大气基本物理过程.ppt

2023/3/21第三章大气基本物理过程2023/3/228节，6学时第一节第一节 大气中雷电现象及过程大气中雷电现象及过程第二节第二节 太阳的短波辐射太阳的短波辐射第三节第三节 地球大气的辐射与传输地球大气的辐射与传输第四节第四节 地球大气的辐射收支地球大气的辐射收支第五节第五节 大气中的相变过程与雨、雾、雪和冰雹大气中的相变过程与雨、雾、雪和冰雹第六节第六节 大气热力学大气热力学第七节第七节 大气中绝热过程与位温大气中绝热过程与位温第八节第八节 大气中静力平衡与静力稳定度大气中静力平衡与静力稳定度2023/3/23n大气科学是研究地球大气状态的演变和发生在大大气科学是研究地球大气状态的演变和发生在大气中的各种动力、物理和化学现象、过程及其机气中的各种动力、物理和化学现象、过程及其机理。理。n大气物理学是研究发生在大气中的各种物理现象、大气物理学是研究发生在大气中的各种物理现象、过程及其机理的科学。其研究对象包括：过程及其机理的科学。其研究对象包括：n大气的组成、成分与物理结构大气的组成、成分与物理结构n水的相变与云雾降水的形成水的相变与云雾降水的形成n辐射能的吸收、放射、传输及其转换过程、能量交换辐射能的吸收、放射、传输及其转换过程、能量交换n大气中的声、光、电现象大气中的声、光、电现象2023/3/24第一节 大气中雷电现象及过程2023/3/25一、大气中的雷电现象n雷电由雷声与闪电组成雷电由雷声与闪电组成n雷电是主要的自然灾害：雷电是主要的自然灾害：n影响航天、航空、通讯影响航天、航空、通讯n毁坏建筑、电设备毁坏建筑、电设备n致人伤亡。致人伤亡。2023/3/262008年9月20日到26日 四川共发生雷电闪击近12万次 n四川在线消息：四川在线消息：n四川省气象台发布近期四川省气象台发布近期雷电气象统计信息。雷电气象统计信息。22日晚到日晚到26日盆地西部出日盆地西部出现了强雷暴和持续性暴现了强雷暴和持续性暴雨天气过程，持续时间雨天气过程，持续时间长、局地强度大。长、局地强度大。20日日到到26日，全省共发生雷日，全省共发生雷电闪击电闪击118611次，创次，创我省有雷电监测资料以我省有雷电监测资料以来最高纪录。来最高纪录。上图上图 24日凌晨，成都再度遭遇强雷暴天气日凌晨，成都再度遭遇强雷暴天气 n闪电在云与地表之间发生，称为闪电在云与地表之间发生，称为云地闪云地闪（下图）（下图）。n在云中发生，称为在云中发生，称为云内闪云内闪。2023/3/27雷电知识n雷电是一种常见的大雷电是一种常见的大气放电现象。气放电现象。n在夏天的午后或傍晚，在夏天的午后或傍晚，地面的热空地面的热空 气携带大气携带大量的水汽不断地上升到量的水汽不断地上升到高空，形成大范围的积高空，形成大范围的积雨云，积雨云的不同部雨云，积雨云的不同部位聚集着大量的正电荷位聚集着大量的正电荷或负电荷，形成雷雨云，或负电荷，形成雷雨云，而地面因受到近地面雷而地面因受到近地面雷雨云的电荷感应，也会雨云的电荷感应，也会带上与云底相反符号的带上与云底相反符号的电荷。电荷。2023/3/28雷电知识n当云层里的电荷越积越多，达到一定强度时，就会把空当云层里的电荷越积越多，达到一定强度时，就会把空气击穿，打开一条狭窄的通道强行放电。气击穿，打开一条狭窄的通道强行放电。n当云层放电时，由于云中的电流很强，通道上的空气瞬当云层放电时，由于云中的电流很强，通道上的空气瞬间被烧得灼热，温度高达间被烧得灼热，温度高达6000-20000，所以发出，所以发出耀眼的强光，这就是闪电，而闪道上的高温会使空气急耀眼的强光，这就是闪电，而闪道上的高温会使空气急剧膨胀，同时也会使水滴汽化膨胀，从而产生冲击波，剧膨胀，同时也会使水滴汽化膨胀，从而产生冲击波，这种强烈的冲击波活动形成了雷声。这种强烈的冲击波活动形成了雷声。n一次雷击或者一次云闪所释放出的能量大约在一次雷击或者一次云闪所释放出的能量大约在300千瓦千瓦以上，如果把这些能以上，如果把这些能 量全部利用起来，可供一个普通量全部利用起来，可供一个普通家庭使用家庭使用2个月以上。个月以上。n由于雷电释放的能量相当大，它所产生的强大电由于雷电释放的能量相当大，它所产生的强大电流、灼热的高温、猛烈的冲击波、剧变的静电场流、灼热的高温、猛烈的冲击波、剧变的静电场 和强烈的电磁辐射等物理效应给人们带来了多种和强烈的电磁辐射等物理效应给人们带来了多种危害。危害。