农业气象学辐射.pptx
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1、会计学1农业气象学辐射农业气象学辐射第一节第一节 辐射的基本辐射的基本知识知识一、辐射与辐射能一、辐射与辐射能二、辐射的基本定律二、辐射的基本定律第1页/共75页一、辐射与辐射能一、辐射与辐射能 辐射:自然界中的一切物体,只要它的辐射:自然界中的一切物体,只要它的绝对温度绝对温度在零度以上,在零度以上,都要以都要以电磁波电磁波的形势向外放射能量,这种放射能量的的形势向外放射能量,这种放射能量的 方式称为方式称为辐射辐射。辐射能:辐射能:辐射能:辐射能:通过辐射传输的能量称为通过辐射传输的能量称为辐射能辐射能,也简称,也简称辐射辐射。辐射辐射是能量传播的方式之一,也是是能量传播的方式之一,也是太
2、阳能太阳能传输到地球的唯一途径。传输到地球的唯一途径。第2页/共75页辐射光谱辐射光谱电磁波的波长范围:波长为电磁波的波长范围:波长为1010-10-10 mm的宇宙射线的宇宙射线 长达几公里的无线电波。长达几公里的无线电波。气象学:气象学:太阳、地球和大气辐射的波段太阳、地球和大气辐射的波段,它们仅仅是电磁波的一部分。它们仅仅是电磁波的一部分。它的波长主要集中在它的波长主要集中在 0.15-120 0.15-120 mm之间。之间。太阳辐射的波长范围:太阳辐射的波长范围:0.15 4 0.15 4 mm ;地面、大气辐射的波长范围:地面、大气辐射的波长范围:3 120 3 120 mm。习惯
3、上,把太阳辐射称为习惯上,把太阳辐射称为短波辐射短波辐射;地球表面和大气辐射为地球表面和大气辐射为长波辐射长波辐射。以。以4 4 mmmm为它们的分界线为它们的分界线第3页/共75页第4页/共75页 1.1.电磁辐射的特点:电磁辐射的特点:电磁辐射具有波动性和粒子性二象性。电磁辐射具有波动性和粒子性二象性。电磁波可用波长()、频率()来表示;电磁辐射是由许多具有一定质量、能量和动量的微粒组成。这些微粒称为量子或光量子(quantum)。每个量子所具有的能量e(energy)与其频率成正比,波长成反比 h=6.6310h=6.6310-34-34JsJs,plancks constantplan
4、cks constant第5页/共75页波长波长0.200.200.400.400.500.500.760.761.601.60频率频率1515101014147.57.5101014146.06.0101014143.953.95101014141.81.810101414每个光量子每个光量子能量能量(J)(J)10101010-19-195 51010-19-194 41010-19-193.643.641010-19191.251.251010-19-19不同波长光量子的能量不同波长光量子的能量阿付加德罗常数:6.02*1023第6页/共75页2.2.辐射的度量辐射的度量 a.a.辐射通
5、量辐射通量(F)(F):单位时间内通过任一表面的辐射能为辐射通量。:单位时间内通过任一表面的辐射能为辐射通量。F F为辐射通量,单位:为辐射通量,单位:J sJ s-1-1 或或 w(w(瓦瓦)b.b.辐射通量密度辐射通量密度(E)(E):单位时间、单位面积上发射或吸收的辐射能。:单位时间、单位面积上发射或吸收的辐射能。空间某一面积空间某一面积dsds上的辐射通量为上的辐射通量为dFdF,E E为辐射通量密度,单位:为辐射通量密度,单位:w/mw/m2 2 (瓦(瓦/米米2 2)第7页/共75页3.3.物体对辐射的吸收、反射和透射物体对辐射的吸收、反射和透射物体吸收的辐射与投射于其上的辐射之比
6、,称为吸收率物体吸收的辐射与投射于其上的辐射之比,称为吸收率a(absorptivity)a(absorptivity);物体反射的辐射与投射与其上的辐射之比,称为反射率物体反射的辐射与投射与其上的辐射之比,称为反射率r(reflectivity)r(reflectivity);物体透过的辐射与透射与其上的辐射之比,称为投射率物体透过的辐射与透射与其上的辐射之比,称为投射率t(transmissivity)t(transmissivity)第8页/共75页 物体对不同波长的辐射有不同的吸收率、反射率和透射率,物体对不同波长的辐射有不同的吸收率、反射率和透射率,这种特性称为这种特性称为物体对辐射
