熱輻射的一般知識(shí)

關(guān)于熱輻射的一般知識(shí)熱輻射的一般知識(shí)輻射的概念輻射的波粒二象性輻射能量的基本量度單位物體對(duì)輻射的吸收、反射和透射輻射的基本定律

以電磁波或粒子的形式放射或輸送能量叫輻射。該能量本身輻射能。任何溫度在絕對(duì)零度以上的物體，都具有輻射的本領(lǐng)。

輻射具有波粒二象性（光學(xué)中，光合作用的能量轉(zhuǎn)化）。波動(dòng)性：V=λfV：光速，λ：波長(zhǎng)，f：頻率。粒子性：EL=hV/λEL表示光量子的能量，普朗克常數(shù)h=6.6×10-34J·S。將不同輻射波的波長(zhǎng)從小到依次排列成一個(gè)譜，叫電磁波譜(表1-1)。第2頁,共43頁，2024年2月25日，星期天物體對(duì)輻射的吸收、反射和透射1.吸收率（）、反射率（r）、透射率（d）

投射到物體上的輻射，一般只有一部分被該物體吸收，其余則被該物體反射和透射第3頁,共43頁，2024年2月25日，星期天

吸收率（）：物體對(duì)輻射的吸收的能力稱為吸收率。

反射率（r）：物體對(duì)輻射的反射的能力稱為反射率。

透射率（d）：物體對(duì)輻射的透射的能力稱為透射率。設(shè)投射到物體上的總輻射能量為Qo；被吸收、反射、透射的量分別為Q

、Qr、Qd。根據(jù)能量守恒原理，則：

Q

+Qr+Qd=Qo

將上式兩端除以Q。，則得：第4頁,共43頁，2024年2月25日，星期天

式中左邊第一項(xiàng)為吸收率；第二項(xiàng)，稱為反射率(物體反射的輻射與投射于其上的總輻射之比)；第三項(xiàng)，稱為透射率(透過物體的輻射與投射于其上的總輻射之比).

即

+r+d＝1

絕對(duì)黑體、灰體

絕對(duì)黑體：在任何條件下，對(duì)于各種不同波長(zhǎng)的輻射的吸收率等于1的物體。灰體：如果某一物體吸收率小于1，但吸收率不隨波長(zhǎng)而變的物體。第5頁,共43頁，2024年2月25日，星期天

在一定溫度下，任何物體對(duì)于某一波長(zhǎng)的放射能力與物體對(duì)該波長(zhǎng)的吸收率的比值，只是溫度和波長(zhǎng)的函數(shù)(與物體的其他性質(zhì)無關(guān))，即：e

λ,T

/a

λ,T=Eλ,T

其中eλ,T表示物體對(duì)該波長(zhǎng)的放射能力；

aλ,T表示物體對(duì)該波長(zhǎng)的吸收率；Eλ,T只是溫度和波長(zhǎng)的函數(shù)。輻射的基本定律基爾荷夫斯蒂芬－波爾茲曼維恩位移黑體的總放射能力與它本身的絕對(duì)溫度的四次方成正比。

ET=σT4

σ為斯蒂芬－波爾茲曼常數(shù)σ=5.67×10-8W·m-2·

K-4

絕對(duì)黑體的放射能力最大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)與其本身的絕對(duì)溫度成反比，即：

λ

m＝C/TC=2897×103nm·K

第6頁,共43頁，2024年2月25日，星期天輻射通量和輻射通量密度輻射能量的基本量度單位

光通量和光通量密度第7頁,共43頁，2024年2月25日，星期天輻射通量和輻射通量密度

1、輻射通量(Φ)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過任一表面的輻射能，單位為瓦(W)或焦耳／秒（J/S）?？杀硎緸椋?/p>

2、輻射通量密度(F)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過單位面積的輻射能。其單位為瓦／米2(W／m2)；可表示為：F=

