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1、 第二章第二章 辐辐 射射辐射的基本知识辐射的基本知识 123太阳辐射 退出4地面和大气辐射 辐射与农业 1 1 辐射的基本知识辐射的基本知识辐射与辐射能辐射与辐射能辐射波谱辐射波谱辐射的基本定律辐射的基本定律一二三一一. .辐射与辐射能辐射与辐射能1.辐射(radiation)物体以电磁波或粒子的形式向外放射能量 的方式叫做辐射，放射的能量叫做辐射能，也 简称辐射。 产生辐射的原因有多种。在气象学中最 重要的是热辐射。热辐射(heat radiation)：辐射的能量和 波长分布都与温度有关的辐射。2.辐射能(radiation energy)根据辐射的粒子学说，电磁辐射由 具有一定质量、能
2、量和动量的粒子组成 。每个粒子称为一个量子或光量子 (quantum)，每个粒子所带的能量与其频 率成正比，或与波长成反比：e=h 或 e=hc/其中h为普朗克常数，h=6.6310-34Js辐射能的量度单位辐射能的量度单位(1)量子数单位根据用每mol（阿伏加德罗常数6.021023)光量 子为单位，1mol光量子称为Ei. (2)辐射通量密度单位时间、单位面积上通过的辐射能量称为辐 射通量密度，单位是J/sm2或/m2 。 (3)光照度物体单位时间发射或接收的光能称为光功率， 单位为流明(lm)，被照射物单位面积上所接受的光 功率，称为光照度，单位为勒克斯(lx)。对波长为0.550m的辐
3、射，1瓦特=683流明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 设投射到某一物体上的辐射能为，被 该 物体吸收(absorption)Qa，反射(reflection)Qr ，透射(transmission) Qt，根据能量守恒定律 ，应有: QaQrQtQ用a、r、t分别表示上式左边的三项， a、r、t 分别称为吸收率（absorptivity) 、反射率（ reflectivity)和透射率（transmissivity)即： art1 黑体和灰体黑体和灰体 物体的a、 r、t 这三个量是随波长而变的。如果某种物质对任何波长的辐射的吸收率 都等于1，则这种物体就叫做
4、绝对黑体（ absolute black body） 。如果物体对某种波长 的吸收率为1，则这种物体对该种波长为黑体 （black body）。如果某种物质对任何波长的辐射的吸收率 都为一个常数，而不随波长变化，则这种物质 就叫做灰体（gray body） 。二、辐射波谱二、辐射波谱(radiation spectrum)(radiation spectrum)辐射具有波、粒二象性。辐射能量 按波长的分布就是电磁波谱。从理论上来说，辐射的波长可以 从0到，但可以测出的辐射的波长范 围约为10-10 到1010m，见下表。 波波谱谱谱谱名称名称 X X射射线线线线 射射线线线线紫外紫外线线线线
5、可可见见见见光光 红红红红外外线线线线 无无线电线电线电线电 波波 波波长长长长范范围围围围 ( (mm) ) 1010-8-81010-2-21010-7-71010-4 -4 1010-4-40.4 0.4 0.40.40.76 0.76 0.760.7610103 310103 3101010101. 1.普朗克（普朗克（plankplank）定律）定律绝对黑体对任一波长的辐射能力(即单 位波长内的辐射通量密度)是它表面温度T的 函数。可用下式表示：三三. .辐射的基本定律辐射的基本定律式中c是真空中的光速(c=2.997925108m/s)，k为 玻尔兹曼(Boltzmann)常数(k
