氣象學(xué)第二章輻射

氣象學(xué)第二章輻射輻射就就是物體發(fā)射電磁波所有物體都在發(fā)射電磁波,也吸收電磁波電磁波就就是“光”;光就就是電磁波電磁波就是一種能量,無處不在,無時(shí)不在電磁波就是物體間能量交換得重要方式。光就是什么？輻射就是很危險(xiǎn)得東西嗎？紫外線消毒得原理？微波爐加熱食物得原理？藍(lán)色就是冷色,紅色為曖色？太陽(yáng)離地球很遠(yuǎn),為何會(huì)帶給地球溫暖？晴朗得天空為何就是藍(lán)色得,日落為紅色？葉片為何就是綠色得？為何夏天穿黑色衣服感覺更熱？主要內(nèi)容1、輻射得基本知識(shí)2、太陽(yáng)輻射太陽(yáng)得高度與方位、晝長(zhǎng)變化太陽(yáng)輻射概述大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射得影響到達(dá)地面得太陽(yáng)輻射與植物得關(guān)系3、地面和大氣輻射大氣溫室效應(yīng)地面輻射大氣輻射黑體與灰體輻射與電磁波輻射基本規(guī)律1、輻射得基本知識(shí)輻射定義電磁波輻射得基本規(guī)律

基爾霍夫定律(Kirchhoff)斯蒂芬—波茨曼(Stefan-Boltzman)定律維恩(Wien)位移定律輻射:物體發(fā)射電磁波任何物體(＞－273℃)都會(huì)向外發(fā)射電磁波電磁波？發(fā)射電磁波得強(qiáng)度發(fā)射什么樣得電磁波物體對(duì)電磁波得吸收振動(dòng)產(chǎn)生波墻10大家應(yīng)該也有點(diǎn)累了，稍作休息大家有疑問的，可以詢問和交流所有得物體都由分子、原子等帶電粒子組成“振動(dòng)”得強(qiáng)烈程度即就是“溫度”熱輻射帶電粒子得振動(dòng)產(chǎn)生電磁波所有得帶電粒子都在“振動(dòng)”所有得物體都在輻射電磁波,且與溫度有關(guān)輻射名稱波長(zhǎng)范圍紫外線100?！?.4微米可見光0.4微米～0.76微米紅外線近紅外0.76微米～3.0微米中紅外3.0微米～6.0微米遠(yuǎn)紅外6.0微米～15微米超遠(yuǎn)紅外15微米～1000微米微波毫米波1～10毫米厘米波1～10厘米分米波10厘米～1米色彩名稱波長(zhǎng)范圍紫0.40～0.43微米藍(lán)0.43～0.47微米青0.47～0.50微米綠0.50～0.56微米黃0.56～0.59微米橙0.59～0.62微米紅0.62～0.76微米不同電磁波得具體波長(zhǎng)范圍可見光波長(zhǎng)范圍斯蒂芬—波茨曼(Stefan-Boltzman)定律黑體和灰體

黑體:能將投射到其表面得輻射全部吸收得物體,如地面、太陽(yáng)表面。只能部分吸收得為灰體黑體得輻射強(qiáng)度(E)與其表面得絕對(duì)溫度(T)得四次方成正比,即:E=σT4

σ=5、67×10-8就是斯蒂芬—波茨曼常數(shù)。普通物體得輻射強(qiáng)度

E=εσT4

ε:輻射率維恩(Wien)定律物體輻射出各種波長(zhǎng)得電磁波(輻射波譜)

物體輻射能力最強(qiáng)得電磁波波長(zhǎng)與T成反比λmax=2897/T(μm)λmax輻射能力最強(qiáng)得電磁波波長(zhǎng)例如:太陽(yáng)表面溫度為6000K,最大輻射波長(zhǎng)λmax=2897/6000=0、48μm

地球表面得平均溫度為288K,放射得最大輻射波長(zhǎng)為

λmax=2897/288=10μm基爾霍夫定律(Kirchhoff)物體易發(fā)射某波段得電磁波,同時(shí)也易吸收相同波段得電磁波

物體對(duì)電磁波得吸收就是有選擇性得,如大氣、水、玻璃、塑料薄膜、雪等。(大氣溫室效應(yīng)原理)鐵在常溫下為黑色,高溫下為白色？黑色得路面、墻面等得溫度變化紅外測(cè)溫儀、夜視設(shè)備、紅外感應(yīng)等冷血?jiǎng)游?蛇等)太陽(yáng)能得利用2、太陽(yáng)輻射2、1影響太陽(yáng)輻射得天文因素2、2太陽(yáng)輻射概述2、3大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射得影響2、4到達(dá)地面得太陽(yáng)輻射2、5植物與太陽(yáng)輻射得關(guān)系2、1影響太陽(yáng)輻射得天文因素太陽(yáng)得高度、方位、晝長(zhǎng)變化太陽(yáng)高度與方位意義太陽(yáng)高度日變化、年變化、地區(qū)變化正午太陽(yáng)高度角建筑物朝向、溫室頂面傾角、山得南北坡小氣候差別、果園行向、空調(diào)安裝方位等H正午＝90－A+BA:緯度

