大氣科學(xué)概論課件第十：輻射2VIP

1、6.3太陽(yáng)輻射和大氣中的衰減，6.3.1太陽(yáng)和太陽(yáng)輻射，1，太陽(yáng)剖面太陽(yáng)是一個(gè)巨大的等離子體球。等離子體整體上表示中性，因?yàn)槠湔?fù)兩個(gè)離子擁有的電荷總量相同。這種溫度很高，電離度很高的物質(zhì)聚合狀態(tài)被稱為物質(zhì)的第四狀態(tài)。包括太陽(yáng)、星星和星際氣體在內(nèi)，近99%的宇宙空間等離子體。太陽(yáng)是太陽(yáng)系的中心天體，是太陽(yáng)系中唯一的恒星，也是離地球最近的恒星。1.太陽(yáng)大小太陽(yáng)的直徑是139萬(wàn)2000千米，地球的109倍。太陽(yáng)體積為141億立方千米，地球?yàn)?30萬(wàn)倍。太陽(yáng)的質(zhì)量是近2000億億噸地球的33萬(wàn)倍。太陽(yáng)表面溫度約為5800K，中心溫度約為1.7107K。它集中了太陽(yáng)系99.865%的質(zhì)量，絕對(duì)是最高的

2、“王”。2，太陽(yáng)大氣的主要成分太陽(yáng)是熱氣體行星，沒(méi)有固體的恒星或內(nèi)核。太陽(yáng)大氣的主要成分是氫(質(zhì)量約為71%)和氦(質(zhì)量約為27%)。3、太陽(yáng)結(jié)構(gòu)太陽(yáng)中心到邊緣可以分為太陽(yáng)內(nèi)部和大氣層。太陽(yáng)內(nèi)部：?jiǎn)魏藚^(qū)域、中間層、對(duì)流層；大氣層：光球、彩球、日冕。99%的太陽(yáng)能源是由中心的核反應(yīng)區(qū)的熱核反應(yīng)引起的。太陽(yáng)中心的密度和溫度很高，產(chǎn)生從氫融合到氦的熱核反應(yīng)，牙齒反應(yīng)足以維持100億年，因此處于太陽(yáng)中期。進(jìn)入地球大氣之前，太陽(yáng)光譜怎么樣？輻射通量密度是多少？這不是研究大氣輻射問(wèn)題時(shí)首先要知道的，對(duì)研究太陽(yáng)物理、環(huán)境科學(xué)、航天、太陽(yáng)能利用等諸多領(lǐng)域具有重要意義。2，大氣上限的太陽(yáng)頻譜和太陽(yáng)常數(shù)1，大氣上

3、限的太陽(yáng)頻譜太陽(yáng)輻射通量密度或輻射率的波長(zhǎng)分布稱為太陽(yáng)發(fā)射光譜。P36，2，太陽(yáng)常數(shù)太陽(yáng)常數(shù)：當(dāng)日地面之間平均距離時(shí)，大氣上限垂直于太陽(yáng)射線平面，是單位時(shí)間單位面積內(nèi)允許的太陽(yáng)輻射能量。1981年世界氣象組織建議的太陽(yáng)常數(shù)最新值S0=13677W/m2。(1372)，大氣中有各種氣體成分和水滴、灰塵等氣溶膠粒子，太陽(yáng)輻射在大氣中傳輸時(shí)受到大氣的影響，強(qiáng)度、傳輸方向、偏振狀態(tài)都發(fā)生變化。牙齒效果主要是吸收、散射和折射。折射作用一般與能量裴秀智問(wèn)題關(guān)系較小，因此牙齒部分主要討論大氣的吸收和散射對(duì)太陽(yáng)輻射的衰減。6.3.2太陽(yáng)輻射在大氣中衰減，6.3.2.1大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收是指投射在介質(zhì)上的部分

4、輻射能轉(zhuǎn)換為物質(zhì)本身的內(nèi)部能量或其他形式的能量。除了選擇性吸收外，大氣分子還通過(guò)光化學(xué)反應(yīng)和光兩種茄子方法呼叫，將投射到大氣中的部分輻射能轉(zhuǎn)換為大氣本身的內(nèi)部能量或其他形式的能量，從而提高溫度。1，大氣吸收光譜整體層和各主要吸收氣體的吸收光譜，大氣吸收具有明顯的選擇性。父曲線：大氣上限的發(fā)射頻譜。下方曲線：海平面的輻射頻譜?？梢?jiàn)大氣各成分吸收和散射的光譜很不規(guī)則。下一組，a，黑體輻射；b、整個(gè)樓層的大氣吸收光譜；c、11公里以上的大氣吸收光譜；d，其他氣體的吸收光譜表明，吸收太陽(yáng)短波輻射的主要?dú)怏w為H2O，第二O2，O3，最小CO2。吸收長(zhǎng)波輻射的主要?dú)怏w是H2O、CO2、O3。P37在8-1

