农业气象学经典课件――辐射

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1、第二章 辐射,辐射的基本知识 太阳辐射 地面和大气辐射 辐射与农业,辐射是以电磁波的形式向外放散的。是以波动的形式传播能量。,2.1辐射的基本知识 一、辐射的基本概念,自然界中的一切物体,只要温度在绝对温度零度以上,都以电磁波的形式时刻不停地向外传送热量,这种传送能量的方式称为辐射。物体通过辐射所放出的能量，称为辐射能，简称辐射。,波！,粒！,波粒两象性！,2、光量子（quantum),1、光谱,例：0.4m是可见光中的蓝紫光，它的每个光量子所含能量是多少？,普朗克第一定律：,其中：h普兰克常数,它等于6.6310-34J.S，c光速=3108m/s，波长 (m)。 从公式看出：波长越短,e就

2、越大，即：波长超短，每个光量子所带的能量越多。,e=hc/=6.6310-34J.S3.0108m/s /0.4106m =4.9710-19J,爱因斯坦和爱因斯坦值： 采用爱因斯坦值“E”作为光量子所携带的能量，即1mol光量子，也叫1个爱因斯坦（6.021023个光量子）所携带的能量E =e6.021023。1个爱因斯坦指的是6.021023个光量子数。,2.自然界物体辐射特性,辐射通量密度(radiation)：,物体在单位面积上单位时间内发射或吸收、反射、透射的辐射能量，单位W/m2或J.m-2.s-1。,吸收率(absorptivity)：,反射率(reflectivity)：,透射

3、率(transmissivity)：,其中,如物体不透明则,5） 关于黑体(a=1)和灰体(a 1),3. 光合有效辐射（PAR） 太阳辐射中对植物光合作用有效的光谱成分称为光合有效辐射。 PAR是Photosynthetically Active Radiation 的英文缩写。PAR的波长范围在0.40.7m,与可见光基本重合。,PAR占太阳直接辐射的比例随太阳高度角的增加而增加，最高可达45%。 而在散射辐射中，光合有效辐射的比例可达60%70%之多， 所以多云天反而提高了PAR的比例。 平均起来，光合有效辐射占太阳总辐射的50%比较合理。,在光合有效辐射波长范围内，决定植物光化学反应的

4、不是叶片吸收了多少辐射能量，而是吸收了多少辐射光量子个数Ei或Ei。按光化学原理，一个分子吸收一个光量子，可以引起一个分子的化学反应。即要使1 mol的化合物起反应，则需要吸收1 Ei（爱因斯坦）的光量子。 因此，在研究辐射与植物光合作用的关系时，实验所用观测仪器宜采用光量子辐射仪，其单位宜采用光量子通量密度较合理。近年来一些学者作了大量的有关“不同波长光量子光合产量测定”的科学实验，并从量子理论的角度加以证明后，建议采用光合光量子通量密度（Ei/(m2s)或Ei/(m2s）表示被植物光合作用利用的辐射光量子数。,光量子 叶绿体 光合产量的多少与作物所吸收的辐射能的多少无关,而与作物所吸收的光

5、量子个数有关。 为了解植物光合作用的强弱进行的辐射强度的测量仪器要测的是在光合有效辐射即（0.40.7m波段）的光量子数，个数越多，说明光合作用越强。 测PAR要用光量子仪测出光量子个数，测光照强度要用照度仪测出辐射能强弱。,CO2H2O (CH2O)nO2,不同光谱成份对植物的作用是不同的。各种波长对植物的作用如下： 1). 波长1.0m的辐射，被植物吸收转化为热能，影响植物体温和蒸腾，可促进干物质积累，不参加光合作用。 2). 1.00.7m的辐射，只对植物伸长起作用，其中0.700.80m称远红外光，控制开花与果实的颜色。 3). 0.70.6m的红光、橙光可被叶绿素强烈吸收，光合作用最

