大气科学概论第十辐射PPT讲稿.ppt

大气科学概论课件第十辐射第1页，共35页，编辑于2022年，星期六 6.3.1 太阳和太阳辐射太阳和太阳辐射第2页，共35页，编辑于2022年，星期六 一、太阳概况一、太阳概况 太阳是一个巨大的等离子体球。太阳是一个巨大的等离子体球。等离子体，指其正负两种离子所带的电荷的总量相等离子体，指其正负两种离子所带的电荷的总量相 等，因而整体上呈现中性。这种温度极高、电离度极等，因而整体上呈现中性。这种温度极高、电离度极 高的物质聚集态，被称为物质的高的物质聚集态，被称为物质的第四态第四态。包括太阳、恒星和星际气体在内，宇宙空间几乎包括太阳、恒星和星际气体在内，宇宙空间几乎99%99%的物质是等离子体。的物质是等离子体。第3页，共35页，编辑于2022年，星期六 太阳是太阳系的中心天体太阳是太阳系的中心天体,是太阳系里唯一是太阳系里唯一 的一颗恒星的一颗恒星,也是离地球最近的一颗也是离地球最近的一颗恒星恒星。1 1、太阳的大小、太阳的大小 太阳的太阳的直径直径为为139.2139.2万千米，是地球的万千米，是地球的109109倍。倍。太阳的太阳的体积体积为为141141亿亿立方千米，是地球的亿亿立方千米，是地球的130130万倍。万倍。太阳的太阳的质量质量近近20002000亿亿亿吨，是地球的亿亿亿吨，是地球的3333万倍。万倍。太阳的太阳的表面温度表面温度约为约为5800K5800K，中心温度可达，中心温度可达1.7101.7107 7K K。它集中了太阳系它集中了太阳系99.865%99.865%的质量，是一个绝对的质量，是一个绝对 至高无上至高无上的的“国王国王”。第4页，共35页，编辑于2022年，星期六 2、太阳的大气主要成分太阳的大气主要成分 太阳是个太阳是个炽热的气体星球炽热的气体星球，没有固体的星体或，没有固体的星体或 核心。太阳大气的主要成分是核心。太阳大气的主要成分是氢氢（质量约占（质量约占71%71%）与与氦氦（质量约占（质量约占27%27%）。）。3、太阳的结构太阳的结构 太阳从中心到边缘可分为太阳从中心到边缘可分为太阳内部太阳内部和和大气层大气层。第5页，共35页，编辑于2022年，星期六 太阳内部：太阳内部：日核区、中介层、对流层；日核区、中介层、对流层；大气层大气层：光球、色球和日冕。光球、色球和日冕。第6页，共35页，编辑于2022年，星期六 太阳能量的太阳能量的99%99%是由中心的核反应区的是由中心的核反应区的 热核反应产生的。太阳中心的密度和温度极热核反应产生的。太阳中心的密度和温度极 高，它发生着由氢聚变为氦的热核反应，而该反高，它发生着由氢聚变为氦的热核反应，而该反 应足以维持应足以维持100100亿年亿年,因此太阳目前正处于中年期。因此太阳目前正处于中年期。在进入地球大气之前，太阳光谱是怎样的？其辐射在进入地球大气之前，太阳光谱是怎样的？其辐射 通量密度是多少？通量密度是多少？这不仅是研究大气辐射问题时首先要了解的，而且这不仅是研究大气辐射问题时首先要了解的，而且 在研究太阳物理、环境科学、宇航和太阳能利用等许多在研究太阳物理、环境科学、宇航和太阳能利用等许多领域都具有重要的意义。领域都具有重要的意义。第7页，共35页，编辑于2022年，星期六 二、大气上界的太阳光谱及太阳常数二、大气上界的太阳光谱及太阳常数 1、大气上界的太阳光谱、大气上界的太阳光谱 太阳辐射通量密度或辐射率随波长的分太阳辐射通量密度或辐射率随波长的分 布称为布称为太阳辐射光谱太阳辐射光谱。