B:太陽(yáng)赤緯,太陽(yáng)直射點(diǎn)緯度春、秋分0

夏至23、5冬至－23、5

可查表、計(jì)算廣州夏至、春分、冬日正午得太陽(yáng)高度H夏至=90-A+B=90-23+23、5=90、5(180-90、5=89、5)H春分=90-A+B=90-23+0=67H冬至=90-A+B=90-23-23、5=43、5天頂南北夏至春分冬至北京夏至、春分、冬日正午得太陽(yáng)高度H夏至=90-A+B=90-40+23、5=73、5H春分=90-A+B=90-40+0=50H冬至=90-A+B=90-40-23、5=26、5北南天頂春秋分太陽(yáng)得高度與方位:日出正東正午正南日落正西太陽(yáng)光線地平線天頂?shù)仄骄€北南夏至太陽(yáng)方位日出東偏北正午日落西偏北回歸線以北:正南回歸線:天頂回歸線以南:正北

冬至太陽(yáng)方位日出東偏南正午正南日落西偏南晝長(zhǎng)得時(shí)空變化晝長(zhǎng)即就是太陽(yáng)從地平面升起到落下得這段時(shí)間,也叫日長(zhǎng)或可照時(shí)間。光照時(shí)間=晝長(zhǎng)+曙光+暮光緯度越高,曙暮光時(shí)間越長(zhǎng)與植物得光周期有關(guān)2、2太陽(yáng)輻射概述

太陽(yáng)輻射光譜輻射強(qiáng)度太陽(yáng)常數(shù)輻射強(qiáng)度、照度、量子通量密度太陽(yáng)輻射光譜

定義太陽(yáng)輻射能隨波長(zhǎng)得分布曲線。大氣上界得太陽(yáng)輻射光譜圖中:實(shí)線就是大氣上界得太陽(yáng)輻射光譜;虛線就是溫度在6,000K時(shí)得黑體輻射光譜。

太陽(yáng)輻射概述2、2太陽(yáng)輻射概述波長(zhǎng)范圍,大約在0、15-4微米之間。能量分布波長(zhǎng)較短得紫外光區(qū)7％波長(zhǎng)較長(zhǎng)得紅外光區(qū)43％可見光區(qū)50％生理輻射或光合有效輻射2、2太陽(yáng)輻射概述太陽(yáng)輻射強(qiáng)度在垂直照射情況下在單位時(shí)間內(nèi)、單位面積上所得到得輻射能量。太陽(yáng)常數(shù)在日地平均距離得條件下,在地球大氣上界得太陽(yáng)輻射強(qiáng)度。1367W/m22、2太陽(yáng)輻射概述輻射強(qiáng)度:w/m2,用能量計(jì)算。照度:光照強(qiáng)度,米燭光(lux),夏日中午可高達(dá)12萬(wàn)lux以上。照明等。光(量)子通量密度:E/m2·s1E=6、02×1022個(gè)光子,用于光合作用等較好。太陽(yáng)紫外線(UV)(選講)具有較高得能量,波長(zhǎng)越短,能量越高。UVC

0、2-0、29得紫外線對(duì)生物有殺傷作用,可殺死單細(xì)胞生物,降低人體免役力,傷害人眼得視網(wǎng)膜,致使失明,好在這部分紫外線基本上被大氣中得O3吸收掉了,很少到達(dá)地面。UVB

0、29-0、32波段紫外線有少量到達(dá)地面,這部分紫外線能量也較高,可穿透人得皮膚,產(chǎn)生日灼,甚至皮膚癌(90%得皮膚癌與有關(guān)),有意思得就是,UVB有利于維生素D得合成,而維生素D與人得健康關(guān)系密切。UVA0、32-0、4波段紫外線能量相對(duì)較低一些,可使皮膚變紅,對(duì)免役系統(tǒng)有一定危害。紫外線作用下,皮膚細(xì)胞中會(huì)產(chǎn)生一些黑色素,黑色素可吸收紫外線,起到保護(hù)作用(白種人與日光,皮膚癌)。紫外線指數(shù)預(yù)報(bào)紫外線指數(shù):中午前后到達(dá)地面得紫外線對(duì)人體可能造成得損害程度。用0至15表示。夜間為0,最強(qiáng)為15。

1級(jí):0、1、2

2級(jí):3、4

3級(jí):5、6中等強(qiáng)度,有一定影響

4級(jí):7、8、9較強(qiáng),危害較大

5級(jí):10以上,危害大,需預(yù)防2、3大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射得影響吸收作用

散射作用

反射作用大氣吸收大氣反射吸收作用吸收后變?yōu)闊崮?可使氣溫升高吸收物質(zhì)水氣0、93～2、85微米之間臭氧0、2～0、3微米大氣主體成份無吸收作用太陽(yáng)輻射主體未被吸收太陽(yáng)輻射不就是大氣直接熱源塵埃等眼對(duì)紫色不敏感水汽吸收最強(qiáng)得就是在紅外區(qū),從0、93-2、85微米之間得幾個(gè)吸收帶。最強(qiáng)得太陽(yáng)輻射能就是短波部分,因此水汽從總得太陽(yáng)輻射能里所吸收得能量就是不多得。據(jù)估計(jì),太陽(yáng)輻射因水汽得吸收可以減弱4-15％。

