、材類(lèi)教材類(lèi)廖國(guó)男著，1980，周詩(shī)健等譯，1985：大氣輻射導(dǎo)論，氣象出版社。第2版，2005，120元Liou,K.N.,1980:An Introduction to Atmospheric Radiation.Academic Press,New York,392 pp.Liou,K.N.,2002:An Introduction to Atmospheric Radiation.2nd edition,Academic Press,San Diego,583 pp.參考書(shū)目參考書(shū)目教材類(lèi)教材類(lèi)尹宏編著，1993：大氣輻射學(xué)基礎(chǔ)，氣象出版社劉長(zhǎng)盛、劉文保編著，1990：大氣輻射學(xué)，南京大

14、學(xué)出版社。周秀驥等，1991：高等大氣物理學(xué)，氣象出版社Grant W.Petty,A First Course In Atmospheric Radiation.Sundog Publishing,Madison,Wisconsin,446 pp.2004.參考書(shū)目參考書(shū)目參考類(lèi)參考類(lèi)吳北嬰等編著，1998，大氣輻射傳輸實(shí)用算法，氣象出版社。大氣光學(xué)分子散射Paltridge,G.W.and C.M.Platt,1976,呂達(dá)仁等譯，1981：氣象學(xué)和氣候?qū)W中的輻射問(wèn)題?？茖W(xué)出版社。M.Iqbal,1983,An Introduction to Solar Radiation,Academi

15、c Press.參考書(shū)目參考書(shū)目參考類(lèi)參考類(lèi)Jacqueline Lenoble,1993,Atmospheric Radiative Transfer,A.Deepak Publishing.Chandrasekhar,S.,Radiative Transfer,Clarendon Press,Oxford,1950,reprinted by Dover Pub.,New York,393 pp.,1960.Goody,R.M.,Atmospheric Radiation,Theoretical Basis,(second edition by R.M.Goody and Y.Yung),O

16、xford University Press,436 pp.,1964,519 pp.,1989.參考書(shū)目參考書(shū)目參考類(lèi)參考類(lèi)Kondratyev,K.Ya.,1969:Radiation in the Atmosphere.Academic PressSobolev,1975:Light Scattering in Planetary Atmosphere.參考書(shū)目參考書(shū)目期刊類(lèi)期刊類(lèi)Applied OpticsJournal of the Atmospheric Sciences 295.1 5.1 輻射的基本知識(shí)輻射的基本知識(shí)5.1.1 5.1.1 電磁波譜電磁波譜5.1.2 5.1.2

17、 描述輻射場(chǎng)的物理量描述輻射場(chǎng)的物理量5.1 5.1 輻射的基本知識(shí)輻射的基本知識(shí)自然界一切物體都時(shí)刻不停地以電磁波的形式向四周傳遞能量，同時(shí)也接收外界投射來(lái)的電磁波，這種能量傳遞的方式稱(chēng)為輻射。以這種方式傳遞的能量，稱(chēng)為輻射能。以橫波形式在空間傳播，速度即光速5.1.1 5.1.1 電磁波譜電磁波譜電磁波描述波長(zhǎng)頻率f 波數(shù) 波速c cfcf15.1.1 5.1.1 電磁波譜電磁波譜5.1.1 5.1.1 電磁波譜電磁波譜例1：波長(zhǎng)10mm對(duì)應(yīng)的頻率和波數(shù)？5.1.1 5.1.1 電磁波譜電磁波譜不同波長(zhǎng)的電磁波有不同的物理特性，因此可以用波長(zhǎng)來(lái)區(qū)分輻射，并給以不同的名稱(chēng)，稱(chēng)之為電磁波譜。5

18、.1.1 5.1.1 電磁波譜電磁波譜5.1.1 5.1.1 電磁波譜電磁波譜紫外線(xiàn)：uvuv-A-A：0.315-0.400 0.315-0.400 微米微米u(yù)vuv-B-B：0.280-0.3150.280-0.315微米微米u(yù)vuv-C-C：0.150-0.2800.150-0.280微米微米可見(jiàn)光紅外線(xiàn)：近紅外：近紅外：0.7-2.50.7-2.5微米微米遠(yuǎn)紅外：遠(yuǎn)紅外：2.5-10002.5-1000微米微米微波無(wú)線(xiàn)電波長(zhǎng)波、短波：4微米FLUXFLUX:INVERSE SQUARE LAW5.1.2 5.1.2 描述輻射場(chǎng)的物理量描述輻射場(chǎng)的物理量立體角錐體所攔截的球面積與半徑r的

