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1、1,子曰：“温故而知新，可以为师矣。”,气温与压强,1,热力作用下的高压与低压,2,近地面的“热低压”与“冷高压”现象,3,还有什么典型的天气现象？,5,Isidoro Orlanski,4,时间尺度和空间尺度,5,27,7,8,8,海风 陆风,9,第三章 太阳的力量,10,11,11,问题： 大气热机的“热”从何而来？,内燃热机,12,蒸汽热机,12,13,Google-Earth,嫦娥5号试验器拍摄,14,3.1 辐射（radiation）,15,16,太阳,太阳的半径是6.96 x 105 km, 距地球的平均距离是1.5108 km. 太阳中心温度高达1500万K，这是氢核反应的结果（
2、氢聚变生成氦)。 太阳表面的温度大约是5800K. 太阳表面经常出现黑色的斑点， 直径可达5倍地球直径那么大。 太阳黑子有11年的活动周期。,（约地球110倍）,16,17,太阳能量,太阳以两种方式向外放射能量（物质）。 电磁波（光波）的方式，该部分是加热地球大气的能量。 磁流体（Plasma）的方式发射粒子（离子和电子），也就是太阳风，这一部分也会导致地球大气发生变化。的速度：450公里/秒,17,18,辐射和电磁波,在辐射传输的过程中，能量可以从一个物体输送到另一个物体，而它们之间的空间并不必要被加热。 电磁波的能量以波动的形式在空间传播。 电磁辐射的传播速度为一普适恒量c，即光速。 电磁
3、波具有波粒两相性，即不但具有波动的一般特性，如反射，折射，衍射，干涉等，还具有微粒性。,18,19,热传导(conduction),The transfer of heat from molecule to molecule within a substance is called conduction. 热传导总是把热量从高温处传向低温处 热传导系数,19,20,电磁波谱,电磁波按其频率或波长的排列构成电磁波谱。整个波谱包含宽广的频率范围，可分为许多分支区段。,20,21,3.2 辐射和温度,任何物体，只要温度不是绝对温度零度，都在辐射着电磁波，同时也吸收着从四面八方传播过来的电磁波, 物体
4、通过辐射过程与周围环境交换着能量。 某种物体可能吸收某些波长或波段的电磁波，同时它也发射这些波长或波段的电磁波, 这就是 Kirchhoff 定律。每一种物体对不同波长电磁波的吸收能力大小构成该物体的电磁波谱。,21,22,Kirchhoff定律,Gustav Kirchhoff (1824-1887): 德国物理学家，26岁时成为University of Breslau的教授, 对能量辐射、电学和光谱学做出了巨大贡献，发现了铯和铷元素（与Bunsen合作）。 基尔霍夫 Kirchhoff定律指出，对于某一波长来说，如果一个物体是好的吸收体，同时也是好的发射体，差的吸收体也是差的放射体。,2
5、2,23,温度(temperature),绝对温度(Kelvin)，摄氏温度(Celsius) 华氏温度(Fahrenheit)。 华氏温度早在1700年由G.Daniel Fahrenheit 提出，他把当时用冰和盐水混合所得到的最低温度定为 0 度，水结冰的温度为 32 度，水沸腾的温度为 212 度。这样，从水的冰点到沸点均匀地划分180份。,23,24,温度的换算,摄氏温度是18世纪提出来的，它把水的冰点定为0度，沸点定为100度。 绝对温度是从热力学的研究中导出来的，Kelvin 提出在分子热运动完全停止时物体的温度应该是 -273.150 C 这应该是绝对的0度。,24,25,黑体
6、和灰体(black and grey body),黑体:如果某种物体对所有波长的辐射都有完全的吸收能力，即对任何波长，吸收系数均为100%。这种物体就称为黑体。 自然界并不存在真正的黑体，只能是一种理想的物体(我们可以制造出一些十分接近要求的理想黑体)。 如果某种物体，对所有波长的辐射都有相同的吸收能力，即对任何波长，吸收系数均为某一(小于1的)常数,这种物体就称为灰体。,25,26,Stefan Boltzmann定律(1879),对Planck公式在各个波段进行积分，我们可以得到用Stefan Boltzmann 定律 (辐射通量密度E),它描述的是黑体向外辐射的总能量与温度的关系,Jos
7、eph Stefan（1835-1893），奥地利物理学家，28岁时成为 维也纳大学的教授，开创了分子扩散理论，在辐射方面也做出了 巨大贡献。 Ludwig Boltzmann（1844-1906），奥地利物理学家，对气体 运动理论和统计力学做出了重要贡献。,26,27,Wien定理表明，温度越高的物体，物体的最大辐射能量所对应的波长越短。,Wien 定理（1893）,Wilheim Wien（1864-1928）， 德国物理学家，由于发现了Wien 定理于1911年获得了Nobel Prize。,27,28,Planck定理 (1900),由于黑体对所有波长的辐射都吸收，因此它在所有的波长都
8、辐射。黑体的辐射率可以用 Planck 定理来描述。,Max Planck (1858-1947): 德国物理学家，是Helmholtz和Kirchhoff的学生，在27和31岁时分别成为University of Kiel和University of Berlin的教授。对量子理论的发展做出了巨大的贡献。1918年获得Nobel Prize。,28,29,太阳和地球的辐射波长峰值,太阳的表面温度大致是 6000 K(5770 K)，其辐射的峰值波长是 0.55 m（微米，10-6m）。地球的温度大致是 288K，其辐射的峰值波长是 10 m。 在大气科学中，常把太阳辐射称为短波辐射，把地球辐
9、射称为长波辐射。 短波辐射的大概范围是从0.2 m 到 4.0 m，长波辐射的范围是从 4.0 m 到 20 m。,29,30,太阳和地球的辐射波谱,30,31,太阳波谱及其辐射能量所占的比重,31,32,太阳的辐射通量,太阳的辐射温度是5800 K，太阳半径6.96 x 105 km,根据Stefan Boltzmann 定律，我们得到 太阳表面的辐射强度（通量）为E太阳=6.4107W/m2。 那么在到达地球时，太阳的辐射通量(太阳常数S0)可以通过下面的公式求出:,32,33,地球接收太阳的短波辐射， 放出红外长波辐射,33,34,3.3 大气层的加热过程,大气的温室效应,温室效应来自地
10、球大气中某些气体的选择吸收特性。这些温室气体对太阳的短波辐射几乎没有吸收，让它达到并加热地面，而对长波辐射则有很强的吸收，使地面发出的长波辐射无法离开地球大气,使地面温度升高。,35,36,温室气体的吸收谱,主要的温室气体有： H2O、CO2、 O3、 N2O、CH4、CFCs 。 温室气体在太阳辐射的主要波段必需透明，即吸收系数很小。以上气体都满足这一要求。 温室气体应当在地面辐射的波段有吸收，上面的这几种气体也都有。但注意，没有一种气体对所有的长波辐射都吸收掉的，只是对其中某些波段有吸收。 由于地面发射的长波辐射的峰值波长是 10 m，因此那种气体对 10 m附近有强的吸收，它引起温室效应的效率就比较高。,36,