p36第8页，共35页，编辑于2022年，星期六 2、太阳常数太阳常数 太阳常数太阳常数：当当日地间处于平均距离日地间处于平均距离时时,大大 气上界垂直于太阳光线的平面上气上界垂直于太阳光线的平面上,单位时单位时 间单位面积内接受到的太阳辐射能量。间单位面积内接受到的太阳辐射能量。世界气象组织在世界气象组织在19811981年推荐的太阳常数年推荐的太阳常数最近值最近值S S0 0=13677W/m13677W/m2 2。(1372)(1372)第9页，共35页，编辑于2022年，星期六 大气中有各种气体成分以及水滴、大气中有各种气体成分以及水滴、尘埃等气溶胶颗粒，太阳辐射在大气中尘埃等气溶胶颗粒，太阳辐射在大气中 传输时，要受到大气的影响，其强度、传传输时，要受到大气的影响，其强度、传 输方向以及偏振状态都会发生变化。输方向以及偏振状态都会发生变化。这种作用主要有这种作用主要有吸收吸收、散射散射和和折射折射作用。由于作用。由于折射作用一般与能量收支问题关系较小，该节主折射作用一般与能量收支问题关系较小，该节主要讲述大气的要讲述大气的吸收吸收和和散射散射对太阳辐射的衰减对太阳辐射的衰减作用作用。第10页，共35页，编辑于2022年，星期六6.3.2 太阳辐射在大气中衰减太阳辐射在大气中衰减第11页，共35页，编辑于2022年，星期六 6.3.2.1 大气对太阳辐射的吸收大气对太阳辐射的吸收 所谓所谓吸收吸收，就是指投射到介质上面的，就是指投射到介质上面的 辐射能中的一部分被转化为物质本身的内辐射能中的一部分被转化为物质本身的内 能或其他形式的能量。能或其他形式的能量。大气分子除选择性大气分子除选择性吸收吸收外，还通过外，还通过光化学反应光化学反应和和 光致电离光致电离两种途径，把投射到两种途径，把投射到大气大气的辐射能中的一部分的辐射能中的一部分 转化为转化为大气大气本身的内能或其他形式的能量并本身的内能或其他形式的能量并引起温度引起温度升高升高。第12页，共35页，编辑于2022年，星期六 一、一、大气吸收光谱大气吸收光谱 从整层和各主要吸收气体的吸收光谱看，从整层和各主要吸收气体的吸收光谱看，大气的吸收有明显的大气的吸收有明显的选择性选择性。上曲线：上曲线：大气上界的辐射大气上界的辐射 光谱。光谱。下曲线：下曲线：海平面的辐射光谱。海平面的辐射光谱。可见，被大气各可见，被大气各成分吸收、散射后成分吸收、散射后的光谱，极其不规则。的光谱，极其不规则。第13页，共35页，编辑于2022年，星期六 以下组图，以下组图，a a、黑体辐射；、黑体辐射；b b、整层大气、整层大气 的的吸收谱的的吸收谱;第14页，共35页，编辑于2022年，星期六 c c、11km11km以上大气吸收谱以上大气吸收谱;d d、不同气体的吸收谱、不同气体的吸收谱第15页，共35页，编辑于2022年，星期六 可见，吸收可见，吸收太阳短波辐射太阳短波辐射的主要气体是的主要气体是H H2 2O O，其次其次O O2 2，O O3 3，最少，最少COCO2 2。吸收吸收长波辐射长波辐射的主要气体是的主要气体是H H2 2O O，其次，其次COCO2 2 和和 O O3 3。p37p37 在在8-12m8-12m波段，大气吸收很弱，称波段，大气吸收很弱，称大气透明窗大气透明窗。