7、的吸收、反射和透射的选择性物体对辐射的吸收、反射和透射的选择性。如果有一物体,在任何温度下,对任何波长的入射辐射能的吸收如果有一物体,在任何温度下,对任何波长的入射辐射能的吸收率都等于率都等于1 1,这种物体称为,这种物体称为绝对黑体绝对黑体(black body)(black body)如果有一物体,在任何温度下,对任何波长的入射辐射能的吸收率为如果有一物体,在任何温度下,对任何波长的入射辐射能的吸收率为小于小于1 1的常数,并且不随波长改变,这种物体称为的常数,并且不随波长改变,这种物体称为灰体灰体(gray body)(gray body)第9页/共75页二、辐射的基本定律二、辐射的基本
8、定律二、辐射的基本定律二、辐射的基本定律基尔霍夫定律基尔霍夫定律基尔霍夫定律基尔霍夫定律、普朗克定律普朗克定律普朗克定律普朗克定律、斯蒂芬斯蒂芬斯蒂芬斯蒂芬-波尔兹曼定律波尔兹曼定律波尔兹曼定律波尔兹曼定律、维恩定律维恩定律维恩定律维恩定律1.1.基尔霍夫基尔霍夫(Kirchhoff)(Kirchhoff)定律定律在一定温度下,物体的辐射能力与吸收率之间关系的定律。在一定温度下,物体的辐射能力与吸收率之间关系的定律。在一定温度在一定温度T T下,物体对某波长下,物体对某波长 的吸收率的吸收率 T T等于该物体在同温度等于该物体在同温度下对该波长的发射率下对该波长的发射率 T T。第10页/共7
9、5页2.2.普朗克普朗克(Planck)(Planck)定律定律 1900 普朗克根据辐射过程具有量子特性的假设,导出了与试验相符合的普朗克公式,求出了黑体辐射能力黑体辐射能力与黑体的温度及波长黑体的温度及波长的关系。EB(Black)是绝对黑体发射的单位波长辐射通量密度,单位:W/m2 m 理论上,任何温度的绝对黑体都发射波长0-微米的辐射,温度为6000k的能力比288k的物体大;(0.17-4m)(3.3-50m)每一温度下,黑体都有一个辐射较强的波长,称为这个温度下发射的辐射峰值(max)。第11页/共75页3.3.斯蒂芬斯蒂芬-波尔兹曼波尔兹曼(Stefan-Boltzmann)(S
10、tefan-Boltzmann)定律定律 1879 物体的发射能力是随温度、波长而改变的。物体的发射能力是随温度、波长而改变的。随着温度升高,黑体对各波长的发射能力都相应地增强。随着温度升高,黑体对各波长的发射能力都相应地增强。黑体的黑体的总辐射能力总辐射能力(E)(E)与表面的绝对温度与表面的绝对温度(T)(T)的四次方成正比。的四次方成正比。是斯蒂芬-波尔兹曼常数;=5.67*10-8 w/m2k4非黑体或灰体的辐射总能量:对全波长进行积分第12页/共75页4.4.维恩维恩(Wein)(Wein)定律定律 1893 黑体辐射能力最大值所对应的波长黑体辐射能力最大值所对应的波长(max)ma
11、x)与黑体的绝对温度与黑体的绝对温度(T)(T)成反比。成反比。max是T(k)温度下的辐射峰值,单位:m太阳发射的辐射峰值:约0.47m ;温度为300K的物体所发射的辐射峰值:9.7 m第13页/共75页4.4.维恩维恩(Wein)(Wein)定律定律 1893 黑体辐射能力最大值所对应的波长黑体辐射能力最大值所对应的波长(max)max)与黑体的绝对温度与黑体的绝对温度(T)(T)成反比。成反比。max是T(k)温度下的辐射峰值,单位:m太阳发射的辐射峰值:约0.47m ;温度为300K的物体所发射的辐射峰值:9.7 m第14页/共75页第二节第二节 太阳辐射太阳辐射一、太阳辐射光谱和太
