AP輻射概念規(guī)律PPT教學(xué)課件

1、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程。 氣候問題輻射強(qiáng)迫。第1頁/共35頁5.1 輻射的基本知識輻射的基本知識5.1.1 電磁波譜5.1.2 描述輻射場的基本物理量第2頁/共35頁5.1 輻射的基本知識輻射的基本知識 自然界一切物體都時刻不停地以電磁波的形式向四周傳遞能量，同時也接收外界投射來的電磁波，這種能量傳遞的方式稱為輻射。 以這種方式傳遞的能量，稱為輻射能。 以橫波形式在空間傳播，速度即光速。第3頁/共35頁5.1.1 電磁波譜電磁波

2、譜c = speed of light in a vacuum = 3.0 x 108 m/sl = wavelength (m) v = frequency (1/s or s-1)例：波長10 m對應(yīng)的頻率和波數(shù)？第4頁/共35頁l = c, E = h v = h c / lE = Energy (joules, or j), h = Plancks constant = 6.63 x 10-34 j -s, v = frequency (1/s or s-1)c = speed of light in a vacuum (m / s), l = wavelength (m)Electr

3、omagnetic radiation is characterized by its frequency , wavelength l, wave number or photon energy第5頁/共35頁 不同波長的電磁波有不同的物理特性，因此可以用波長來區(qū)分輻射，并給以不同的名稱，稱之為電磁波譜。例如：紫外線：uv-A(0.315-0.4), uv-B(0.28-0.315), uv-C(0.150-0.28) unit: um紅外線：近紅外(0.7-2.5)，遠(yuǎn)紅外(2.5-1000)；微波：1mm到1m波段。Most significant spectral regions as

4、sociated with radiative energy transfer in atmosphere lie between ultraviolet light and microwaves.第6頁/共35頁預(yù)備知識通量的概念平方反比定律：表示輻射能通過空間傳播方式的原則,表示光的強(qiáng)度與到光源的距離的平方成反比。 5.1.2 描述輻射場的物理量描述輻射場的物理量第7頁/共35頁立體角概念：錐體所攔截的球面積與半徑r的平方之比，單位為球面度（sr: Steradians）。2rSolid angle units are steradians sr. For a sphere of surf

5、ace area 4r2, the solid angle subtended by the entire sphere is 4, by a hemisphere is 2, etc. 第8頁/共35頁立體角的計(jì)算立體角的計(jì)算第9頁/共35頁輻射場物理量包括： 輻射能； 輻射功率； 輻射強(qiáng)度； 輻射通量密度； 輻亮度，等。第10頁/共35頁 輻射能Q：焦耳、熱力學(xué)卡（1k=4.1840J）； 輻射功率（或Radiant Flux 輻射通量W）： 單位時間內(nèi)通過任意表面的輻射能量，單位J/s。dQdt 輻射強(qiáng)度I：點(diǎn)輻射源在某方向上單位立體角內(nèi)傳送的輻射通量。dId第11頁/共35頁 輻射通量

6、密度E (Radiant Flux Density) 單位時間通過單位面積的輻射功率，單位為W/m2。 設(shè)面元為dA，則E為： 當(dāng)表示面元接受的F時，又稱輻照度（Irradiance）；表示從物體 表面發(fā)射出的E，又稱輻出度、輻射度、輻射能力（Emittance）。ddQEdAdtdA第12頁/共35頁 輻亮度L (Radiance)：單位立體角、單位時間、單位面積所通過的輻射能量，單位為 Wm-2sr-1 .( , , , , )dEddQL x y ztddA ddA dtd 第13頁/共35頁 太陽直接輻射 L 的測量 全自動太陽分光光度計(jì) CE318（法國 CIMEL） Spectra

7、l channels: 340, 380, 440, 500, 675, 870, 936, 1020, 1640 nm (alternate channels and polarization exist on many instruments as well) Remarks: used to derive aerosol properties, and total column water vapor, as part of the AERONET global network (an inhouse modified version for cloud properties has b

8、een implemented in recent campaigns) 第14頁/共35頁大氣輻射場的基本特性大氣輻射場的基本特性 各向同性：輻亮度L與觀測方向(q ,)無關(guān)； 均勻輻射：L與觀測位置(x, y, z) 無關(guān)； 定常輻射：L與時間t無關(guān)。 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)中稱為平面平行大氣。 可把從各個方向射來的輻亮度在垂直方向的分量累加起來，其計(jì)算公式為cosELdll第15頁/共35頁 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，分別對從上半球和下半球入射輻射

9、的垂直分量進(jìn)行積分 則凈輻照度為*EEE2/20020/2cos sincos sinELd dELd d 第16頁/共35頁 點(diǎn)輻射源：點(diǎn)源的輻照度（或輻射通量密度）將隨r 2減小。 輻射源輻射源024Er 平行輻射：光源足夠遠(yuǎn)，輻射傳輸方向相互平行；在不考慮吸收散射等因素時，平行光的輻射通量密度應(yīng)當(dāng)是常數(shù)，如太陽輻射。 平行輻射所張的立體角為零，只需要知道平行輻射的方向和輻射通量密度即可。 例如，地面接收的太陽輻射通量密度 cosSS第17頁/共35頁 面輻射源：特點(diǎn)是它可以向2立體角中發(fā)射輻射能。對平面平行大氣，水平方向的輻射分量都是相同的，它們對局地能量平衡不起作用。因此只關(guān)心垂直方向