入射輻射通量密度（輻照度）：指投射來的輻射。

放射輻射通量密度：指自物體表面向外放射的輻射。它表征著物體放射能力的強(qiáng)弱，故稱為輻射能力或放射能力(E)Φ=第8頁,共43頁，2024年2月25日，星期天輻射強(qiáng)度

指單位時(shí)間內(nèi)與輻射能流方向相垂直的單位面積上得到的輻射能，即與入射光垂直的面上的輻照度。單位為瓦／米2(W／m2)?？杀硎緸椋篒=第9頁,共43頁，2024年2月25日，星期天

1.光通量（ΦL

）：?jiǎn)挝粫r(shí)間通過任一表面上的光能。單位為流明(Lm)?？杀硎緸椋篸tdELΦL=

2.光照強(qiáng)度(A)：入射到單位面積上的光通量，單位為勒克斯(Lm／m2)?？杀硎緸椋篸sFA=d

勒克斯：它是以1國(guó)際燭光的點(diǎn)光源為中心，以一米為半徑的球面上所得到的照度。即平方米流明1勒克斯=1第10頁,共43頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)太陽輻射太陽輻射強(qiáng)度和太陽常數(shù)太陽高度角和晝長(zhǎng)大氣對(duì)太陽輻射的減弱到達(dá)地面的太陽輻射強(qiáng)度第11頁,共43頁，2024年2月25日，星期天太陽輻射強(qiáng)度和太陽常數(shù)

太陽輻射強(qiáng)度單位時(shí)間內(nèi)投身到單位面積上的太陽輻射能量（S，W/m2）。太陽常數(shù)當(dāng)日地處于平均距離時(shí)，在地球大氣上界，垂直于太陽輻射方向，單位面積上的太陽輻射能量，稱為太陽常數(shù)(1382W/m2)。

第12頁,共43頁，2024年2月25日，星期天太陽高度角和晝長(zhǎng)太陽高度角

太陽光線與水平面之間的夾角，稱為太陽高度角(h,0o-90o,如圖)。

sinh=sinΦsinδ+cosΦcosδcosωΦ：地理緯度δ：赤緯ω：時(shí)角，正午ω=0，上午ω<0，下午ω>0正午太陽高度角∵

ω

＝0∴sinh=sinΦsinδ+cosΦcosδ

于是有：h＝90o－|Φ－δ|第13頁,共43頁，2024年2月25日，星期天赤道60oN30oN地心北極15o15o15oP2P1第14頁,共43頁，2024年2月25日，星期天第15頁,共43頁，2024年2月25日，星期天

舉例：

已知雅安的緯度為北緯30o，試計(jì)算出雅安春分、秋分、夏至和冬至這四個(gè)特定日子正午時(shí)的太陽高度角。

解：已知Φ=30o，正午ω=0o

，代入公式得（1）春分、秋分時(shí)

δ=0oh=90o-（30o-0o）=60o（2）夏至

δ=23o27ˊh=90o-（30o-23.5o）=83.5o（3）冬至

δ=-23o27ˊh=90o-（30o+23.5o）=36.5o

第16頁,共43頁，2024年2月25日，星期天

晝長(zhǎng)晝夜、四季的形成與晝長(zhǎng)的變化規(guī)律可照時(shí)數(shù)、實(shí)照時(shí)數(shù)和日照百分率可照時(shí)數(shù)：當(dāng)天空無云時(shí)或無其它障礙物遮蔽時(shí)，太陽光可以照射地面的時(shí)間，稱為可照時(shí)數(shù)。即日出到日落的時(shí)間（晝長(zhǎng)）。實(shí)照時(shí)數(shù)：太陽實(shí)際照射地面的時(shí)間，稱為實(shí)際日照時(shí)數(shù)或簡(jiǎn)稱實(shí)照時(shí)數(shù)。第17頁,共43頁，2024年2月25日，星期天光照時(shí)間：有光的時(shí)間，稱為光照時(shí)間。即：光照時(shí)間=可照時(shí)數(shù)+曙暮光時(shí)間曙暮光：日出以前和日落以后天空出現(xiàn)的光稱為曙暮光。

