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1、第二章 电磁辐射与地物光谱特征电磁辐射与太阳辐射 大气组成及大气对辐射的影响 典型地物的光谱特征电磁波（electromagnetic wave)：在真空或物质中通过电磁场的振动而传输电磁能量的波。光波、热辐射、微波、无线电波等都是由振源发出的电磁振荡在空间的传播。什么是电磁波电磁辐射电磁波的波粒二象性v波动性1860年麦克斯韦（C.Maxwell)提出光是电磁波 的理论。v粒子性1900年,普朗克（Max.Planck)提出了辐射的量 子论，1905年，爱因斯坦（Albert.Einstein)将量 子论用于光电效应之中，提出光子理论。麦克斯韦 （1831-1879）普朗克 （1858-19
2、47）爱因斯坦 （1879-1955）波动性粒子性电磁波的性质 v 粒子性Plancks quantum theory:把电磁波作为粒子对待时，能量: Q = hfh, Planks constant (6.626 * 10-34 Js)能量越大，波长越短，粒子性越强，直线性越强。 电磁波的性质 振幅 (A) 波长 (lambda, l) 周期 (T) 频率 (f=1/T), 单位：赫兹(HZ),表示1秒内波传播的次数 波速 (v) 波动性电磁波的性质 真空中，光速=c=2.998*108m/s 传播来道小题吧假设光速是 3x108 m/s. 如果电磁波的 频率是500,000 GHz (GH
3、z = gigahertz = 109 /s), 波长是多少？(m). 电磁波谱划分射线 小于10-6m X射线 10-610-3m 紫外线10-33.8*10-1m电磁波谱划分射线 小于10-6m X射线 10-610-3m 紫外线10-33.8*10-1m电磁波谱划分紫 0.380.43 蓝0.430.47 青0.470.5 绿0.50.56 （m） 黄0.560.59 橙0.590.62 红0.620.76电磁波谱划分近红外 0.76 m3m 中红外 3m 6m 远红 外 （热红 外） 6 m 15 m 超远红 外15 m 1000m电磁波谱划分微波 1mm1m 超短波1m10m 中波和
4、短波10m3000m 长波大于3000m辐射能量辐射能量 QQ电磁辐射是具有能量的，它表现在：电磁辐射是具有能量的，它表现在： 使被辐照的物体温度升高使被辐照的物体温度升高 改变物体的内部状态改变物体的内部状态 使带电物体受力而运动使带电物体受力而运动辐射能量（辐射能量（QQ）的单位是焦耳（的单位是焦耳（J J）辐射量的定义 辐射通量辐射通量 (radiant flux) (radiant flux) 在单位时间内通过的辐射能量称为辐射在单位时间内通过的辐射能量称为辐射 通量：通量：= Q/ Q/ t t辐射通量（辐射通量（）的的单位是瓦特单位是瓦特= =焦耳焦耳/ /秒秒 （W=J/SW=J
5、/S）辐射量的定义 辐射通量密度辐射通量密度 (irradiance) E(irradiance) E、(radiant (radiant exitanceexitance) M) M单位面积上的辐射通量称为辐射通量密度：单位面积上的辐射通量称为辐射通量密度：E E辐照度辐照度= = / / A MA M辐射出射度辐射出射度= = / / A A辐射通量密度辐射通量密度的的单位是瓦单位是瓦/ /米米 （W/mW/m ）辐射源辐射源辐照度辐照度辐辐 射射 出出 射射 度度被被辐照物辐照物辐射体辐射体法向法向辐射量的定义 辐射强度辐射强度 (radiant intensity) I(radiant
6、 intensity) I辐射强度是描述点辐射源的辐射特性的，指辐射强度是描述点辐射源的辐射特性的，指 在某一方向上单位立体角内的辐射通量：在某一方向上单位立体角内的辐射通量：I=I= / / 辐射强度（辐射强度（I I）的的单位是瓦单位是瓦/ /球面度（球面度（W/SrW/Sr）辐射强度辐射强度点点辐射源辐射源辐射量的定义 分谱辐射通量分谱辐射通量辐射通量是波长辐射通量是波长 的函数，的函数，单位波长间隔内单位波长间隔内 的辐射通量称为分谱辐射通量：的辐射通量称为分谱辐射通量： = = / / 分谱辐射通量分谱辐射通量的的单位是瓦单位是瓦/ /微米（微米（W/W/mm） 1 1- - 2 2
7、间隔内的间隔内的 (1 1- - 2 2)? )? 总辐射通量总辐射通量 ？辐辐 射射 通通 量量波长波长辐射量的定义 辐射亮度辐射亮度 (radiance) L(radiance) L单位面积、单位波长、单位立体角内的辐射单位面积、单位波长、单位立体角内的辐射 通量称为辐射亮度：通量称为辐射亮度：L=L= / / A A 辐射亮度（辐射亮度（L L）的的单位是瓦单位是瓦 / / 米米 微米微米 球面度球面度 （W/mW/m SrSr）亮度亮度 L L面辐射源面辐射源立体角立体角 A A图中出射辐射亮度是多少？图中出射辐射亮度是多少？辐射量的定义 小小 结结辐辐 射射 度度 量量 一一 览览