2023/3/29(一)“云地闪”过程n又称天地闪，破坏力大。又称天地闪，破坏力大。n分四个阶段：分四个阶段：1.梯级先导梯级先导2.第第1次回返闪电次回返闪电3.直窜先导直窜先导4.第第2次回返闪击次回返闪击2023/3/210n云云地地闪闪的的形形成成与与演演变变过过程程图图梯级先导梯级先导第第1次回闪次回闪直窜先导直窜先导第第2次回闪次回闪2023/3/211云地闪的形成n当雷雨云移到某处时，云的中下部是强大负电荷中心，当雷雨云移到某处时，云的中下部是强大负电荷中心，云底相对的下垫面变成正电荷中心，在云底与地面间形云底相对的下垫面变成正电荷中心，在云底与地面间形成强大电场。成强大电场。n在电荷越积越多，电场越来越强的情况下，云底在电荷越积越多，电场越来越强的情况下，云底首先出现大气被强烈电离的一段气柱，称首先出现大气被强烈电离的一段气柱，称梯级先梯级先导导。n这种电离气柱逐级向地面延伸，每级梯级先导是直径约这种电离气柱逐级向地面延伸，每级梯级先导是直径约5米、长米、长50米、电流约米、电流约100安培的暗淡光柱，它以平均安培的暗淡光柱，它以平均约约150000米米/秒的高速度一级一级地伸向地面，在离秒的高速度一级一级地伸向地面，在离地面地面550米左右时，地面便突然向上回击，回击的通米左右时，地面便突然向上回击，回击的通道是从地面到云底，沿着上述梯级先导开辟出的电离通道是从地面到云底，沿着上述梯级先导开辟出的电离通道。道。2023/3/212云地闪的形成n回击以回击以5万公里万公里/秒的更高速度从地面驰向云底，秒的更高速度从地面驰向云底，发出光亮无比的光柱，历时发出光亮无比的光柱，历时40微秒，通过电流超微秒，通过电流超过过1万安培，这即万安培，这即第一次回闪第一次回闪。n相隔几秒之后，从云中一根暗淡光柱，携带巨大相隔几秒之后，从云中一根暗淡光柱，携带巨大电流，沿第一次闪击的路径飞驰向地面，称电流，沿第一次闪击的路径飞驰向地面，称直窜直窜先导先导，当它离地面，当它离地面550米左右时，地面再向上回米左右时，地面再向上回击，再形成光亮无比光柱，这即击，再形成光亮无比光柱，这即第二次回闪第二次回闪。n接着又类似第二次那样产生第三、四次闪击。通常由接着又类似第二次那样产生第三、四次闪击。通常由34次闪击构成一次闪电过程。次闪击构成一次闪电过程。2023/3/213(二)“云内闪”过程n雷暴云内部的闪电雷暴云内部的闪电n表现为云内移动的火花或先导表现为云内移动的火花或先导n在云中正、负电荷区之间活动在云中正、负电荷区之间活动n产生暗淡而连续的光产生暗淡而连续的光2023/3/214(三)雷声n发生原因：发生原因：n闪电通道中的空气因放电而猛烈升温，气压猛闪电通道中的空气因放电而猛烈升温，气压猛升，闪电通道很快向周围大膨胀，产生猛烈的升，闪电通道很快向周围大膨胀，产生猛烈的冲击波，其中一部分大振幅的声波，这就是雷冲击波，其中一部分大振幅的声波，这就是雷声。声。n雷声总是伴随着闪电而发生雷声总是伴随着闪电而发生n但先看到闪电，后听到雷声但先看到闪电，后听到雷声n因为光波比声波传播快因为光波比声波传播快n光每秒能走光每秒能走30公里，而声音只能走公里，而声音只能走340米。米。n一般一般25km外就听不到雷声了外就听不到雷声了2023/3/215(三)雷声n美国富兰克林美国富兰克林1752年的风筝实验年的风筝实验n雷暴带电雷暴带电n雷的本质就是电雷的本质就是电n近代观测，云中强烈起电现象常出现于霰或近代观测，云中强烈起电现象常出现于霰或雹等强烈降水过程雹等强烈降水过程n起电理论起电理论n热电效应起电热电效应起电n感应起电感应起电2023/3/216二、雷电的产生原因(一)热电效应n这种起电理论是基于冰的热电效应这种起电理论是基于冰的热电效应n对冰条一端加热对冰条一端加热温度差温度差n水分子分解正负离子及差异（热的一端离子多）水分子分解正负离子及差异（热的一端离子多）n离子浓度不均，产生迁移离子浓度不均，产生迁移n正离子迁移率大，负离子几乎不迁移正离子迁移率大，负离子几乎不迁移n温度低的一端温度低的一端+电荷，温度高的一端电荷，温度高的一端-电荷电荷n形成一个电位差形成一个电位差2023/3/217(二)雷暴云热电效应的起电机制（两种）1第第1种起电机制种起电机制n含冰块和霰粒的混合云含冰块和霰粒的混合云n水滴、冰晶与冰块相碰水滴、冰晶与冰块相碰n过冷水滴释放潜热，雹块升温过冷水滴释放潜热，雹块升温n冰晶带正电，雹块带负电冰晶带正电，雹块带负电n雹块下降，冰晶上升雹块下降，冰晶上升n雷暴云上部正电荷，下部负电荷雷暴云上部正电荷，下部负电荷n形成强的电位差形成强的电位差2023/3/218(二)雷暴云热电效应的起电机制（两种）2.