日照百分率：一日（月）的實(shí)際日照時(shí)數(shù)除以同一日（月）的可照時(shí)數(shù)，稱為日照百分率。即：日照百分率=同一日(月)的可照時(shí)數(shù)

一日(月)的實(shí)照時(shí)數(shù)

×100%第18頁,共43頁，2024年2月25日，星期天

可照時(shí)數(shù)的計(jì)算：h=0(日出與日沒)，時(shí)角記為ω0，則有

cosω0=-tgΦtgδ

上式中負(fù)根(-ω0)相當(dāng)于日出的時(shí)角，正根相當(dāng)于日沒的時(shí)角。-ω0<ω<ω0

可照時(shí)數(shù)=當(dāng)Φ=0時(shí)；當(dāng)δ=0時(shí)；當(dāng)Φ>0，δ>0時(shí)；(>12h)當(dāng)Φ>0，δ<0時(shí)；(<12h)第19頁,共43頁，2024年2月25日，星期天大氣對(duì)太陽輻射的減弱

太陽輻射在大氣中的散射大氣對(duì)太陽輻射的吸收大氣對(duì)太陽輻射的反射第20頁,共43頁，2024年2月25日，星期天一、吸收作用太陽輻射被大氣中的O2、O3、CO2、H2O(水汽)、云滴、雨滴及塵埃等吸收，轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿倪^程，稱為吸收。大氣中的吸收物質(zhì)對(duì)太陽輻射具有選擇性吸收的特性。

1、O2：強(qiáng)烈吸收波長(zhǎng)位于0.15-0.2

m遠(yuǎn)紫外區(qū)，這個(gè)吸收帶較寬且吸收能力很強(qiáng)。此外，在可見光譜區(qū)還有兩個(gè)弱的吸收帶。

第21頁,共43頁，2024年2月25日，星期天2、O3：主要吸收0.2-0.32

m紫外線，這是一個(gè)最強(qiáng)的吸收帶，使太陽輻射光在波長(zhǎng)小于0.29

m的紫外線不能到達(dá)地面

3、CO2：主要吸收1.46—2.78

m的紅外線區(qū)。

4、水汽：對(duì)太陽輻射吸收范圍很廣，主要吸收波長(zhǎng)在0.7—3

m的紅外線。

5、水滴和塵埃：水滴和塵埃能吸收0.59

m及3

m附近的太陽輻射。

如圖所示第22頁,共43頁，2024年2月25日，星期天二、散射作用太陽輻射通過大氣時(shí)，空氣分子和其它微粒內(nèi)電子在電磁波的作用下發(fā)生振動(dòng)，因而也向四面八方發(fā)射電磁波，這種作用稱為散射。大氣對(duì)于太陽輻射的削弱作用主要是散射。第23頁,共43頁，2024年2月25日，星期天

散射系數(shù)

如果投射來的光強(qiáng)度為S,以D表示被單位體積空氣質(zhì)點(diǎn)向各個(gè)方向散射的輻射量，則比值D/S

，稱為散射系數(shù)。1.蕾萊分子散射定律

當(dāng)散射質(zhì)點(diǎn)的半徑比入射光波長(zhǎng)還小時(shí)，散射強(qiáng)度與入射輻射波長(zhǎng)的四次方成反比。l4bll=SD

是與大氣中懸浮質(zhì)點(diǎn)數(shù)量成比例的常數(shù)b第24頁,共43頁，2024年2月25日，星期天雨后天晴天空為何呈藍(lán)色旭日和夕陽太陽為何呈紅色?中午為何太陽呈白色?第25頁,共43頁，2024年2月25日，星期天

粗粒散射(漫射)

