第 2 章 辐射收支与热量平衡

1. 第2章 辐射收支与热量平衡 2.1 辐射的基础知识 2.2 太阳辐射 2.3 地面和大气的辐射 2.4 地面及地气系统的辐射差额 2.5 地面热量平衡及地气系统的热量收支 2.6 地面温度和气温的变化

2. 2.1辐射的基本知识 2.1.1 辐射与辐射能 • 辐射 物体以电磁波或粒子流形式向周围传递或交换能量的方式。 • 辐射能 物体以辐射的方式传递交换的能量 • 基本特性 波粒二象性（同时具备波的特质及粒子的特质）

3. 辐射的波长

4. 太阳辐射 1、太阳辐射是一种电磁 波 2、太阳辐射由A紫外线、 B可见光、 C红外线三部 分组成。 3、太阳辐射的能量主要 集中在可见光部分 B C 4、太阳辐射是一种短波 辐射 A

5. 名称 色彩名称 波长范围 波长范围 紫 紫外线 0.40～0.43微米 100埃～0.4微米 可见光 蓝 0.43～0.47微米 0.4微米～0.76微米 红 外 线 青 近红外 0.47～0.50微米 0.76微米～3.0微米 绿 中红外 0.50～0.56微米 3.0微米～6.0微米 黄 远红外 0.56～0.59微米 6.0微米～15微米 橙 超远红外 0.59～0.62微米 15微米～1000微米 微 波 红 毫米波 0.62～0.76微米 1～10毫米 厘米波 1～10厘米 分米波 10厘米～1米 不同电磁波的具体波长范围 波长和对应的颜色

6. 辐射能的度量和单位 辐射通量、辐射通量密度 辐射通量及单位： 定义：单位时间通过任意面积上的辐射能量。 单位：J·s-1或W 太阳的辐射通量约为3.90×1026 W

7. dF dF ds ds 辐射通量密度（F）及单位 定义：单位面积上的辐射通量。 单位： W/m2 F=辐射通量/太阳表面积 太阳的辐射通量密度约为6.34×107 W/m2 太阳半径 7×108 辐射通量密度又被称为辐射强度、辐射能力

8. 2.1.2 辐射的基本定律 黑体概念 黑体：是指能吸收投入到其面 上的所有热辐射能的物体，是 一种科学假想的物体，现实生 活中是不存在的。但却可以人 工制造出近似的人工黑体。 黑体模型

9. 入射 反射 吸收 透射 • 物体对辐射的吸收、反射和透射 概念 吸收率(a)： a=Qa/Q 反射率(r)： r=Qr/Q 透射率(d)： d=Qd/Q

10. a、r、d的变化 黑体：对于投射到该物体上所有波长的辐射都能全部吸 收的物体称为绝对黑体。故有： a＝１，r＝d＝０。 灰体：透射率d＝０，吸收率a＝（１－r），且a不随波 长而变化的物体。

11. 2.1.2 辐射的基本定律 • 普朗克(Planck)定律(黑体辐射的能量分布公式) 定律 在温度T一定时，黑体辐射能量与其波长（频率）、温度的关系 ——辐射强度； h ——普朗克常数，6.626×10-34 J/s； k ——波尔兹曼常数，1.38×10-23 J/k； c ——真空中的光速，3×108 m/s； ——辐射波长，m。

12. Planck 普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck, 1858―1947) 德国物理学家，量子物理学的开创者和奠基人。 普朗克的伟大成就，就是创立了量子理论，1900年12月14日他在德国物理学会上，宣读了以《关于正常光谱中能量分布定律的理论》为题的论文，提出了能量的量子化假设，并导出了黑体辐射的能量分布公式。这是物理学史上的一次巨大变革。从此结束了经典物理学一统天下的局面。劳厄称这一天为“量子论的诞生日”。 1918年普朗克由于创立了量子理论而获得了诺贝尔奖金。

13. 中国科学院学部委员（常务）（1955） 清华大学首任物理系主任（1926）、首任理学院院长（1929） 用X 射线方法测定普朗克常量，在国际上沿用了16年 叶企孙 （1898 — 1977）

14. 右图给出了按普朗克定律描绘出的不同温度下黑体的单色辐射力随波长的变化情况。右图给出了按普朗克定律描绘出的不同温度下黑体的单色辐射力随波长的变化情况。 由图可知，单色辐射力随着波长的增加，先是增大，然后又减小。 Planck 定律的图示

15. 意义 • 物体的温度愈高，放射能量最大值的波长愈短，随着物体温度不断增高，最大辐射波长由长向短位移。 • 太阳辐射是短波辐射（0.17~4μm），地面和大气辐射是长波辐射（3~120μm）。 不同温度下黑体辐射强度与温度的关系