19、平方之比，單位為球面度（sr：Steradian）5.1.2 5.1.2 描述輻射場(chǎng)的物理量描述輻射場(chǎng)的物理量立體角sindrdrd 2sinddd dr 輻射能Q能量:焦耳、熱力學(xué)卡（1k=4.1840J）輻射通量（radiant flux 輻射功率W）單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)任意表面的輻射能量，單位為J/s，即WdQdt 5.1.2 5.1.2 描述輻射場(chǎng)的物理量描述輻射場(chǎng)的物理量輻射通量密度E(radiant flux density)單位時(shí)間通過(guò)單位面積的輻射能量，單位為W/m2。設(shè)面元為dA：表示面元接受的F時(shí)，又稱(chēng)輻照度（irradiance）表示從物體表面發(fā)射出的E，又稱(chēng)輻出度、輻射度、輻

20、射能力（emittance）。ddQEdAdtdA5.1.2 5.1.2 描述輻射場(chǎng)的物理量描述輻射場(chǎng)的物理量輻射強(qiáng)度L(radiance輻亮度、輻射率)單位立體角、單位時(shí)間、單位面積所通過(guò)的輻射能量，單位為W/m2sr5.1.2 5.1.2 描述輻射場(chǎng)的物理量描述輻射場(chǎng)的物理量d(,)dddddddELxyztAQA dt輻射強(qiáng)度L(radiance輻亮度、輻射率)光度計(jì)示意圖5.1.2 5.1.2 描述輻射場(chǎng)的物理量描述輻射場(chǎng)的物理量 CE318自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)分光光度計(jì)5.1.2 5.1.2 描述輻射場(chǎng)的物理量描述輻射場(chǎng)的物理量單色與譜段積分輻射量21QQ d5.1.2 5.1.2 描述輻射

21、場(chǎng)的物理量描述輻射場(chǎng)的物理量各向同性輻亮度L與觀(guān)測(cè)方向（,）無(wú)關(guān)（L是立體角的函數(shù)，即與方向有關(guān)各向異性）均勻輻射L與觀(guān)測(cè)位置（x,y,z）無(wú)關(guān)（L是觀(guān)測(cè)位置的函數(shù)非均勻輻射）定常輻射L與時(shí)間t無(wú)關(guān)（L與時(shí)間t的函數(shù)非定常輻射）5.1.2 5.1.2 描述輻射場(chǎng)的物理量描述輻射場(chǎng)的物理量平面平行大氣 考慮到大氣中各種變量在水平方向的變化率遠(yuǎn)小于垂直方向的變化率，因此經(jīng)?？杉僭O(shè)大氣是水平均一的，相應(yīng)的大氣模型在大氣輻射學(xué)中稱(chēng)為平面平行大氣。5.1.2 5.1.2 描述輻射場(chǎng)的物理量描述輻射場(chǎng)的物理量平面平行大氣可把從各個(gè)方向射來(lái)的輻亮度在垂直方向的分量累加起來(lái)，其計(jì)算公式為5.1.2 5.1.2

22、 描述輻射場(chǎng)的物理量描述輻射場(chǎng)的物理量dcosLE凈輻射通量密度或凈輻照度計(jì)算水平面上的輻射通量密度，分別對(duì)從上半球和下半球入射輻射的垂直分量進(jìn)行積分凈輻照度5.1.2 5.1.2 描述輻射場(chǎng)的物理量描述輻射場(chǎng)的物理量*EEE 2022020ddsincosddsincosLELE 凈輻射通量密度或凈輻照度輻射能收支為正：氣層溫度升高；反之降溫。5.1.2 5.1.2 描述輻射場(chǎng)的物理量描述輻射場(chǎng)的物理量?jī)糨椛渫棵芏然騼糨椪斩?.1.2 5.1.2 描述輻射場(chǎng)的物理量描述輻射場(chǎng)的物理量點(diǎn)輻射源假設(shè)點(diǎn)源向四周發(fā)射是均勻的，發(fā)射輻射的功率為0，以點(diǎn)源為中心畫(huà)一個(gè)半徑為r的球面，則通過(guò)球表面的輻照