大气透明窗大气透明窗对地气系统的辐射平衡有十分对地气系统的辐射平衡有十分重要的意义重要的意义：因为地表温度约为因为地表温度约为300K300K，与此温度对应的黑体辐射，与此温度对应的黑体辐射能量主要集中在能量主要集中在10m10m这一范围，而大气对这一波长这一范围，而大气对这一波长范围的辐射少有吸收，故地面发出的长波辐射透过这范围的辐射少有吸收，故地面发出的长波辐射透过这一窗口被送到宇宙空间。一窗口被送到宇宙空间。第16页，共35页，编辑于2022年，星期六 根据以上大气中各种物质对辐射的根据以上大气中各种物质对辐射的 吸收吸收可归纳为：辐射的吸收具有可归纳为：辐射的吸收具有选择性选择性!。不同气体成分的吸收带及吸收强烈程度不不同气体成分的吸收带及吸收强烈程度不 同，因而使穿过大气后的太阳辐射有以下特点：同，因而使穿过大气后的太阳辐射有以下特点：第17页，共35页，编辑于2022年，星期六 、大气对太阳波谱变得极其不规则。、大气对太阳波谱变得极其不规则。、大气主要吸收物质的吸收带位于太阳光谱、大气主要吸收物质的吸收带位于太阳光谱 能量较小的两端。能量较小的两端。大气中主要吸收物质（臭氧和水汽）对太阳辐射的吸收带，大气中主要吸收物质（臭氧和水汽）对太阳辐射的吸收带，都位于太阳辐射波谱两端能量较小的红外线和紫外线区，平流都位于太阳辐射波谱两端能量较小的红外线和紫外线区，平流 层以上主要是臭氧对紫外线的吸收，平流层至地面主要是水汽层以上主要是臭氧对紫外线的吸收，平流层至地面主要是水汽 和二氧化碳对红外线辐射的吸收。和二氧化碳对红外线辐射的吸收。、整层大气整层大气吸收削弱吸收削弱入射太阳辐射能的入射太阳辐射能的20%20%左右。左右。吸收对太阳辐射的减弱作用不是很大，也就是说大气直接吸收吸收对太阳辐射的减弱作用不是很大，也就是说大气直接吸收 太阳辐射并不多，特别是对流层大气，太阳辐射不是它的直接太阳辐射并不多，特别是对流层大气，太阳辐射不是它的直接 热源，地面的辐射和其他能量才是对流层大气的直接热源。热源，地面的辐射和其他能量才是对流层大气的直接热源。第18页，共35页，编辑于2022年，星期六 6.3.2.2 大气对太阳辐射的大气对太阳辐射的散射散射 电磁辐射在遇到大气中的气体分子以及电磁辐射在遇到大气中的气体分子以及 悬浮尘埃、云滴、雨滴、冰粒和雪花等粒子悬浮尘埃、云滴、雨滴、冰粒和雪花等粒子 时，会产生时，会产生散射现象散射现象，使一部分入射波能量，使一部分入射波能量 改变方向，射向四面八方，而原方向的辐射能改变方向，射向四面八方，而原方向的辐射能被削弱。被削弱。第19页，共35页，编辑于2022年，星期六 散射散射并不象吸收那样把辐射能转变为大气内能，并不象吸收那样把辐射能转变为大气内能，而只是改变辐射的方向，并使一部分太阳辐射不而只是改变辐射的方向，并使一部分太阳辐射不 能到达地面。但同时却把整个天空变得明亮起来。能到达地面。但同时却把整个天空变得明亮起来。如果没有大气的散射，即使太阳再光亮耀眼，对如果没有大气的散射，即使太阳再光亮耀眼，对 于地球上的观测者来说，除了能看见闪闪发光的太于地球上的观测者来说，除了能看见闪闪发光的太 阳光外，天空是一片阳光外，天空是一片漆黑漆黑漆黑漆黑。第20页，共35页，编辑于2022年，星期六 散射在电磁波谱上的各个波长都会发生。散射在电磁波谱上的各个波长都会发生。