16. 维恩(Wien)位移定律 定律 绝对黑体的放射能力最强的波的波长(λm)与其本身的绝对温度(T)成反比。即： λm＝C/T 或 λm T=C 如果波长以μm为单位，则常数C＝2.897×103μm · K，于是上式为： λmT＝2897×103μm·K 根据λm算出的温度为色温度，故太阳色温度为6100K

17. 维恩-德国物理学家 （1864-1928） 短波吻合好,长波段差 • 维恩(Wien)位移定律 结论:在短波（高频）部分与实验符合得很好，但长波（低频）部分与实验不符。 维恩获得1911年诺贝尔物理学奖

18. 斯蒂芬—波尔兹曼（1844-1906,奥地利） • 斯蒂芬—波尔兹曼(Stefan-Boltzmann)定律 定律 黑体的总放射能力（ET）与它本身绝对 温度（T）的四次方成正比。即： ET ＝σT 4 式中σ＝5.67×10-8W.m-2.K-4，为斯蒂芬—波尔兹曼常数。 意义 物体温度愈高，其放射能力愈强。 根据E*算出的温度为等效黑体温度，故太阳等效黑体温度为5780K

19. 基尔荷夫(kirchoff)定律(选择吸收定律) 定律 在一定温度下，任何物体对于某一波长的放射能力(eλ,T) 与物体对该波长的吸收率(aλ,T)的比值，只是温度和波长的函数，而与物体的其它性质无关。 Eλ,T只是波长和温度的函数： 在一定波长、一定温度下，一个物体的吸收率等于该物体同温度、同波长的放射率

20. 推论 • 对不同性质的物体，放射能力较强的物体，吸收能力 • 也较强；反之，放射能力弱者，吸收能力也弱，黑体 • 的吸收能力最强，所以它也是放射能力最强的物体。 对同一物体，如果在温度T时它放射某一波长的辐射， 那么，在同一温度下它也吸收这一波长的辐射。 物质如能强烈吸收某一波长的辐射，则一定能强烈地发射同一波长的辐射

21. 2.2 太阳辐射 2.2.1 太阳辐射光谱和太阳常数 • 太阳辐射光谱 定义：太阳辐射中辐射随波长的变化 • 太阳常数 （I0） 太阳常数及变化范围 定义：当地球位于日地平均距离时(约为1.496×108km)， 地球大气上界，垂直于太阳光线单位面积上，单位时间内获得的太阳辐射能。

22. 图中： 实线是大气上界的太阳辐射光谱； 虚线是温度在6,000K时的黑体辐射光谱。 大气上界的太阳辐射光谱

23. 50% 43%

24. 1.读出图中的太阳光谱。 2.物体的温度越高，辐射中最强部分的波长越短。 太阳辐射光谱示意 （短波辐射）

25. 大气上界 大气圈 约1.5亿km 太阳常数 变化范围： 1325 ～1457 W/m2 世界气象组织推荐太阳常数值为1367W/m2。

26. 2.2.2 到达地球上界的太阳辐射（天文辐射） • 1.日地距离 （r） 地球上接收到的太阳辐射强度I与日地距离r的平方成反比，与地球公转轨道的平均半径r0成正比。

27. 2.2.2 到达地球上界的太阳辐射（天文辐射） • 2.太阳高度角 （h） 定义 太阳光线与地表水平面之间的夹角。（0°≤h≤90°) 计算公式 sin h＝sinφsinδ+cosφcosδcosω 式中：φ为观测点纬度，δ为太阳赤纬，ω是时角。

28. 0 ° 23 °26′ -23 °26′ 0 ° 太阳赤纬δ:地球赤道平面与太阳和地球中心的连线之间的夹角 太阳赤纬的周年变化 太阳赤纬 δ＝23.5sinN° 赤纬角以年为周期，在+23 °26′与-23 °26′的范围内移动

29. δ的计算公式 δ＝23.5sinN° 说明：式中N°以度为单位，是距春分日或秋分日最近的总 天数。春分日至秋分日取正值，否则，取负值。 • 特殊日期δ的值： 春分日或秋分日：δ＝0° 夏至日：δ＝23.5° 冬至日：δ＝-23.5°（23.5°S）

30. 水平面上太阳辐射的计算

31. ω的确定 ω是用角度表示的时间，距离正午每差1小时，时角相差15° 正午：ω＝0； 上午：ω＜0； 下午：ω＞0。 正午时刻h的计算公式 h正午＝90°-φ+δ

32. 举例： 已知某地的纬度为北纬30º，试计算出该地春分、秋分、夏至和冬至这四个特定日子正午时的太阳高度角。 解：已知 Φ=30º， 正午 ω =0º ，代入公式得 （1）春分、秋分时： δ=0º h=90º-（30º-0º）=60º （2）夏至时： δ=23º5 h=90º-（30º-23.5º）=83.5º （3）冬至时： δ=-23º5 h=90º-（30º+23.5º）=36.5º