23、度為點(diǎn)源的輻照度（或輻射通量密度）將隨r 2減小。5.1.2 5.1.2 描述輻射場(chǎng)的物理量描述輻射場(chǎng)的物理量024Er平行輻射當(dāng)光源的距離足夠遠(yuǎn)時(shí)，所有來(lái)自該光源的輻射傳輸方向可以認(rèn)為是相互平行的，這種輻射常被稱(chēng)為平行輻射(或平行光)特點(diǎn)：在不考慮吸收散射等因素時(shí)，平行光的輻射通量密度應(yīng)當(dāng)是常數(shù)，即在任何位置上設(shè)置一個(gè)和輻射傳輸方向相垂直的平面，通過(guò)這平面的輻射通量密度都應(yīng)當(dāng)是一個(gè)常數(shù)。5.1.2 5.1.2 描述輻射場(chǎng)的物理量描述輻射場(chǎng)的物理量平行輻射大氣輻射中，常把來(lái)自太陽(yáng)的直接輻射看作平行光。因?yàn)榈厍螂x太陽(yáng)的距離為149,597,890 km，而大氣輻射學(xué)中討論的最大尺度是地球半徑的尺

24、度，即6,371 km。在這樣一個(gè)范圍中，太陽(yáng)輻射的強(qiáng)度僅變化(149597890+6371)/149597890)2=1.000085。因此把太陽(yáng)輻射當(dāng)作平行光，其輻照度不隨距離變化是合理的。5.1.2 5.1.2 描述輻射場(chǎng)的物理量描述輻射場(chǎng)的物理量平行輻射對(duì)于平行輻射，由于輻射能是在同一個(gè)方向傳播，射線(xiàn)所張的立體角為零，此時(shí)輻射強(qiáng)度的概念不再適用。這種情況下，只需要知道平行輻射的方向和輻射通量密度即可。地面接收的太陽(yáng)輻射通量密度5.1.2 5.1.2 描述輻射場(chǎng)的物理量描述輻射場(chǎng)的物理量cosSS面輻射源特點(diǎn)是它可以向2立體角中發(fā)射輻射能。對(duì)平面平行大氣，水平方向的輻射分量都是相同的，它

25、們對(duì)局地能量平衡不起作用。因此只關(guān)心垂直方向的輻射通量密度。5.1.2 5.1.2 描述輻射場(chǎng)的物理量描述輻射場(chǎng)的物理量余弦輻射體或Lambert光源輻射強(qiáng)度不隨方向變化的面輻射源如黑體、太陽(yáng)、陸地表面平靜水面？例5.1(朗伯定律)5.1.2 5.1.2 描述輻射場(chǎng)的物理量描述輻射場(chǎng)的物理量FL605.2 5.2 輻射的物理規(guī)律輻射的物理規(guī)律5.2.1 5.2.1 吸收率、反射率和透射率吸收率、反射率和透射率5.2.2 5.2.2 平衡輻射的基本規(guī)律平衡輻射的基本規(guī)律5.2.3 5.2.3 太陽(yáng)輻射和地球輻射的區(qū)別太陽(yáng)輻射和地球輻射的區(qū)別能量守恒能量守恒Q0=Qa+Qr+Qt 吸收率吸收率A=

26、Qa/Q0反射率反射率R=Qr/Q0透射率透射率 =Qt/Q0(透過(guò)率透過(guò)率)A+R+=1 5.2.1 5.2.1 吸收率、反射率和透射率吸收率、反射率和透射率對(duì)于單色輻射，稱(chēng)為單色吸收對(duì)于單色輻射，稱(chēng)為單色吸收率、反射率和透射率。分別率、反射率和透射率。分別記為記為A ,R ,各種物體對(duì)不同波長(zhǎng)的輻射具各種物體對(duì)不同波長(zhǎng)的輻射具有不同的吸收率與放射率，構(gòu)有不同的吸收率與放射率，構(gòu)成了該物體的成了該物體的吸收光譜吸收光譜或或輻射輻射光譜光譜。反照率：物體表面的反射輻射反照率：物體表面的反射輻射通量與入射輻射通量之比通量與入射輻射通量之比5.2.1 5.2.1 吸收率、反射率和透射率吸收率、反射