6、=1.38062 10-23 J/K )，h 为普朗克常数(h=6.6262 10-34Js)。根据根据PlankPlank定律计算的黑体辐射定律计算的黑体辐射波长温度根据根据PlankPlank定律计算的黑体辐射定律计算的黑体辐射温度波长根据根据PlankPlank定律计算的黑体辐射定律计算的黑体辐射波长温度根据根据PlankPlank定律计算的黑体辐射定律计算的黑体辐射波长温度根据根据PlankPlank定律计算的黑体辐射定律计算的黑体辐射根据根据PlankPlank定律计算的黑体辐射定律计算的黑体辐射不同温度下绝对黑体的热辐射不同温度下绝对黑体的热辐射绝对黑体辐射的特点绝对黑体辐射的特点
7、任何温度下都发射波长为0的 辐射,但发射能力随温度迅速变化 ，每一温度条件下都有一辐射相 对集中的波段；在一定温度下，绝对黑体都有一 辐射最强的波长，称绝对黑体辐 射最大值所对应的波长，用max 表示。2.2.基尔霍夫（基尔霍夫（KirchhoffKirchhoff）定律）定律任意物体的在某一温度T时对波长发射能 力E(,T)与绝对黑体的发射能力EB(,T)之比称 为该物体的发射率T：T E(,T) EB(,T) 基尔霍夫定律：任何物体在某一温度T时对波长 的辐射的发射率与对同一波长辐射的吸收率相 等。即：T aT 由此可得 E(,T)= aT EB(,T)由基尔霍夫定律可知：1)辐射能力强的
8、物体，其吸收能力 也强。反之亦然。2)对同一物体，在一定温度条件下 ，如果它辐射某一波长的辐射， 则它也必然也吸收这种波长的辐 射。 E(,T)= aT EB(,T)3.3.斯蒂芬斯蒂芬- -波尔兹曼波尔兹曼( (Stefan-Boltzmann)Stefan-Boltzmann)定律定律绝对黑体的总放射能力与其表面温度的四 次方成正比。即：ETB=T4其中E为绝对黑体表面的总放射能力，T为绝对 黑体的表面温度，为斯蒂芬波尔兹曼常数， 其值为5.6710-8 W/m2K4。S-B定律可由Plank定律积分求得：4.4.维恩（维恩（WeinWein）定律）定律 绝对黑体辐射能力最大值所对应的波
9、长max与绝对黑体的绝对温度T成反比，即 ：maxTC其中C为维恩常数，当波长以m为单位时 ，其值为2897mK。2 2 太阳辐射太阳辐射太阳辐射光谱和太阳常数太阳辐射光谱和太阳常数太阳辐射在大气中的衰减太阳辐射在大气中的衰减日地关系日地关系到达地面的太阳辐射到达地面的太阳辐射地面对太阳辐射的反射地面对太阳辐射的反射一二三四五一一. . 太阳辐射光谱和太阳常数太阳辐射光谱和太阳常数1. 1. 太阳辐射太阳辐射 光谱光谱在大气上在大气上 界测得的太阳界测得的太阳 辐射与根据辐射与根据 PlankPlank公式计算公式计算 的的6000K6000K的绝的绝 对黑体辐射的对黑体辐射的 光谱能量分布光
10、谱能量分布 非常相似。非常相似。太阳辐射光谱的能量分布太阳辐射光谱的能量分布大气上界太阳辐射能大气上界太阳辐射能99%99%集中在集中在 0.15 4m0.15 4m 其中：其中： 紫外线区：紫外线区： 0.76m, 0.76m, 占有占有43%43% 可见光部分能量所占比例最大，辐射能量最大可见光部分能量所占比例最大，辐射能量最大 值对应的波长为：值对应的波长为： maxmax = 0.475m= 0.475m2. 2. 太阳常数太阳常数( (Solar Constant, Solar Constant, R RSCSC) ) 在日地平均距离时，在大气上界垂直于在日地平均距离时，在大气上界垂
11、直于太阳光线的平面上，单位时间单位面太阳光线的平面上，单位时间单位面积接受的太阳辐射量。积接受的太阳辐射量。 R RSCSC=1367Wm=1367Wm-2-2二、太阳辐射在大气中的衰减二、太阳辐射在大气中的衰减太阳辐射在大气中要受到大气的吸收、 散射和反射作用，到达地面后明显减弱。吸收太阳辐射的物质：主要是吸收太阳辐射的物质：主要是O O2 2，O O3 3，COCO2 2，H H2 2O O等等l lO O2 2吸收吸收 0，地面能量的收入大于 支出。日出后(1- ) (Rsb+Rsd)逐渐增大， Re也随 之增大，到正午前半小时达最大值，然后逐渐 减小。夜间： (1- ) (Rsb+Rs