6、强。 4). 0.60.5m的光,主要为绿光,低光合作用与弱成形作用。森林反射绿光而呈绿色。 5). 0.50.4m的光主要为蓝、紫光，被叶绿素和黑色素强烈吸收，次强光合作用。 6)波长0.400.32m的紫外辐射起成形和着色作用，如使植物变矮、颜色变深、叶片变厚等。 7). 波长0.320.28m紫外线对大多数植物有害。 8). 0.28m的远紫外辐射可立即杀死植物。,俄国科学家基尔霍夫（Kirchhoff）发现：在自然界中，在一定温度下，物体对某波长的吸收率等于该物体在同温度下对该波长的发射率。,二、辐射的基本定律,1.基尔霍夫定律,黑体吸收能力最强，那么它的反射能力就最弱,解释：为什么冬

7、季化雪融冰要往地上一些撤土？,表中发射率是相对而言。,表2.7不同下垫面的发射率,A.长波,B.短波,C.任意波长,思考并讨论：,2. 普兰克第二定律,式中：h是普兰克常数6.6310-34（J.s），c是光速3108m/s，K是波尔兹曼常数1.3810-23(J/k)。,黑体发射辐射分布定律,1）T越高，曲线下面积越大，发出的总辐射就越多；,从右图可看出：,2）发射辐射波长峰值（即在这一波长发出的辐射通量密度最大）随T下降向右偏移，即随温度降低，发射辐射的波长峰值就越长。,普朗克定律说明：某物体，当温度一定(如：太阳6000K，地球平均为288K)，它是可以发出不同波长的辐射的；当给定一个波

8、长后，就可计算出此物体在这个温度下，所发出的这个波长的能量是多少。,思考和讨论： 太阳和地球的辐射光谱曲线关系如何？,讨论并判断：,(1).太阳辐射是短波辐射，地球辐射是长波辐射。,地球发射的0.1 3.0 m的短波辐射Ee,(2）.太阳发出的长波辐射比地球的长波辐射少。,0,计算并思考,1.地表发射波长为0.1 m 、0.4 m 、3.0 m、10.0m和100m的光量子个数及光量子通量密度？ 波长 量子个数 通量密度Ei.m-2.s-1 /mol.m-2.s-1 0.1 2.3233*10-180 3.8592*10-198 / ？ 0.4 9.2324*10-20 1.5336*10-3

9、7 / ？ 3.0 3.5984*1024 5.9775*106 / ？ 10 3.4351*1027 5.7062*109 / ？ 100 3.1048*1025 5.1757*107 / ？,物体所发出的所有波长的能量进行积分就得到物体在一定温度下发出的总辐射能量。即,积分结果：,3. 斯第芬波尔兹曼定律：,是斯第芬波尔兹曼常数5.6710-8J/( m2.s.k4)。,EBT=T4,作业1：求太阳和地球发射的辐射通量密度(W/m2）？,ET的单位为W/m2，是辐射通量密度单位。,如物体是灰体，则公式前加得： ET=T4,已知：太阳半径696105Km，T=6000K，1.0； 地球平均半

10、径6.37103Km，T=288K，0.95。,太阳： ET=T4 = 5.6710-8 （6 103）4 7.35 107 （W/m2）,地球： ET=T4 = 0.95 5.6710-8 2884 3.7 102 （W/m2）,作业2.求太阳和地球一天（24小时）发射的 辐射能量（KJ）？,太阳一天发射辐射能： E=7.35 107 24 3600 4 3.14 （6.96 108）23.86 1028 （KJ）,地球一天发射辐射能： E=3.7 102 24 3600 4 3.14 （6.37 106）21.63 1019 （KJ）,即当 时，有极大值出现。,4. 维恩位移定律：,用求极

11、大值的方法，对普朗克定律的求导,T的单位用K，得到max单位为m。,并得到公式：,max=2897/T,作业2：求人体发射辐射的波长峰值？,T=273+32K,max=2897/T 9.48m,为远红外（长波）,太阳发射辐射峰值：,max=0.48 m,短波,地球发射辐射峰值：,max=10.06 m,长波,作业 1：分别求算太阳和地球发射辐射的波长峰值？,三、判断 1.在相同能量下,波长越长的光实际所含光量子个数越多。（） 2.某物体对长波辐射反射率高，则它对短波辐射的发射率就高。 （）,课后练习题,一、名词解释 1.辐射 2.辐射通量密度 3.基尔霍夫定律 4.黑体/灰体 5.斯蒂芬波尔兹