33. 3. 白昼长度（日出到日没的间隔时间） 四季的形成

34. 昼长的变化规律 相同纬度，冬短夏长，春秋介于二者之间。 夏季随纬度升高而加长，冬季随纬度升高而缩短，春、秋分则不随纬度升高而变。 计算公式 h=0（日出与日没），时角记为ω0，则有: cosω0＝tanφtanδ 式中：ω是时角；φ为观测点纬度；δ为赤纬。 上式中，负根(-ω0)相当于日出的时角，正根相当于日没的时角。 - ω0 <ω<ω0 因日出日没的时角绝对值相等，所以20就是白昼长度

35. 4. 天文辐射的时空分布 ①全年赤道获得的太阳辐射最多，从赤道向极地随纬度增高而减小，极小值出现在极点。 　②夏半年在20°～25°的纬度带，获得太阳辐射最多，由此向赤道和极地递减，最小值在极点。 　③冬半年赤道获得太阳辐射最多，随纬度增高迅速递减。高低纬度之间的差值大。 　④同一纬度，冬、夏太阳辐射的差值，随纬度增高而增大，即太阳辐射的年振幅随纬度增高而增大。

36. 不同纬度天文辐射的年变化

37. 两分两至各日天文辐射量随纬度的变化

38. 思考 • 1. 雨后天晴天空为何呈蓝色? • 2. 早晨和傍晚太阳光为何呈红色? • 3. 中午为何天空呈白色? • 4. 有云的夜晚为何通常比晴朗的夜晚暖和一些？ • 5. 为何地球表面的平均温度为15°，而月球 • 6. 白天表面温度达127 °，夜晚降至-183 °？ • 7.人们在吸烟的时候，从烟头上直接冒出的烟是蓝色的，而从吸烟者口里吐出的烟是白色的，这是为何？

39. 大气的热量是否直接来自太阳辐射呢？

40. 大气对太阳辐射的削弱作用 表现形式：大气对太阳辐射的—— 吸收 反射 散射

41. 地面 太阳辐射在大气中的减弱

43. 大气对太阳辐射的削弱作用 大气的吸收作用 ⑴、特点 16% 紫外线 可见光 红外线 选择性 O3 吸收紫外线 CO2 吸收红外线 O 水汽 ⑵、到达地面的主要 是可见光。 50 O3 ⑶、大气直接吸收的 太阳辐射的能量很少。 12 水汽 CO2 -100 -50 0 50 100

44. 2.2.3 太阳辐射在大气中的减弱 1、吸收作用 主要的吸收成分 氧、臭氧、水汽和CO2 各成分的吸收波段

45. 大气对太阳辐射的吸收作用 思考：1、从臭氧、二氧化碳和水汽的吸收作用，可知大气吸收具有什么特性？ 高层大气 2、为什么大气直接吸收的太阳辐射能量是很少的？ 平流层 对流层 地 面 （选择特性） 氧原子吸收部分紫外线 （大气对太阳辐射中能量最强的可见光吸收得很少，大部分 可见光能够透过大气到地面） 臭氧大量吸收紫外线 二氧化碳、水汽吸收红外线

46. 1、O2：主要吸收小于0.2 m的紫外线。 2、O3：主要吸收0.2-0.32  m紫外线，这是一个最强的吸收带，使太阳辐射光在波长小于0.29  m的紫外线不能到达地面 3、CO2：主要吸收1. 46—2.78m的红外线区。 4、水汽：对太阳辐射吸收范围很广，主要吸收波长在0.7—3  m的红外线。 5、水滴和尘埃：水滴和尘埃能吸收0.59  m及3  m附近的太阳辐射。 如图所示

48. 地球-太阳光谱的带状分布结构 • ⑴λ<0.31μm在到达对流层前就被全部吸收， 高层大气对大于0.35μ的太阳辐射几乎透明。 • ⑵λ在0.39-0.76μm的可见光部分很少有吸收发生（无论高低层大气） • ⑶λ在0.93-2.85μm的红外辐射主要由对流层中的水汽吸收。

49. 经过大气吸收后，入射辐射通量密度E入与吸收前的入射辐射通量密度E入∞满足关系式：经过大气吸收后，入射辐射通量密度E入与吸收前的入射辐射通量密度E入∞满足关系式： 为光学厚度; kλ为空气对波长λ的辐射波的吸收系数。

50. 由入射辐射波长 与散射质点的相对大小r，将散射分为分子散射（瑞利散射）和米（G. Mic）散射。 • r《时，分子散射 • r≈时，米散射 2、太阳辐射散射 散射 当太阳辐射通过大气时，遇到大气中的各种质点，太阳辐射能的一部分散向四面八方，称为散射。 散射体: 空气分子、尘粒、云滴 分类