5、2m波段的大氣吸收較弱，稱為大氣透明窗口。大氣透明窗口對(duì)地面氣體系統(tǒng)的輻射平衡有著非常重要的意義。由于表面溫度約為300K，因此與牙齒溫度相對(duì)應(yīng)的黑體輻射能量主要集中在10米范圍內(nèi)，大氣幾乎不被牙齒波長(zhǎng)范圍的輻射吸收，因此地面發(fā)射的長(zhǎng)波輻射通過(guò)牙齒窗口發(fā)送到宇宙空間。根據(jù)上述大氣中的各種物質(zhì)，輻射的吸收可以概括為：輻射的吸收是可選的！氣體成分的吸收帶和吸收強(qiáng)度不同，因此通過(guò)大氣的太陽(yáng)輻射，大氣對(duì)太陽(yáng)光譜變化很不規(guī)則。大氣主要吸收物質(zhì)的吸收帶位于太陽(yáng)頻譜能量較小的兩端。大氣中主要吸收物質(zhì)(臭氧和水蒸氣)對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收臺(tái)均位于太陽(yáng)輻射光譜兩端能量較少的紅外線和紫外線區(qū)域，二流層以上主要是臭氧對(duì)紫

6、外線的吸收，平流層至地面主要是水汽和二氧化碳對(duì)紅外輻射的吸收。整個(gè)層大氣吸收減弱了約20%的入射太陽(yáng)輻射能量。吸收對(duì)太陽(yáng)輻射的減弱作用不大。也就是說(shuō)大氣直接吸收太陽(yáng)輻射并不多。特別是對(duì)流層大氣，太陽(yáng)輻射不是直接的熱源。地面輻射和其他能量是對(duì)流層大氣的直接熱源。6.3.2.2大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的散射電磁輻射大氣中的氣體分子和懸浮灰塵、云滴、雨滴、冰粒、雪花等粒子發(fā)生散射現(xiàn)象，導(dǎo)致部分入射波能量改變方向，向四面八方傾斜，原始方向的輻射能減弱。散射不是像吸收一樣把輻射能變成大氣中的四分之一，而是改變輻射的方向，使一些太陽(yáng)輻射不接觸地面。但同時(shí)照亮了整個(gè)天空。如果沒(méi)有大氣的散射，不管太陽(yáng)牙齒怎么閃閃發(fā)光，

7、地球觀測(cè)者都能看到閃閃發(fā)光的太陽(yáng)光，天空一片漆黑。電磁波譜上分布的每個(gè)波長(zhǎng)都會(huì)發(fā)生。但是散射的強(qiáng)弱和空間分布與散射粒子大小、入射波長(zhǎng)有關(guān)。接收尺寸參數(shù)=2r/，R是散射粒子半徑，入射輻射的波長(zhǎng)。下圖說(shuō)明了隨R變化的關(guān)系：一，1，(即R)，瑞利散射空氣分子對(duì)太陽(yáng)輻射的散射也稱為瑞利散射，分子散射。(可見(jiàn)光波長(zhǎng)約為0.5米，空氣分子的大小約為10-4米，即R)大氣減弱輻射散射的強(qiáng)弱取決于氣溶膠散射粒子數(shù)密度和每個(gè)散射粒子散射截面。瑞利散射體積散射減少系數(shù)C為羅西米德數(shù)，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下C=1.0563*10-30m3，ksc為m 1單位。瑞利散射縮減系數(shù)與波長(zhǎng)的4階正方形成反比。牙齒散射選擇性：波長(zhǎng)越短，散射就越大！例如，藍(lán)色張藝興470米，紅色=700米，藍(lán)色光的散射比紅色光強(qiáng)9倍。藍(lán)光的散射比紅光強(qiáng)9倍。在高空中，分子偏好紫光，在高空中散射，然后散光散射，所以晴朗的天空是藍(lán)色。日出和日落的時(shí)候，因?yàn)樘?yáng)光經(jīng)歷的路很遠(yuǎn)，紫色和藍(lán)光被砍掉，到達(dá)地平線，留下黃色橙色的紅光，如果有云的話，反射照亮，形成絢麗的早晚霞。(威廉莎士比亞，哈姆雷特，太陽(yáng)名言) (威廉莎士比亞，溫斯頓，太陽(yáng))，2，0.150也就是(R)，米散射塵埃的粒子大小0.1-10米，云滴一般也是幾米，因此相對(duì)的可見(jiàn)光(大各種輻射具有幾乎相同強(qiáng)度的散射，散射光的各種波長(zhǎng)比例也與入射輻射一致。3，50，即(r)，幾