12、d) =0， Rn= -Re 0Rn由负值转为正值的时间，大约出现在日出后 一小时左右；由正值转为负值的时间，大约出 现在日落前一小时左右。地面净辐射各分量的日变化地面净辐射各分量的日变化辐射通量密度W/m2时间(h)地面净辐射地面净辐射的年变化的年变化(Annual variation (Annual variation of terrestrial net radiation)of terrestrial net radiation)地面净辐射的年变化与太阳总辐射的年 变化大致相同，主要取决于太阳高度角和可照 时间。一般来说，最大值出现在6月，最小值出 现在12月。但在季风气候区则不一定。
13、净辐射年总量随纬度升高面减小。纬度较 高的地区，冬季有一段时间为负值，纬度越高 ，负值时间越长。在中国，39以南全年Rn为 正。地面热量收支地面热量收支地面获得的净辐射： Rn= (1- ) (Rsb+Rsd)-Re净辐射将转换成热能，用于以下方面：感热(Sensible heat)通量(H)：即通过湍流热交换传给 大气；潜热(Latent heat)通量(LE): 即蒸发（蒸腾）耗热量；土壤热通量(G)：即从地面传到土壤的热通量。因此有地面热量平衡方程：Rn= H+LE+G三、地三、地- -气系统的辐射平衡气系统的辐射平衡4 4 辐射与农业辐射与农业各种光谱成份与植物各种光谱成份与植物植物群
14、体中的辐射状况植物群体中的辐射状况光照强度和时间对植物的影响光照强度和时间对植物的影响提高光能利用率的途径提高光能利用率的途径一二三四红外线红外线易被地面和植物吸收，提高植物体的温度，促进蒸易被地面和植物吸收，提高植物体的温度，促进蒸 腾作用腾作用; ;其中波长其中波长11 mm的对植物伸长、控制开花和的对植物伸长、控制开花和 果实颜色等方面有一定作用。果实颜色等方面有一定作用。其中其中0 0. .78780 0. .80m80m的的 远红外光，对光周期及种子形成有重要作用远红外光，对光周期及种子形成有重要作用。 可见光可见光 参与光合作用参与光合作用 紫外线紫外线合成维生素；促进营养物质的吸
15、收；对色素形成有重合成维生素；促进营养物质的吸收；对色素形成有重 要作用；要作用；成形作用：抑制徒长；促进分枝成形作用：抑制徒长；促进分枝波长波长0.320.32 mm的辐射对植物有害甚至能杀死植物。的辐射对植物有害甚至能杀死植物。1. 不同光谱对植物的作用一、各种光谱成份与植物2. 2. 光合有效辐射光合有效辐射PARPAR定义：定义：能能被植物叶绿素吸收，并用来进行光合作被植物叶绿素吸收，并用来进行光合作 用辐射，叫做光合有效辐射用辐射，叫做光合有效辐射 ( (PhotosyntheticallyPhotosynthetically Active Radiation) Active Rad
16、iation)。 波长范围：波长范围：0.4 0.4 0.70m0.70m 计算方法：计算方法：PAR=0.43RPAR=0.43Rsbsb+0.57R+0.57Rsdsd植物群体中的辐射分布非常复杂，与群 体的叶面积指数、叶片大小、叶片倾角、叶 片的空间排列等因素有关。对叶片随机分布的植物群体，冠层中的 任一层的光分布遵从以下关系：二、植物群体中的辐射状况其中Rs和R0分别是群体顶部和叶层中的 辐射强度，L为该叶层以上的叶面积指数， k为群体消光系数。k与叶片的倾角、排列方 式、太阳高度角等因素有关。1. 光照强度对植物的影响 在一定的光照强度范围内，光合作用随光照 强度的增加而增加； 但超