第第2种起电机制种起电机制n假设有过冷却水滴与雹块相假设有过冷却水滴与雹块相碰碰n表面结成的冰壳就向水滴内部表面结成的冰壳就向水滴内部增厚，冰壳内表面与水相接，增厚，冰壳内表面与水相接，温度为温度为0度，而冰壳外部低于度，而冰壳外部低于0度，冰壳内外形成温度梯度，度，冰壳内外形成温度梯度，冰壳的外表带正电冰壳的外表带正电n从冰壳外表飞出的小冰屑带正从冰壳外表飞出的小冰屑带正电，而电，而冰块带负电冰块带负电n小冰屑上升，冰块下落小冰屑上升，冰块下落n从而也形成了强的电位差。从而也形成了强的电位差。2023/3/219(三)雷暴云的感应起电机制n云质粒与降水质粒受到云质粒与降水质粒受到极化极化，极化，极化的结果使它们的结果使它们下半部带正电，上半下半部带正电，上半部带负电部带负电。n当云质粒与向下落的降水质粒下部相当云质粒与向下落的降水质粒下部相碰时，云质粒的负电荷会传到降水质碰时，云质粒的负电荷会传到降水质粒上，若云质粒从降水质粒弹开来粒上，若云质粒从降水质粒弹开来n则则带负电的降水质粒向下运动带负电的降水质粒向下运动，而，而带正电荷的云质粒随上升气流向上带正电荷的云质粒随上升气流向上运动运动n这就会使这就会使雷暴云中上部带正电，而雷暴云中上部带正电，而下部带负电下部带负电，从而产生雷暴云的电，从而产生雷暴云的电位差。位差。2023/3/220三、雷电的防护(一)避雷针技术n装置避雷针是避免雷击的有效方法。装置避雷针是避免雷击的有效方法。n在房屋最高处竖一金属棒，棒下端连一条足够粗的铜线，铜线下端连一块在房屋最高处竖一金属棒，棒下端连一条足够粗的铜线，铜线下端连一块金属板埋入地下深处潮湿处。金属棒的上端是一个尖头或分叉为几个尖头金属板埋入地下深处潮湿处。金属棒的上端是一个尖头或分叉为几个尖头n当空中有带电的云时，避雷针的尖端因静电感应就集中了异种电荷，当空中有带电的云时，避雷针的尖端因静电感应就集中了异种电荷，发生尖端放电，与云内的电相中和，避免发生激烈的雷电，这就是避发生尖端放电，与云内的电相中和，避免发生激烈的雷电，这就是避雷针能避雷的一方面。雷针能避雷的一方面。n但这种作用颇慢，如果云中积电很快，或一块带有大量电荷的云突然飞来，但这种作用颇慢，如果云中积电很快，或一块带有大量电荷的云突然飞来，有时来不及按上述方式中和，于是有强烈的放电，雷电仍会发生。有时来不及按上述方式中和，于是有强烈的放电，雷电仍会发生。n由于避雷针高过周围物体，它的尖端又集中了与云中电异号的电荷，由于避雷针高过周围物体，它的尖端又集中了与云中电异号的电荷，如果雷电是在云和地面物之间发生，放电电流主要通过避雷针流入大如果雷电是在云和地面物之间发生，放电电流主要通过避雷针流入大地地n因此，不会打在房屋或附近人的身上，只会打在避雷针上了。因此，不会打在房屋或附近人的身上，只会打在避雷针上了。n由此可见，避雷针的尖端放电作用会减少地面物与云之间打雷的可能由此可见，避雷针的尖端放电作用会减少地面物与云之间打雷的可能性；到了不可避免时，它自己就负担了雷的打击，房屋与人得到了安性；到了不可避免时，它自己就负担了雷的打击，房屋与人得到了安全。全。北京展览馆北京展览馆埃菲尔铁塔埃菲尔铁塔 应县塔应县塔美国国会大厦美国国会大厦2023/3/222(一)避雷针技术n由于避雷针的构造和作用，我们要特别注意保持由于避雷针的构造和作用，我们要特别注意保持避雷针的良好导电性。避雷针的良好导电性。n一旦有一处联接不好，或断了，断口以上的一段就成为一旦有一处联接不好，或断了，断口以上的一段就成为一个隔离的导电系统。如果放电，强大的放电电流只能一个隔离的导电系统。如果放电，强大的放电电流只能通过建筑物放出大量热量，于是引起雷击。通过建筑物放出大量热量，于是引起雷击。n这样不但不能避雷，反而还招来雷祸。这样不但不能避雷，反而还招来雷祸。n为防意外，高大建筑物最好竖起几条避雷针。为防意外，高大建筑物最好竖起几条避雷针。n另外，每一又避雷针只能保护一定的建筑面积，另外，每一又避雷针只能保护一定的建筑面积，对于较大的建筑物也需要竖起几条避雷针。对于较大的建筑物也需要竖起几条避雷针。2023/3/223人的闪电防护雷鸣电闪时在室外的人，为防雷击，应当遵从四条原则。