8、表表辐辐辐辐射量射量符号符号定定义义义义单单单单位位辐辐辐辐射能量射能量QQ焦耳焦耳(J)(J)辐辐辐辐射通量射通量 (2)(2) Q/ Q/ t( t( ) )瓦瓦(W)(W)辐辐辐辐照度照度E E (2)(2) / / A (A ( ) )瓦瓦/ /米米 (W/m(W/m) )辐辐辐辐射出射度射出射度MM (2)(2) / / A (A ( ) )瓦瓦/ /米米 (W/m(W/m) )辐辐辐辐射射强强度度I I (2)(2) / / ( ( ) )瓦瓦/ /球面度球面度(W/Sr)(W/Sr)辐辐辐辐射亮度射亮度L L 2(3)2(3) / / A A ( ( ) ) 瓦瓦/ /米米 球面
9、度球面度 (W/m(W/m Sr) Sr)辐射量的定义 分谱？分谱？分谱辐射通量分谱辐射通量分谱辐照度、分谱辐射出射度分谱辐照度、分谱辐射出射度分谱辐射强度分谱辐射强度 分谱辐射亮度分谱辐射亮度“ “分谱分谱” ”两字可以忽略两字可以忽略辐射量的定义 基本辐射量总结：基本辐射量总结：表征辐射的物理量很多：能量、通量、密度、强度、表征辐射的物理量很多：能量、通量、密度、强度、亮度，以及谱（分谱）亮度，以及谱（分谱）需要注意的是：需要注意的是：文献中的称谓不尽相同，关键看单位文献中的称谓不尽相同，关键看单位最重要的是密度（辐照度）和亮度最重要的是密度（辐照度）和亮度凡是涉及面积的都要注意使用法向面
10、积，即凡是涉及面积的都要注意使用法向面积，即coscos 11/11电磁波的来源黑体 吸收100%恒星和太阳可看做接近黑体电磁波的来源 普朗克公式计算黑体的辐射通量密度其中：h, Planck 常数，6.63*10-34Js c, 光速 k = 1.3806*10-23JK-1, Boltzmann常数 T, 绝对温度Wm-2mm-1电磁波的来源 普朗克定律的简化形式其中：C1=3.7418*10-18Wm2 C2=1.4388*10-2mKWm-2mm-1电磁波的来源 Stefan-Boltzmann定律与普朗克公式相关的定律 如果不是黑体？M 灰体辐射通量 Mb同温度黑体辐射通量 发射率开
11、动脑筋例1已知太阳表面的辐射出 射度M=6.284*107W/m2,求 太阳的有效温度和太阳光谱 中辐射最强波长 例2已知氧化铜的表面温度 为1000k，吸收率为0.7，求 这时该物体的总辐射出射度 M。电磁波的来源 与普朗克公式相关的定律 Wiens displacement lawlmaxT = bb = 2897.8 mmKlmaxTWein Displacement Law shows that as temperature increases, the wavelength of maximum emission decreases电磁波的来源 v太阳波谱从可见光到近红外，太阳辐射能
12、量大约占80%, 而99%的能量在0.17 4 mm太阳常数太阳常数在日地平均距离处通过与太阳光束垂直的单在日地平均距离处通过与太阳光束垂直的单 位面积上的太阳辐射通量称为太阳常数。位面积上的太阳辐射通量称为太阳常数。E E0 0= 1353(21) W/m = 1353(21) W/m2 2 (1976, NASA)(1976, NASA)电磁波的来源 v地球能量谱1020 30 40 50102030Wm-2mm-14.6225mm, 5.52Wm-2mm-1l, mm3 mm处，太阳：26.57，地球：0.18 6 mm处，太阳：2.08，地球：16.24 8 mm处，太阳：0.69，地
13、球：28.49电磁波的散射和吸收电磁波的散射和吸收当电磁波在介质中传播时，会发生散射当电磁波在介质中传播时，会发生散射(scattering)(scattering)和吸收和吸收(absorption)(absorption)，其中散射又其中散射又分为反射分为反射(reflection)(reflection)和透射和透射(transmission)(transmission)。透射透射反射反射入射入射电磁波与介质的相互作用电磁波与介质的相互作用反射率反射率 以以比例形式表征的反射辐射强度，反射率为比例形式表征的反射辐射强度，反射率为反射辐射与入射辐射之比：反射辐射与入射辐射之比： = = M
14、Mr r/ M / Mi i透射率透射率 ？ 吸收率吸收率 ？反射率、透射率反射率、透射率、吸收率之间的关系：吸收率之间的关系： + + = + + = ？大气垂直结构Troposphere(对流层) Stratosphere(平流层) Mesosphere(中间层) Thermosphere(热层)各层的顶部分别为： Tropopause、 Stratopause、 Mesopause、 Thermopause, 大气组成及大气对辐射的影响大气组成对流层 邻近地表的一层。厚度最薄，大气质量80%，水汽90%。 低纬：1618km; 中纬：1012km; 高纬：79km.特点： a.温度随高度
15、增加不断下降，平均6.5C/km，一切的天 气变化 (水汽，云,降水)都发生在该层。 b. 垂直方向空气运动激烈。大气组成平流层从对流层顶到5055km。约20%大气质量，水汽少，臭 氧(1040km)丰富，气体密度低，分子动能大。特点： a.2032km, 同温层。 b. 同温层之上，温度随高度增加而增加，到平流层顶 温度停止增加。 c.无垂直运动，稳定，导致气溶胶可以停留很长时间 。大气组成热层从中间层顶到几百公里。 特点： a.密度很低，温度约5002000K。 b. 又称电离层，反射无线电波。 c.没有固定的化学组成。中间层从平流层顶到8085km。 特点： a.温度递减 b. 化学组成非常均匀，压力很低。 c.中