當(dāng)散射質(zhì)點(diǎn)增大(如云滴、霧滴、塵埃等)，半徑大于10

m時(shí)，此時(shí)散射量不再隨波長(zhǎng)而改變，即散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)無關(guān)，稱粗粒散射(或漫射)。

空氣比較混濁或陰天時(shí)的天空呈乳白色，就是因大氣中的塵埃等粗粒較多，大氣散射以漫射為主，散射光譜與輻射光譜相同的緣故。第26頁,共43頁，2024年2月25日，星期天

三、反射作用大氣中的云和塵埃等對(duì)太陽輻射反射，其中云的反射極為重要，云的平均反射率為50-55％，如濃密的低云，反射率可達(dá)到78％。

＊如果把射入到大氣中的太陽輻射作為100％：

被大氣吸收的約占14％；被散射和反射回到宇宙空間去的約占43％；

到達(dá)地面的約占43%。如圖所示

第27頁,共43頁，2024年2月25日，星期天

四、減弱因素減弱的程度主要決定于太陽光線穿過大氣的射程，以及大氣中所含吸收、散射，反射質(zhì)點(diǎn)的多少。前者用大氣質(zhì)量(m)討論，后者則用大氣透明系數(shù)(P)說明。

(一)大氣質(zhì)量(m)

常用太陽光通過大氣路徑的長(zhǎng)度與大氣鉛直厚度之比表示（如圖）。m=csch=第28頁,共43頁，2024年2月25日，星期天太陽高度角不同時(shí)的大氣質(zhì)量數(shù)h(度)906030105310m1．001．152．05．610．415．427.035．4不同海拔高度的大氣量數(shù)高度(千米)01．53．05．57．O9．0m1．0O.850．70．50．4O．3大氣量主要決定于太陽高度角和海拔高度。第29頁,共43頁，2024年2月25日，星期天(二)大氣透明系數(shù)

大氣透明系數(shù)(P)是指透過一個(gè)大氣質(zhì)量以后的太陽輻射強(qiáng)度(S1)與透過前的輻射強(qiáng)度(S0)之比。即：P=S1/S0

因?yàn)榭諝夥肿訉?duì)蘭紫光散射作用強(qiáng)，對(duì)紅橙光散射作用弱、所以紅橙光的透明系數(shù)較大，故通過若干個(gè)大氣質(zhì)量后，光譜中的紅橙光所占比例大些。

影響大氣透明系數(shù)的因素有：海拔、水汽、塵埃、云霧等。第30頁,共43頁，2024年2月25日，星期天(三)布格爾－蘭勃特定律當(dāng)太陽輻射透過一個(gè)大氣量(m=1)時(shí)：S1＝S0.P當(dāng)太陽輻射透過二個(gè)大氣量(m=2)時(shí)：

S2=S1.P=S0

.P2當(dāng)太陽輻射透過三個(gè)大氣量(m=3)時(shí)：

S3=S2.P=S0.P3

當(dāng)m=m時(shí)：Sm=Sm-1.P=S0.Pm

第31頁,共43頁，2024年2月25日，星期天四、到達(dá)地面的太陽輻射(一)太陽直接輻射強(qiáng)度(S′):

以平行光線的形式通過大氣直接到達(dá)地面的輻射，稱為太陽直接輻射.單位時(shí)間單位水平面積上的太陽直接輻射能稱為太陽直接輻射強(qiáng)度。

S′=S′m=Smsinh=S0Pmsinh(3-19)

由上式知，S′決定于太陽高度角、大氣透明系數(shù)和大氣量。此外，它還受云量、海拔、緯度及坡向坡度等因素的影響。S′=S′m=Smsinh=S0Pmsinh第32頁,共43頁，2024年2月25日，星期天(二)天空散射輻射強(qiáng)度(D)

散射輻射的強(qiáng)弱，通常以到達(dá)水平面上的散射輻照度D來表示。

太陽輻射在通過大氣層時(shí)，其中有一部分被空氣近質(zhì)點(diǎn)向四面八方彌散，它們有一部分向宇宙空間散失了，有一部分就散射在地面，這一部分就稱為散射輻射。