雷鸣电闪时在室外的人，为防雷击，应当遵从四条原则。1.一是人体应尽量降低自己，以免作为凸出尖端而被闪电直接击中。一是人体应尽量降低自己，以免作为凸出尖端而被闪电直接击中。2.二是人体与地面的接触面要尽量缩小以防止因二是人体与地面的接触面要尽量缩小以防止因“跨步电压跨步电压”造成伤害。造成伤害。n所谓跨步电压是雷击点附近，两点间很大的电位差，若人的两脚分得很所谓跨步电压是雷击点附近，两点间很大的电位差，若人的两脚分得很开，分别接触相距远的两点，则两脚间便形成较大的电位差，有强电流开，分别接触相距远的两点，则两脚间便形成较大的电位差，有强电流通过人体使人受伤害。通过人体使人受伤害。3.第三是不可到孤立大树下和无避雷装置的高大建筑体附近，不可手持第三是不可到孤立大树下和无避雷装置的高大建筑体附近，不可手持金属体高举头顶。金属体高举头顶。4.第四是不要进水中，因水体导电好，易遭雷击。第四是不要进水中，因水体导电好，易遭雷击。n总之，应当到较低处，双脚合拢地站立或蹲下，以减少遭遇雷的机会。总之，应当到较低处，双脚合拢地站立或蹲下，以减少遭遇雷的机会。n雷电期间在室内者，不要靠近窗户、尽可能远离电灯、电话、室外天雷电期间在室内者，不要靠近窗户、尽可能远离电灯、电话、室外天线的引线等；在没有避雷装置的建筑物内，应避免接触烟囱、自来水线的引线等；在没有避雷装置的建筑物内，应避免接触烟囱、自来水管、暖气管道、钢柱等。管、暖气管道、钢柱等。2023/3/2242023/3/225(二)雷电定位技术（闪电定位）n近年来发展起来的雷电防护技术之一，它可近年来发展起来的雷电防护技术之一，它可以提供雷击点的精确地理位置及时间演变特以提供雷击点的精确地理位置及时间演变特征征n使电站、电网和通讯设备的设计，避开多雷击发使电站、电网和通讯设备的设计，避开多雷击发生处生处n为航天、航空服务为航天、航空服务n发现森林的雷击处，预防森林火灾发现森林的雷击处，预防森林火灾n具有重要的应用价值。具有重要的应用价值。2023/3/226闪电定位仪 探测闪电发生的强度、方向、频率及其变化的仪器。2023/3/227(三)人工引雷技术n20世纪世纪70年代末以来，用火箭拖带接地的细金属年代末以来，用火箭拖带接地的细金属导线对雷电进行人工引发，它可以使人们能够在导线对雷电进行人工引发，它可以使人们能够在一个可以控制的环境中研究雷电的物理过程及其一个可以控制的环境中研究雷电的物理过程及其雷电与建筑物、目标物的相互作用。雷电与建筑物、目标物的相互作用。n人工引雷的实质是在雷暴强电场作用下，火箭和细导线人工引雷的实质是在雷暴强电场作用下，火箭和细导线尖端处上行电荷的激发和传播并导致云中电荷的对地释尖端处上行电荷的激发和传播并导致云中电荷的对地释放，这与一般目标物受雷击的物理过程是一样的放，这与一般目标物受雷击的物理过程是一样的n此技术可用来研究雷电危害的机理和检验各种避此技术可用来研究雷电危害的机理和检验各种避雷装备的防雷性能。雷装备的防雷性能。n在军事、能源利用上前景广阔。在军事、能源利用上前景广阔。n人工防雷技术的实验广泛在法、美、日和我国进行。人工防雷技术的实验广泛在法、美、日和我国进行。n中国科学院寒旱所（兰州）在这方面已有很多实验结果。中国科学院寒旱所（兰州）在这方面已有很多实验结果。2023/3/228(四)消雷装置n从从20世纪世纪70年代以来，世界各地发明了各种消雷装置年代以来，世界各地发明了各种消雷装置n如美国的消散阵系统如美国的消散阵系统n英国的雷电抑制器英国的雷电抑制器n我国的半导体长针消雷器。我国的半导体长针消雷器。n这些装置虽可以大大减少建筑物或电讯设备遭受雷击的危害，这些装置虽可以大大减少建筑物或电讯设备遭受雷击的危害，但迄今有些设计的原理还不十分清楚。但迄今有些设计的原理还不十分清楚。n总之，雷电的危害大，物理机制复杂，防雷总之，雷电的危害大，物理机制复杂，防雷技术不完美，还需进一步深入研究。技术不完美，还需进一步深入研究。n气象业务的多轨道气象业务的多轨道雷电雷电n视频：闪电视频：闪电2023/3/229第二节 太阳的短波辐射2023/3/230n 地球大气的能量几乎全部来自太阳。地球大气的能量几乎全部来自太阳。n太阳不断地向地球大气和地表面发射电此磁波太阳不断地向地球大气和地表面发射电此磁波n由于太阳辐射由于太阳辐射99以波长小于以波长小于4m的电磁的电磁波辐射，故又称短波辐射。