氮和氧,只有氧能微弱地吸收太陽(yáng)輻射。在波長(zhǎng)小于0、2微米處為一寬得吸收帶,吸收能力較強(qiáng);在0、69和0、76微米附近,各有一個(gè)窄吸收帶,吸收能力較弱。

臭氧在大氣中含量雖少,但對(duì)太陽(yáng)輻射得吸收很強(qiáng)。0、2-0、3微米為一強(qiáng)吸收帶,使小于0、29微米得太陽(yáng)輻射不能到達(dá)地面。

二氧化碳對(duì)太陽(yáng)輻射得吸收比較弱,僅對(duì)紅外區(qū)4、3微米附近得輻射吸收較強(qiáng),但這一區(qū)域得太陽(yáng)輻射很微弱,被吸收后對(duì)整個(gè)太陽(yáng)輻射影響不大。散射作用輻射遇到大氣中得質(zhì)點(diǎn),以此為中心向四面八方散開。只改變方向。類型分子散射粗粒散射散射質(zhì)點(diǎn):分子散射強(qiáng)度:與波長(zhǎng)得四次方成反比高層大氣,或天空晴朗藍(lán)天、多彩天空得原因天空多塵埃、云霧時(shí)散射質(zhì)點(diǎn):粒子散射強(qiáng)度:與波長(zhǎng)無關(guān)又稱雷萊散射反射作用云層反射平均達(dá)50～55％大氣中較大顆粒得埃塵散射作用指向天空得部分由直接輻射和散射輻射組成影響因素太陽(yáng)高度角大氣狀況:云量、塵埃大氣透明度等海拔高緯和低緯度地區(qū),冬天和夏天,平原和高原,晴天和陰天太陽(yáng)輻射得差異？2、4到達(dá)地面得太陽(yáng)輻射太陽(yáng)高度角與輻射強(qiáng)度太陽(yáng)高度角越大,輻射強(qiáng)度越強(qiáng)太陽(yáng)高度角與輻射強(qiáng)度高度越小,路徑越長(zhǎng),損失越少太陽(yáng)直接輻射光譜與高度角得關(guān)系光譜成分0、551020305090紫外線00、41、02、02、73、24、7可見光31、238、641、042、44、43、45、3紅外線68、861、058、056、54、52、50、0太陽(yáng)輻射與植物關(guān)系l、波長(zhǎng)大干1μm得輻射被植物吸收轉(zhuǎn)為熱能,不參與生化作用。2波長(zhǎng)為0、72-1μm伸長(zhǎng)起作用,其中0、7—0、8μm稱為遠(yuǎn)紅光,對(duì)光周期和種子形成有重要作用,并控制開花與果實(shí)顏色。3、波長(zhǎng)為0、61—0、72μm得輻射(紅、橙光)被葉綠素強(qiáng)烈吸收,光合作用最強(qiáng)4、波長(zhǎng)為0、51—0、61μm得輻射(綠光)

表現(xiàn)為低光合作用與弱成形作用。

5、波長(zhǎng)0、4—0、51μm得輻射(藍(lán)、紫光)被葉綠素強(qiáng)烈吸收,表現(xiàn)強(qiáng)得光合作用與成形作用

6、波長(zhǎng)0、315—0、4μm得輻射起成形作用,如使植物變矮、葉片變厚等。7、波長(zhǎng)0、28—0、315μm得輻射對(duì)大多數(shù)植物有害。8、波長(zhǎng)小于0、28μm得輻射能立即殺死植物。

3、地面和大氣輻射地面輻射大氣輻射大氣逆輻射地面有效輻射地面凈輻射大氣溫室效應(yīng)地面輻射1～30μm主要在10μm附近如地面溫度15℃時(shí):

E=εσT4=0、9×5、67×10-8×2884

=346、7(w/m2)

λmax=2897/T=2897/288=10(μm)一般,波長(zhǎng)＞4μm稱長(zhǎng)波輻射波長(zhǎng)＜4μm稱短波輻射

大氣輻射輻射主體:co2、水氣、云、塵埃等大氣逆輻射大氣輻射中向下得那一部分大氣天窗大氣在8～12μm吸收率很小就是地表失去能量得通道影響因素地面有效輻射就是地表實(shí)際失去得輻射能即地面輻射－大氣逆輻射地表溫度,越高,輻射力越強(qiáng)空氣溫度,越高,大氣逆輻射越強(qiáng)空氣濕度,越大,有效輻射越小天空云量,越多,有效輻射越小海拔高度,越高,有效輻射越大地面凈輻射RR＝(S＋D)×(1－a)-F0S:直接輻射D:散射輻射a:反射率F0:地面有效輻射到達(dá)地面得太陽(yáng)輻射地面得到得太陽(yáng)輻射又稱地面