12、曼定律 6.维恩位移定律,二、填空 1. 长波辐射和短波辐射的波长范围分别为和 。太阳辐射中99%为 辐射。 2.光合有效辐射（PAR）约占太阳总辐射的 ，PAR的波长范围是 ，其中光合作用最强和次强的波长分别是和 。,四、计算题,1.二个无限长的平板互相平行，中间是真空的。墙1发出的辐射通量密度是350W/m2,墙2的发射率=0.85，一红外辐射表对着墙2测到的辐射通量密度是577 W/m2 ，问墙2的温度是多少？（50） 2.某灰体的发射率是0.7，发射峰值是4m ，求其发射辐射通量密度是多少？如果此物是一个半径为1.0m的球体，求每秒从它表面散失的热能是多少？（137.2KJ） 3.一个

13、红外辐射表测地板辐射为460 W/m2 ，但实际地板本身只发出300 W/m2 ，已知地板发射率为0.6，天花板发射率为0.9，问此时天花板的温度是多少？(24.5),2.2 太阳辐射 一、太阳和地球 太阳：恒星，是炽热气体球，半径=696105Km，是地球半径的109倍，表面温度为6000 K 地球：行星，扁球体，表面平均温度288 K左右, 赤道半径6378.140公里,极半径6356.755公里 平均半径6371.004公里,二、日地关系 地球绕太阳公转，公转轨道（即黄道） 近日点=1470万公里（1月3日） 远日点=1520万公里（7月4日） 平均距离=1496万公里（4月3日，10月

14、5日） 地球只接收到太阳辐射极窄一束光，所以投射到整个地球上的太阳辐射，可以近似作平行光处理！,到达地球表面的太阳辐射占太阳总辐射的比例有多大？ 为什么说只有一束平行光到达地表？,1.太阳发射辐射通量密度,2.太阳表面1s发射的辐射能,3.到达以日地距离d为半径的球面1s受到的太阳辐照能,4.到达此球面的太阳辐射通量密度 5.受光照射的半个地球1s得到的太阳辐射能 6.地表得到的太阳辐射占太阳总辐射的比例 地表只接收到太阳辐射的亿分之四，所以投射到整个地球上的一束太阳光，可以近似作平行光处理。,三、四季的形成 地球围绕太阳公转时地轴始终和公转轨道（黄道）平面保持66.33的倾角，所以地球始终斜

15、着自转,因而一年中太阳有时直射北半球有时直射南半球。,太阳直射点在南北纬度23.5之间变化，南北23.5的纬圈叫南北回归线。 地球上太阳直射点所处纬度叫赤纬，并用表示，所以太阳赤纬在南北23.5上变化。 在北半球取正值，南半球为负。 如夏至6月22日（北）=+23.5,冬至12月22日（南）=-23.5，春分3月21日和秋分9月23日太阳直射赤道，则=0,地球上某地获得的太阳辐射能与什么有关？ a)与太阳高度角h b)与太阳照射时间长短,a)太阳高度角h 指太阳能入射方向与地平面间夹角。直射时90，斜射90。直射时单位地表面积所获辐射能最多。 由公式计算： sinh =sinsin+cosco

16、scos15(t-12) 纬度 太阳赤纬 t地方时（正午为12，124h）,b) 太阳照射时间 可照时数：即白昼时间。昼越长获得的太阳辐射就越多。,例如：北京=40N 求：1）6月22日夏至中午12时h及日长=？ ， 2）12月22日冬至中午12时h及日长=？ ， 3）3月20日春分和9月23日秋分，中午12时h及日长 =？,解：=234 ， h =737，日长=15：00 =-235 ，h =261，日长=9：22 =02， h =495，日长=12：30,对于我国各省而言： “长夏无冬，秋去春来”福建、两广、台湾四省“四季皆夏”海南省“长冬无夏，春秋相连”黑龙江省 四季交换明显的是长江中下游地区,到达地面的辐射包括两部分： RS =RSb +RSd,四、太阳辐射RS ( Solar Radiation ）,0.154 m占全部