波辐射，故又称短波辐射。n太阳辐射经过大气要被散射、吸收，并被地表太阳辐射经过大气要被散射、吸收，并被地表面反射，其过程是很复杂的。面反射，其过程是很复杂的。2023/3/231一、有关辐射的几个定律(一)发射能力和吸收能力n从实验结果可知，在单位时间内从某一物体单位从实验结果可知，在单位时间内从某一物体单位面积上向各个方向所发射的频率范围内的辐射能面积上向各个方向所发射的频率范围内的辐射能量可写成：量可写成：nE是频率和温度的函数，称为该物体在温度是频率和温度的函数，称为该物体在温度T时发射频时发射频率为率为(读读nu)的辐射能量的的辐射能量的发射能力发射能力。n此外，当一定量的辐射照射在某物体表面时，其中一部分会被此外，当一定量的辐射照射在某物体表面时，其中一部分会被该物体吸收，其余部分则被反射或散射，或透过物体。该物体吸收，其余部分则被反射或散射，或透过物体。n我们将物体吸收到的辐射与照射到的辐射总量之我们将物体吸收到的辐射与照射到的辐射总量之比称为比称为吸收能力吸收能力，记为，记为A。n同样，同样，A也是辐射的频率和物体的温度的函数。也是辐射的频率和物体的温度的函数。2023/3/232(二)基尔霍夫辐射定律n辐射与热平衡辐射与热平衡n假定一物体与其他物体之间只能通过辐射和吸收来交换能假定一物体与其他物体之间只能通过辐射和吸收来交换能量，当该物体发出的辐射能量比吸收的能量多时，它的温量，当该物体发出的辐射能量比吸收的能量多时，它的温度就会下降，这时辐射就会减弱；反之，当发射的辐射能度就会下降，这时辐射就会减弱；反之，当发射的辐射能量比吸收的能量少时，温度就会上升，辐射就会增强。量比吸收的能量少时，温度就会上升，辐射就会增强。n如果这一系统是封闭的，则经过一段时间后，物体之间就如果这一系统是封闭的，则经过一段时间后，物体之间就会建立起热平衡状态，此时各物体在单位时间内发出的辐会建立起热平衡状态，此时各物体在单位时间内发出的辐射能量正好等于吸收的能量射能量正好等于吸收的能量n因而，在热平衡状态下，因而，在热平衡状态下，辐射能力较强的物体，其辐射能力较强的物体，其吸收能力也就较强；反之，辐射能力较弱的物体，吸收能力也就较强；反之，辐射能力较弱的物体，其吸收能力也较弱其吸收能力也较弱。2023/3/233(二)基尔霍夫辐射定律n对地球大气，基尔霍夫定律都是成立的。对地球大气，基尔霍夫定律都是成立的。n只要气体分子碰撞频率与吸收和发射的频率相比是只要气体分子碰撞频率与吸收和发射的频率相比是较大的，那么基尔霍夫定律就适用于该种气体。较大的，那么基尔霍夫定律就适用于该种气体。n而在地球大气中，一直到而在地球大气中，一直到60km高度（包括对高度（包括对流层和平流层），这个条件都是满足的，因而流层和平流层），这个条件都是满足的，因而基尔霍夫定律是适用的。基尔霍夫定律是适用的。2023/3/234(三)普朗克黑体辐射定律n也简称作普朗克定律或黑体辐射定律也简称作普朗克定律或黑体辐射定律n根据黑体的定义，黑体它吸收所有波长的辐射，即根据黑体的定义，黑体它吸收所有波长的辐射，即吸收能力为吸收能力为1，又能发射所有波长的电磁波，又能发射所有波长的电磁波n根据基尔霍夫定律，黑体的发射能力完全由它根据基尔霍夫定律，黑体的发射能力完全由它的温度和辐射频率所决定。的温度和辐射频率所决定。n黑体所发射的单色辐射强度可写成：黑体所发射的单色辐射强度可写成：德国物理学家马克斯德国物理学家马克斯普朗克普朗克2023/3/235(三)普朗克黑体辐射定律n即普朗克定律（即普朗克定律（1901年）年）n是用于描述在任意温度是用于描述在任意温度T下，下，从一个黑体中发射的电磁辐从一个黑体中发射的电磁辐射的辐射率与电磁辐射的频射的辐射率与电磁辐射的频率的关系公式。率的关系公式。n电磁波波长和频率的关系电磁波波长和频率的关系为：为：=c/nh=6.62610-34Jsn称为普朗克常数nk=1.3810-23J/Kn称为玻尔兹曼常数nc=3.0108m/sn为光速温度为温度为T时，波长时，波长发射发射的辐射能量的辐射能量2023/3/236(四)斯蒂芬-波尔兹曼定律n将上述普朗克定律在所有频率范围将上述普朗克定律在所有频率范围内积分，可得到黑体的辐射通量如内积分，可得到黑体的辐射通量如右式右式n即斯蒂芬玻尔兹曼定律即斯蒂芬玻尔兹曼定律n说明黑体辐射只与物体的温度有关说明黑体辐射只与物体的温度有关n黑体的辐射能力与其绝对温度的四次黑体的辐射能力与其绝对温度的四次方成正比方成正比n放射体的温度越高，放射的能量就越放射体的温度越高，放射的能量就越大大n 5.6703210-8W/m2K4n(sigma)称为斯蒂芬-玻尔兹曼常数2023/3/237(五)维恩位移定律n由普朗克定律由普朗克定律（黑体的发射能力完全由它的温度和辐射频率（黑体的发射能力完全由它的温度和辐射频率波长波长所决定）所决定）得知，最大辐射强度的波长得知，最大辐射强度的波长m m满足下式满足下式n m mT=bT=bnb=2.897810-3mK，是一常数是一常数n上式就是维恩位移定律。