27、率和透射率絕對(duì)黑體所有波長(zhǎng)吸收率均為1A=1單色黑體某一波長(zhǎng)吸收率為1A=1 灰體吸收率不隨波長(zhǎng)變化但小于15.2.1 5.2.1 吸收率、反射率和透射率吸收率、反射率和透射率？黑色物體BLACKBODY RADIATION輻射平衡狀態(tài)吸收和發(fā)射輻射能量相等：1）物質(zhì)熱狀況保持不變，可用一確定溫度表示；2）各向同性局地輻射平衡狀態(tài)如果輻射熱交換的過(guò)程相當(dāng)緩慢，物體中內(nèi)能的分布來(lái)得及變化均勻，這時(shí)物體的溫度雖然在變化，但每一給定瞬間，物體的狀態(tài)可以看作是平衡的，仍可用一定的溫度來(lái)描述。地球大氣中的輻射過(guò)程，一般認(rèn)為地面至60公里以下的大氣處于局地輻射平衡狀態(tài)，因此可以應(yīng)用平衡輻射的規(guī)律來(lái)解訣平流

28、層以下的大氣輻射學(xué)的問(wèn)題5.2.2 5.2.2 平衡輻射的基本規(guī)律平衡輻射的基本規(guī)律Kirchhoff LawKirchhoff Law在輻射平衡條件下，任何物體的單色輻射通量密度FT與吸收系數(shù)AT成正比關(guān)系，二者比值只是波長(zhǎng)和溫度的函數(shù)，與物體性質(zhì)無(wú)關(guān)，比值大小等于Planck函數(shù)的通量密度形式,TBTFFTAKirchhoff LawKirchhoff Law若定義比輻射率(Emissivity),T為物體的放射能力F,T和黑體的輻射能力FB(,T)之比，則基爾霍夫定律可以寫(xiě)成意義：將物體的吸收能力和放射能力聯(lián)系起來(lái)將各種物質(zhì)的吸收、放射能力與黑體的吸收放射能力聯(lián)系起來(lái)。TTA,Gusta

29、v Robert Kirchhoff Gustav Robert Kirchhoff(1824-1887)(1824-1887)德國(guó)物理學(xué)家德國(guó)物理學(xué)家18591859：Kirchhoffs LawKirchhoffs Law光譜學(xué)光譜學(xué)電學(xué)電學(xué)發(fā)現(xiàn)了銫和銣發(fā)現(xiàn)了銫和銣Kirchhoff LawKirchhoff LawPlanck LawPlanck Law對(duì)于絕對(duì)黑體物質(zhì)，單色輻射通量密度與發(fā)射物質(zhì)的溫度和輻射波長(zhǎng)或頻率的關(guān)系Planck定律：第一輻射常數(shù)第二輻射常數(shù)221B5/1152(,)(e1)(e1)chkTCTc hFTC212Chc2hcCkPlanck LawPlanck L

30、aw普朗克函數(shù)(黑體分光輻亮度)2B/1151(,)(,)(e1)CTBTF TCPlanck LawPlanck Law黑體輻射與物質(zhì)組成無(wú)關(guān)黑體輻射強(qiáng)度隨溫度增高而增大Stefan-Stefan-Boltzmann LawBoltzmann Law最大強(qiáng)度的波長(zhǎng)隨溫度增高而減小WienWien位移定律位移定律Max Planck(1858-1947)Max Planck(1858-1947)德國(guó)物理學(xué)家德國(guó)物理學(xué)家19011901：Plancks LawPlancks Law1918 1918 Nobel PrizeNobel PrizeQuantum theory Quantum the

31、ory Planck LawPlanck LawStefan-Boltzmann LawStefan-Boltzmann Law黑體的積分輻射通量密度與溫度的4次方成正比由溫度可以求出絕對(duì)黑體的積分輻射通量密度；反之，也可由積分輻射通量密度反求其溫度，這就是用輻射方法測(cè)量物體溫度的基礎(chǔ)。將太陽(yáng)視作絕對(duì)黑體而計(jì)算出的溫度稱(chēng)為太陽(yáng)的有效溫度，約為5777K，與太陽(yáng)表面的實(shí)際溫度略有差異。如果不是絕對(duì)黑體，反演出的溫度就會(huì)偏低。4TFBTJoseph Stefan(1835-1893)Joseph Stefan(1835-1893)奧地利物理學(xué)家、詩(shī)人奧地利物理學(xué)家、詩(shī)人18841884：Stefa