但但散射的强弱和空间分布散射的强弱和空间分布与散射与散射粒子的粒子的 大小大小、入射的波长入射的波长有关。有关。引入尺度参数引入尺度参数=2r/=2r/，r r为散射粒子的半径，为散射粒子的半径，为入射辐射的波长。为入射辐射的波长。下图给出下图给出随随r r，的变化关系：的变化关系：第21页，共35页，编辑于2022年，星期六第22页，共35页，编辑于2022年，星期六 一、一、1,(1,(即即r r),),瑞利散射瑞利散射 空气分子空气分子对太阳辐射的散射为瑞利散射，也叫对太阳辐射的散射为瑞利散射，也叫 分子散射。分子散射。（可见光的波长在（可见光的波长在0.5m0.5m左右，空气分子的左右，空气分子的 大小约大小约1010-4-4mm左右，即左右，即r r）大气对辐射散射削弱作用的强弱取决于气溶胶大气对辐射散射削弱作用的强弱取决于气溶胶 散射粒子的数密度及每个散射粒子的散射截面。散射粒子的数密度及每个散射粒子的散射截面。第23页，共35页，编辑于2022年，星期六 瑞利散射的瑞利散射的体积散射削减系数体积散射削减系数 C C为洛希米德数为洛希米德数,标准状态下标准状态下,C=1.0563*10,C=1.0563*10-30-30m m3 3,k,ksc,sc,的的 单位为单位为m m 1 1。瑞利散射的削减系数与波长的四次方成瑞利散射的削减系数与波长的四次方成 反比，这种散射是有反比，这种散射是有选择性选择性的的:波长越短，散射波长越短，散射削减削减越强！越强！第24页，共35页，编辑于2022年，星期六第25页，共35页，编辑于2022年，星期六第26页，共35页，编辑于2022年，星期六第27页，共35页，编辑于2022年，星期六 例：例：蓝光蓝光470m,470m,红光红光=700m,=700m,则蓝光的散射比红光强则蓝光的散射比红光强9 9倍。倍。蓝光的散射比红光强蓝光的散射比红光强9 9倍，在高空，分子首选倍，在高空，分子首选 紫光，并在高空散射掉了，再选兰光散射，所以，紫光，并在高空散射掉了，再选兰光散射，所以，晴天晴天天空呈蓝色。天空呈蓝色。日出日落时，由于太阳光经历的路途较远，日出日落时，由于太阳光经历的路途较远，紫、蓝光被削减完，到达地平线上空余下黄橙红光，紫、蓝光被削减完，到达地平线上空余下黄橙红光，如果有云，把光线反射过来，形成绚丽的早晚霞。如果有云，把光线反射过来，形成绚丽的早晚霞。第28页，共35页，编辑于2022年，星期六 二、二、0.150 0.150 50 即即(r(r)，几何光学的散射范畴。几何光学的散射范畴。大雨滴大雨滴(1-4(1-4m)m)对可见光的散射就属对可见光的散射就属 于此类。于此类。虹、晕、华等光学现象就是光在雨滴和冰晶虹、晕、华等光学现象就是光在雨滴和冰晶 上发生反射和折射造成的，它们服从几何光学上发生反射和折射造成的，它们服从几何光学 规律。规律。第30页，共35页，编辑于2022年，星期六第31页，共35页，编辑于2022年，星期六第32页，共35页，编辑于2022年，星期六第33页，共35页，编辑于2022年，星期六第34页，共35页，编辑于2022年，星期六 思考题：思考题：、描述到达大气上界的、描述到达大气上界的太阳辐射太阳辐射 、何谓大气透明窗？、何谓大气透明窗？3 3、什么是散射辐射？瑞利散射和米散什么是散射辐射？瑞利散射和米散 射有何不同？射有何不同？第35页，共35页，编辑于2022年，星期六