它表明：上式就是维恩位移定律。它表明：n当黑体的温度增高时，最大辐射强度向短波方向移动。当黑体的温度增高时，最大辐射强度向短波方向移动。n当黑体温度不高时，辐射能量主要集中在长波区域；温当黑体温度不高时，辐射能量主要集中在长波区域；温度较高时，辐射能量的主要部分在短波区域。度较高时，辐射能量的主要部分在短波区域。2023/3/238(五)维恩位移定律n温度高于绝对温度为零度的物体都向外放射温度高于绝对温度为零度的物体都向外放射辐射，即电磁波。辐射，即电磁波。n放射体的温度越高，放射的能量就越大（斯蒂放射体的温度越高，放射的能量就越大（斯蒂芬芬-波尔兹曼定律），并且放射能量最大的波长波尔兹曼定律），并且放射能量最大的波长也缩短（维恩位移定律）。也缩短（维恩位移定律）。n因而，实际上，不仅是太阳和地球，所有的因而，实际上，不仅是太阳和地球，所有的物体都发射电磁波。物体都发射电磁波。n可见光的波长范围：可见光的波长范围：0.350.7m2023/3/239辐射规律大致可以归纳为下列四点：(1)所有物体不论其温度如何，都向外放射辐射能。所有物体不论其温度如何，都向外放射辐射能。n高温的太阳和地球都在不停地向外辐射能量。高温的太阳和地球都在不停地向外辐射能量。(2)温度较高的物体单位面积放射的总能量，要比温度低的物温度较高的物体单位面积放射的总能量，要比温度低的物体放射多。体放射多。n如太阳表面温度为如太阳表面温度为6000K，而地球表面的平均温度为，而地球表面的平均温度为288K，因，因而，太阳表面单位面积上放射的能量要比地球表面放射的能量大而，太阳表面单位面积上放射的能量要比地球表面放射的能量大几百万倍。几百万倍。(3)物体温度愈高，其放射的最大辐射的波长愈短；反之，物物体温度愈高，其放射的最大辐射的波长愈短；反之，物体的温度愈低，其放射的最大辐射波长愈长。体的温度愈低，其放射的最大辐射波长愈长。n例如，太阳放射的最大辐射波长例如，太阳放射的最大辐射波长0.5微米，而地球放射的最大辐射微米，而地球放射的最大辐射波长为波长为10微米。微米。(4)辐射能力强的物体，其吸收辐射的能力也强；反之，辐射辐射能力强的物体，其吸收辐射的能力也强；反之，辐射能力弱的物体，吸收能力也弱。能力弱的物体，吸收能力也弱。n黑体吸收能力最强，放射能力也最强。地球和太阳，对于它们各黑体吸收能力最强，放射能力也最强。地球和太阳，对于它们各自的温度而言，都是吸收和放射能力很强的物体，可看作是近似自的温度而言，都是吸收和放射能力很强的物体，可看作是近似黑体。而地球大气则是选择性的吸收和辐射体。对于某种确定波黑体。而地球大气则是选择性的吸收和辐射体。对于某种确定波长的辐射可让其透过长的辐射可让其透过(即不吸收即不吸收)；对于另外波长的辐射，则近乎不；对于另外波长的辐射，则近乎不透明的透明的(即吸收很强即吸收很强)。2023/3/2401.无线电波无线电波波长从几千米到波长从几千米到0.3米左右，一般的电视和无线电广播的波段就是用这种波；米左右，一般的电视和无线电广播的波段就是用这种波；2.微波微波波长从波长从0.3米到米到10-3米，这些波多用在雷达或其它通讯系统；米，这些波多用在雷达或其它通讯系统；3.红外线红外线波长从波长从10-3米到米到7.810-7米；米；4.可见光可见光这是人们所能感光的极狭窄的一个波段。波长从（这是人们所能感光的极狭窄的一个波段。波长从（783.8）10-6厘米。厘米。5.紫外线紫外线波长从波长从310-7米到米到610-10米。米。6.X射线（伦琴射线）射线（伦琴射线）波长从波长从210-9米到米到610-12米。米。7.射线射线是波长从是波长从10-1010-14米的电磁波。米的电磁波。