10、的輻射通量密度。222000coscossin5.1.9aELdLddL 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、陸地表面 因此，對于朗伯體輻出度 與輻亮度之間的關(guān)系為：(5.1.9 )FLb第18頁/共35頁5.2 輻射的物理規(guī)律輻射的物理規(guī)律5.2.1 吸收率、反射率和透射率5.2.2 平衡輻射的基本規(guī)律5.2.3 太陽輻射和地球輻射的區(qū)別第19頁/共35頁 Q0 = Qa + Qr + Qt 吸收率A = Qa / Q0 反射率R = Qr / Q0 透過率 = Qt / Q0 A + R + = 1 5.2.1 吸收率、反射率和透射率吸收率、反射率

11、和透射率對單色輻射，稱為單色吸收率、反射率和透射率，分別記為Al , Rl , l 。各種物體對不同波長的輻射具有不同的吸收率與放射率，構(gòu)成了該物體的吸收光譜或輻射光譜。 反照率：反射輻射通量與入射輻射通量之比。第20頁/共35頁 絕對黑體：所有波長吸收率均為1，A = 1。 單色黑體：某一波長吸收率為1，Al = 1 。 灰 體 ：吸收率不隨波長變化，但小于1。1859年，德國物理學(xué)家Kirchhoff輻射定律指出物體在已知溫度下，對輻射能之放射率或吸收率與物體表面之性質(zhì)有關(guān)。而黑色物質(zhì)對輻射能具有較大的吸收能力。如果一個物體在任何溫度下能吸收任何頻率的輻射能，那么這個物體便稱為黑體。事實(shí)上

12、，完全黑體并不存在，研究黑體輻射時，常以人工制成一完全黑體討論之。如圖所示，當(dāng)外界輻射能經(jīng)由小孔射于空腔時，此輻射能經(jīng)過多次反射后，幾乎無機(jī)會再由小孔出現(xiàn)，故可視為輻射能被空腔所完全吸收，而稱之以完全黑體。若加熱此物體至某一溫度，觀察由小孔輻射出之光譜其光譜與在同一溫度之黑體黑體所吸收輻射者，完全相同。第21頁/共35頁5.2.2 平衡輻射的基本規(guī)律 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程相當(dāng)緩慢，物體中內(nèi)能的分布來得及變化均勻，這時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

13、，仍可用一定的溫度來描述。 地球大氣中的輻射過程，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)律來解訣平流層以下的大氣輻射學(xué)的問題。第22頁/共35頁基爾霍夫定律基爾霍夫定律 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，二者比值只是波長和溫度的函數(shù)，與物體性質(zhì)無關(guān)。任何物體的輻出度和它的吸收率之比都等于同一溫度下黑體的輻出度FB。,TBTFFTAlll 若定義比輻射率 , T為物體的放射能力F , T和黑體的輻射能力FB (l , T )之比，則基爾霍夫定律可以寫成 意義：將物體的吸收能力和放射能力聯(lián)系起來；將各種物質(zhì)的吸收、放射

14、能力與黑體的吸收放射能力聯(lián)系起來。,TTAll第23頁/共35頁 Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887)德國物理學(xué)家1859: Kirchhoffs Law光譜學(xué)、電學(xué)發(fā)現(xiàn)了銫和銣第24頁/共35頁對于絕對黑體物質(zhì)，單色輻射通量密度與發(fā)射物質(zhì)的溫度和輻射波長或頻率的關(guān)系：物理意義：黑體輻射與物質(zhì)組成無關(guān)黑體輻射強(qiáng)度隨溫度增高而增大（Stefan-Boltzmann定律）最大強(qiáng)度的波長隨溫度增高而減小（Wien位移定律）22/111552( , )(1)(1)chCTkTBCc hFTeelllll普朗克定律第25頁/共35頁2/1151(,)(,)(1)BCTB

15、TFTCellll普朗克函數(shù)(黑體分光輻亮度)第26頁/共35頁 Max Planck (1858-1947)德國物理學(xué)家1901: Plancks Law1918: Nobel PrizeQuantum theory 第27頁/共35頁斯蒂芬波爾茲曼定律斯蒂芬波爾茲曼定律 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量物體溫度的基礎(chǔ)。 將太陽視作絕對黑體而計(jì)算出的溫度稱為太陽的有效溫度，約為5777K，與太陽表面的實(shí)際溫度略有差異。如果不是絕對黑體，計(jì)算出的溫度就會偏低。4TFBT第28頁/共

16、35頁 Joseph Stefan (1835-1893)奧地利物理學(xué)家、詩人1884: Stefan-Boltzmann law熱學(xué)、電磁學(xué)1904: Nobel Prize Ludwig Boltzmann (1844-1906)奧地利物理學(xué)家1884: Stefan-Boltzmann law理論推導(dǎo)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)第29頁/共35頁維恩位移定律維恩位移定律 黑體輻射最大單色通量密度與它的溫度成反比。 例如對6000 K黑體，l max = 0.42 m（藍(lán)色光） 由輻射最強(qiáng)的波長也可以確定絕對黑體的溫度，光譜方法測定物體溫度的基礎(chǔ)。 由維恩位移定律求出的溫度稱為色溫。 max2897.8()TmKl第30頁/共35頁P(yáng)lanck functionWiens LawStefan-Boltzman lawBLACKBODY RADIATIONT = temperature (K)s = Stefan Boltzman constant第31頁/共35頁 太陽輻射的能量集中在0.1m至4.0m之間 地球大氣輻射的能量主要集中在4m至120m之間 太陽輻射為短波輻射，稱地球輻射為長波輻射。 短波輻射和長波輻射以4m分界。 5.2.3 太陽輻射和地球輻射太陽輻射和