假設(shè)散射輻射的一半返回宇宙空間，另一半在不考慮大氣吸收作用下到達(dá)地面，則D可表示為：D=(S0-S0Pm)sinh=(1-Pm)sinh第33頁,共43頁，2024年2月25日，星期天

(三)太陽總輻射強(qiáng)度及其影響因素到達(dá)地平面上的太陽直接輻射強(qiáng)度與散射輻射強(qiáng)度之和，稱為太陽總輻射強(qiáng)度。

Q=S′+D

影響總輻射的因素：

1、太陽高度角2、大氣透明度

3、云當(dāng)天空有云，但云量少而且比較薄，太陽未被云所遮蔽時(shí)，總輻射強(qiáng)度比碧空時(shí)(太陽高度角相同)大。4、海拔高度海拔愈高，大氣柱愈短，則大氣中水汽、微塵、雜質(zhì)等的含量少，太陽直接輻射強(qiáng)，散射輻射弱，總輻射強(qiáng)。

5、緯度；6、大氣量；7、坡度坡向

第34頁,共43頁，2024年2月25日，星期天（四）太陽輻射總量1、太陽輻射的日總量：一日中，到達(dá)地面單位面積上的太陽輻射的累積值，稱為太陽輻射的日總量。

2、太陽輻射年總量：一年中，到達(dá)地面單位面積上的太陽輻射累積值，稱為太陽輻射年總量。第35頁,共43頁，2024年2月25日，星期天因赤道附近云雨多，太陽輻射年總量高值區(qū)不是出現(xiàn)在赤道，而出現(xiàn)在緯度20o附近。全球最大值出現(xiàn)在埃及南部，約9200MJ/(m2.a)。中國(guó)為3768--8374MJ/(m2.a)，最高中心在雅魯藏布江上中游，超過8000MJ/(m2.a)

。川黔地區(qū)不足3349MJ/(m2.a)，為全國(guó)最低區(qū)。第36頁,共43頁，2024年2月25日，星期天

第三節(jié)地面輻射差額

一、地面輻射地面直接放射的長(zhǎng)波輻射，稱為地面輻射(Ee)。地面的平均溫度約為300K，地面輻射波長(zhǎng)在3～80μm之間，最大放射能力的波長(zhǎng)約為10μm。

地面輻射通過大氣時(shí)，絕大部分能量被大氣中的水汽、二氧化碳、水滴及塵埃等吸收，而其中以水汽吸收的量為最大。因水汽主要集中在大氣的低層，且由下向上逐漸減少，故地面長(zhǎng)波輻射能量絕大部分為低層大氣所吸收。這說明，地面輻射是低層大氣能量的主要來源。第37頁,共43頁，2024年2月25日，星期天二、大氣輻射

大氣向外的輻射稱為大氣輻射。

大氣的平均溫度約為250K，其輻射的波長(zhǎng)介于7-120μm之間，最大放射能量的波長(zhǎng)為15μm，也屬于紅外長(zhǎng)波輻射。大氣輻射中，投向地面的那一部分大氣輻射，叫做大氣逆輻射(Eа)

。

第38頁,共43頁，2024年2月25日，星期天三、地面有效輻射(凈紅外輻射）

地面有效輻射是地面放射的輻射與地面吸收的大氣逆輻射之差，其表達(dá)式為：e

E=E0

E—δа一般情況下,地面溫度高于大氣溫度，即E0>0

其中，E0為地面有效輻射；Ee為地面輻射；δ為地面對(duì)大氣逆輻射的吸收系數(shù),Ea為大氣逆輻射。第39頁,共43頁，2024年2月25日，星期天影響地面有效輻射的因素:

1、地面溫度地面溫度高時(shí)，Ee增強(qiáng)，E0增大

2、大氣溫度大氣溫度升高，Ea增強(qiáng)，E0減小。