2023/3/241二、太阳辐射n太阳辐射，大部分能量分布在波长太阳辐射，大部分能量分布在波长0.24 m的范围内，在的范围内，在0.5 m处辐处辐射最强，其中大约有一半集中在可见光区域射最强，其中大约有一半集中在可见光区域n地球所发出的电磁波是红外线，其波长范围为地球所发出的电磁波是红外线，其波长范围为 4100 mn可将辐射能量分成二种类型：太阳的短波辐射和地球的长波辐射。可将辐射能量分成二种类型：太阳的短波辐射和地球的长波辐射。太阳（左图）和地球（右图）所产生的黑体辐射太阳（左图）和地球（右图）所产生的黑体辐射2023/3/242(一)太阳辐射常数n多年的观测表明，太阳辐射的强度没有很大的变化，多年的观测表明，太阳辐射的强度没有很大的变化，因而，可以引入太阳常数的概念。因而，可以引入太阳常数的概念。n定义：定义：n在日地平均距离处，与辐射方向成垂直的单位在日地平均距离处，与辐射方向成垂直的单位面积上，在单位时间内接受的太阳辐射量，其面积上，在单位时间内接受的太阳辐射量，其值为值为1.3810 3 W/m 2n这个值是指太阳辐射未受到地球大气的吸收、散射这个值是指太阳辐射未受到地球大气的吸收、散射和云反射时的值。和云反射时的值。2023/3/243(二)地球上所接收的太阳辐射的变化n地球有自转，有公转，因此，地球上所接收地球有自转，有公转，因此，地球上所接收的太阳辐射不仅有日变化，而且还有季节变的太阳辐射不仅有日变化，而且还有季节变化。化。太阳高度角太阳高度角2023/3/244(二)地球上所接收的太阳辐射的变化n若忽略地球大气对太阳辐射的散射和吸收，若忽略地球大气对太阳辐射的散射和吸收，则在地面上单位面积所接收的太阳辐射强度则在地面上单位面积所接收的太阳辐射强度比应是比应是 IH I0sinnIH是与太阳光线垂直相交的单位面积上所接收是与太阳光线垂直相交的单位面积上所接收的太阳辐射的太阳辐射nI0是太阳辐射强度是太阳辐射强度2023/3/245(二)地球上所接收的太阳辐射的变化n由于地球自转轴与公转轴由于地球自转轴与公转轴成成66.5角，这就是说，角，这就是说，地球的赤道面与它的轨道地球的赤道面与它的轨道面成面成23.5 角。角。n因此，在北半球夏至因此，在北半球夏至(6月月22日）太阳位于北纬日）太阳位于北纬 23.5 的北回归线，这就的北回归线，这就是说夏至这一日，位于北是说夏至这一日，位于北回归线地方正中午时，太回归线地方正中午时，太阳高度角是阳高度角是90 ；n相反，在冬至（相反，在冬至（12月月22日）日），位于南回归线地方正中，位于南回归线地方正中午时，太阳高度角是午时，太阳高度角是90 。2023/3/246(二)地球上所接收的太阳辐射的变化n因此，太阳高度角可为下式：因此，太阳高度角可为下式：=90-+n为某地所在的纬度为某地所在的纬度n为赤纬，即太阳光线与赤道面上的交角为赤纬，即太阳光线与赤道面上的交角 s i n=s i n s i n+c o s c o s hnh 是时角是时角n因为地球绕太阳每小时运转因为地球绕太阳每小时运转15n故地方时与时角的关系为故地方时与时角的关系为 h=15（地方时（地方时-12时）时）2023/3/247(二)地球上所接收的太阳辐射的变化 s i n=s i n(90-+)=c o s(-)n可以看出：可以看出：1.h不同，不同，s i n变化大，变化大，地球上所接收的太阳辐射随太地球上所接收的太阳辐射随太阳高度角的变化有很大日变化。阳高度角的变化有很大日变化。2.春、夏、秋、冬其赤纬有很大不同，故春、夏、秋、冬其赤纬有很大不同，故s i n就有很大就有很大变化，因此，地球上所接收的太阳辐射随季节有很大变化，因此，地球上所接收的太阳辐射随季节有很大变化。变化。3.地球上所接收的太阳辐射随纬度而变化。地球上所接收的太阳辐射随纬度而变化。4.由地球上某地点所在的纬度，以及从所要求的某月、由地球上某地点所在的纬度，以及从所要求的某月、某日和某时便可得知太阳高度角，再由（某日和某时便可得知太阳高度角，再由（）式便可求）式便可求出该地点某月、某日、某时大气上界单位面积所接收出该地点某月、某日、某时大气上界单位面积所接收的太阳辐射量（见图的太阳辐射量（见图）。）。