32、n-Boltzmann lawStefan-Boltzmann lawStefan flowStefan flow熱學(xué)熱學(xué)電磁學(xué)電磁學(xué)1904 Nobel Prize1904 Nobel PrizeThere always something will remain,that we shall not know,why?5.2.2 5.2.2 平衡輻射的基本規(guī)律平衡輻射的基本規(guī)律Ludwig Boltzmann Ludwig Boltzmann(1844-1906)(1844-1906)奧地利物理學(xué)家?jiàn)W地利物理學(xué)家18841884：Stefan-Boltzmann lawStefan-Bolt

33、zmann law（理論推導(dǎo)）統(tǒng)計(jì)力學(xué)統(tǒng)計(jì)力學(xué)5.2.2 5.2.2 平衡輻射的基本規(guī)律平衡輻射的基本規(guī)律WienWien位移定律位移定律黑體輻射最大單色通量密度與它的溫度成反比例如對(duì)6000 K黑體，max=0.42 mm（藍(lán)色光）由輻射最強(qiáng)的波長(zhǎng)也可以確定絕對(duì)黑體的溫度，光譜方法測(cè)定物體溫度的基礎(chǔ)。由維恩位移定律求出的溫度稱(chēng)為顏色溫度或色溫。max2897.8()TmKmWilhelm Wien(1864-1928)Wilhelm Wien(1864-1928)德國(guó)物理學(xué)家德國(guó)物理學(xué)家18931893：Wiens Displacement LawWiens Displacement Law

34、1911 1911 Nobel PrizeNobel Prize定義定義 black body black body5.2.2 5.2.2 平衡輻射的基本規(guī)律平衡輻射的基本規(guī)律WienWien位移定律位移定律太陽(yáng)輻射的能量集中在太陽(yáng)輻射的能量集中在0.1m mm至至4.0m mm之間之間地球大氣輻射的能量主要集中在地球大氣輻射的能量主要集中在4m mm至至120m mm之間之間在大氣物理學(xué)中，常稱(chēng)在大氣物理學(xué)中，常稱(chēng)太陽(yáng)輻射太陽(yáng)輻射為為短波輻射短波輻射，稱(chēng)，稱(chēng)地地球輻射球輻射為長(zhǎng)波輻射。短波和長(zhǎng)波輻射以為長(zhǎng)波輻射。短波和長(zhǎng)波輻射以4m mm分界。分界。5.2.3 5.2.3 太陽(yáng)輻射和地球輻射

35、太陽(yáng)輻射和地球輻射5.2.3 5.2.3 太陽(yáng)輻射和地球輻射太陽(yáng)輻射和地球輻射相對(duì)能量大小相對(duì)能量大小:在所有的波長(zhǎng)，太陽(yáng)表面的輻射通量都遠(yuǎn)大于地球在所有的波長(zhǎng)，太陽(yáng)表面的輻射通量都遠(yuǎn)大于地球表面輻射通量。表面輻射通量。但輻射通量在傳輸過(guò)程中隨距離的平方減小。在地但輻射通量在傳輸過(guò)程中隨距離的平方減小。在地球表面或離地面幾百公里的范圍內(nèi)，在長(zhǎng)波波段，球表面或離地面幾百公里的范圍內(nèi)，在長(zhǎng)波波段，地球的輻射通量遠(yuǎn)大于太陽(yáng)的輻射通量，故常常可地球的輻射通量遠(yuǎn)大于太陽(yáng)的輻射通量，故常常可以忽略太陽(yáng)的作用。以忽略太陽(yáng)的作用。例如，在大氣上界，入射的太陽(yáng)長(zhǎng)波輻射通量約10 Wm-2，而地球出射的長(zhǎng)波輻射通量約270 Wm-2。對(duì)于全波段輻射通量密度，太陽(yáng)、地球兩者輻射通對(duì)于全波段輻射通量密度，太陽(yáng)、地球兩者輻射通量密度數(shù)量級(jí)接近量密度數(shù)量級(jí)接近5.2.3 5.2.3 太陽(yáng)輻射和地球輻射太陽(yáng)輻射和地球輻射習(xí)題習(xí)題第120頁(yè)(1)(2)(3)