12、阳常数一、太阳辐射光谱和太阳常数二、太阳辐射在大气中的衰减二、太阳辐射在大气中的衰减三、到达地面的太阳辐射三、到达地面的太阳辐射四、地面对太阳辐射的反射四、地面对太阳辐射的反射第15页/共75页1.1.太阳辐射光谱太阳辐射光谱 太阳辐射中太阳辐射中辐射能辐射能按波长的分布,称为太阳辐射光谱。按波长的分布,称为太阳辐射光谱。太阳辐射峰值:约太阳辐射峰值:约0.470.47 m m 可见光的青光部分可见光的青光部分 太阳辐射主要集中在可见光部分太阳辐射主要集中在可见光部分 (波长范围为(波长范围为0.4-0.760.4-0.76 mm)太阳辐射能的分布可见光(04-0.76)占50%红外区(0.7
13、6)占43%紫外区(04)占 7%一、太阳辐射光谱和太阳常数第16页/共75页2.2.太阳常数太阳常数当日地距离为平均值,在被照亮的半个地球的大气上界,垂直于太阳光线,当日地距离为平均值,在被照亮的半个地球的大气上界,垂直于太阳光线,每秒每平方米的面积上,获得的太阳辐射能量称为太阳常数。每秒每平方米的面积上,获得的太阳辐射能量称为太阳常数。用用Rsc(Solar Constant)Rsc(Solar Constant)来表示。来表示。太阳常数:太阳常数:1367 W/m1367 W/m2 2 一切有关太阳辐射的问题,都以这个数为参数。第17页/共75页二、太阳辐射在大气中的衰减二、太阳辐射在大
14、气中的衰减太阳辐射通过大气层后到达地面。大气对太阳辐射有一定的吸收吸收、散射散射和和反射反射作用,使投射到大气上界的太阳辐射不能全部到达地表面,大气上界的大气上界的太阳辐射太阳辐射第18页/共75页太阳辐射通过大气层到达地面时,大气中的水汽、氧、臭氧、二氧化碳及固体杂质等物质选择吸收一定波长的太阳辐射能。1.1.大气对太阳辐射的吸收大气对太阳辐射的吸收水汽:最强烈吸收的波段是 0.93-2.85 m的红外区,太阳辐射可减弱为4-15%。氧:吸收波长小于0.2 m的紫外线,还少量吸收可见光区。O3:强烈吸收 0.2-0.3 m的紫外线。CO2:仅对红外区2.7 m和4.3 m附近 有较强的吸收带
15、。第19页/共75页2.2.太阳辐射的散射太阳辐射的散射太阳辐射通过大气时,遇到空气分子、尘粒、云雾滴等质点,都要产生散射现象。散射只是改变辐射的方向,使太阳辐射以质点中心向四面八方传播,使原来传播方向上的太阳辐射减弱。第20页/共75页在散射过程中,太阳辐射遇到的散射质点的直径(在散射过程中,太阳辐射遇到的散射质点的直径(如空气分子如空气分子)比入射辐射的波长要短,则对入射辐射中波长较短的辐射的散射强。比入射辐射的波长要短,则对入射辐射中波长较短的辐射的散射强。(雷利散射,(雷利散射,Rayleigh)Rayleigh)当大气中的水汽、尘粒等杂质较少时,主要是空气分子散射,太 阳辐射中波长较
16、短的蓝紫光被散射得多,所以晴朗的天空是蔚蓝色蔚蓝色。日出、日落时,因光线通过大气的路程长,可见光中波长较短的光被 散射殆尽,所以,太阳看上去呈桔红色桔红色。当空气污染较严重或存在较多的雾粒或尘埃等杂质时,一定范围的长 短波都同样地被散射,使天空呈灰白色灰白色。第21页/共75页第22页/共75页3.3.大气云层及颗粒物对太阳辐射的反射大气云层及颗粒物对太阳辐射的反射大气中的云层和较大颗粒的尘埃,能将部分太阳辐射反射到宇宙空间。其中,云的反射作用最明显。云的反射能力取决于云状和云层厚度。云层厚、云量越多,反射作用愈大。高云反射率 25%中云反射率 50%底云反射率 65%太阳辐射的衰减作用方式中
17、 反射作用最为重要,尤其是云层的反射作用最明显。其次为散射作用,吸收作用最小。第23页/共75页三、到达地面的太阳辐射三、到达地面的太阳辐射太阳辐射受到大气层衰减后,以两种方式到达地面。太阳辐射受到大气层衰减后,以两种方式到达地面。一是以平行光线的形式直接投射到地面,称之为一是以平行光线的形式直接投射到地面,称之为太阳直接辐射太阳直接辐射。R Rsbsb(Direct beam solar radiation)(Direct beam solar radiation)二是经过质点散射后,自天空各个方向投射到地面上的,称为二是经过质点散射后,自天空各个方向投射到地面上的,称为散射辐射散射辐射。R
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