n n纬度纬度纬度纬度n n赤纬赤纬赤纬赤纬n n时角时角时角时角2023/3/249(三)地球大气对太阳辐射的吸收与散射1、地球大气对太阳辐射的吸收、地球大气对太阳辐射的吸收n入射到地球大气的太阳辐射量一部分要被大气入射到地球大气的太阳辐射量一部分要被大气所吸收与散射，一部分透过大气层到达地面所吸收与散射，一部分透过大气层到达地面n而到达地面的太阳辐射一部分要被地表面反射而到达地面的太阳辐射一部分要被地表面反射至大气至大气n这就是说，入射太阳辐射量等于地面反射的辐这就是说，入射太阳辐射量等于地面反射的辐射量，大气吸收的辐射量，透过气层的辐射量射量，大气吸收的辐射量，透过气层的辐射量之和。之和。n太阳光谱中存在许多的吸收带和吸收线，其中有些太阳光谱中存在许多的吸收带和吸收线，其中有些是由于太阳大气的吸收作用，对这些吸收带或吸收是由于太阳大气的吸收作用，对这些吸收带或吸收线进行分析，可以知道太阳大气的组成成分。线进行分析，可以知道太阳大气的组成成分。2023/3/2502023/3/251(三)地球大气对太阳辐射的吸收与散射n另外的吸收带和吸收线则是由于地球大气的吸收另外的吸收带和吸收线则是由于地球大气的吸收作用，吸收太阳辐射的大气气体主要成分有臭氧、作用，吸收太阳辐射的大气气体主要成分有臭氧、氮气、水汽、甲烷等。氮气、水汽、甲烷等。n波长小于波长小于0.3m的太阳辐射（紫外线、的太阳辐射（紫外线、X射线）主要被射线）主要被20km以上的臭氧以上的臭氧、氧气和氮气所吸收，在大气的高、氧气和氮气所吸收，在大气的高层，因具有很强能量的远紫外线和层，因具有很强能量的远紫外线和X射线的作用，产生射线的作用，产生了电离层。了电离层。n在平流层，因氧气和臭氧的作用，对太阳辐射的吸收主在平流层，因氧气和臭氧的作用，对太阳辐射的吸收主要在近紫外线区域。要在近紫外线区域。n以上的吸收使得在能够进入大气对流层的太阳辐以上的吸收使得在能够进入大气对流层的太阳辐射中，波长小于射中，波长小于 0.3m的辐射相当弱。的辐射相当弱。2023/3/252(三)地球大气对太阳辐射的吸收与散射n臭氧是吸收紫外线的主要大气成分，臭氧层臭氧是吸收紫外线的主要大气成分，臭氧层是使地球生物圈免受过强紫外线伤害的保护是使地球生物圈免受过强紫外线伤害的保护层。层。n电冰箱使用，氟里昂扩散，致使臭氧层遭到破电冰箱使用，氟里昂扩散，致使臭氧层遭到破坏，并带来严重重的环境问题。坏，并带来严重重的环境问题。n臭氧的减少会导致射到地球表面的紫外线增强，从臭氧的减少会导致射到地球表面的紫外线增强，从而艰少农业产量，破坏海洋生物链，增加人类皮肤而艰少农业产量，破坏海洋生物链，增加人类皮肤癌的发病率。癌的发病率。n因此，国际组织对臭氧层的保护给予了广泛的因此，国际组织对臭氧层的保护给予了广泛的关注。关注。2023/3/253(三)地球大气对太阳辐射的吸收与散射2、地球大气对太阳辐射的散射、地球大气对太阳辐射的散射n 在大气中，光线遇到质点或通过光学性质不均在大气中，光线遇到质点或通过光学性质不均匀的介质时，它会向各个方向弥散，这种现象匀的介质时，它会向各个方向弥散，这种现象就叫做光的散射。就叫做光的散射。n大气对辐射的散射取决于辐射电磁波的波长和散射大气对辐射的散射取决于辐射电磁波的波长和散射粒子半径的大小。粒子半径的大小。n一般把小于光的波长的微粒对入射太阳辐射的一般把小于光的波长的微粒对入射太阳辐射的散射现象称为瑞利（散射现象称为瑞利（Rayleigh）散射。）散射。n入射辐射的波长越短，被散射的辐射就越强。入射辐射的波长越短，被散射的辐射就越强。2023/3/254(三)地球大气对太阳辐射的吸收与散射3、地表面对太阳辐射的反射、地表面对太阳辐射的反射n经过大气散射和吸收之后，经过大气散射和吸收之后，透过气层到达地面的太阳辐透过气层到达地面的太阳辐射一部分要被地表面所反射。射一部分要被地表面所反射。n一般定义出射辐射能与入射辐一般定义出射辐射能与入射辐射能之比称反射率。射能之比称反射率。n遥感技术在科研领域应用遥感技术在科研领域应用n以以“近近10年来青藏高原景观格局变化特征分年来青藏高原景观格局变化特征分析析”为例为例2023/3/256第三节 地球大气的辐射与传输2023/3/257一、地球的长波辐射(一一)辐射平衡温度辐射平衡温度n太阳辐射被大气散射、反射和吸收，之后它到太阳辐射被大气散射、反射和吸收，之后它到达地球。一部分被地球表面反射到大气。达地球。一部分被地球表面反射到大气。n地球吸收部分太阳辐射而增温；并且，按照地球吸收部分太阳辐射而增温；并且，按照基尔霍夫定律，地球将以长波的电磁波向空基尔霍夫定律，地球将以长波的电磁波向空间辐射而降温。当两者平衡后，地球温度就间辐射而降温。当两者平衡后，地球