《第二章节辐射能幻灯片》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第二章节辐射能幻灯片（86页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第二章 辐射能 (Radiant energy or Solar radiation),本章主要内容：,1、熟悉辐射的基本概念、辐射的基本特征量、辐射的基本定律； 2、掌握太阳辐射强度、太阳高度角、太阳辐射光谱、太阳常数的概念、计算及应用； 3、了解大气对辐射的吸收、辐射在大气中的减弱规律，理解太阳直接辐射的日变化和年变化规律； 4、理解和掌握日照时间长短的概念及变化规律； 5、了解光合有效辐射、地面有效辐射的概念； 6、掌握光合作用强度、光补偿点、光饱和点、植物光周期现象的概念及它们在农业生产上的应用。,第一节 辐射的一般知识 (Basic knowledge of radiation),一
2、、辐射的概念(concept of radiation) 1、定义：物体以电磁波或粒子的形式 放射或输送能量的过程。 2、辐射的波动性：电磁波谱 电磁波按波长不同顺序排列，称为电磁波谱。 * = 3 * 108ms-1,0.4 0.76,10,波长(m),10-5 10-4 10-3 10-2,可见光 红外线 无线电波,电磁波谱的划分,射线,紫外线,大气辐射,X射线,太阳辐射,可见光中各色光的波长范围,碳原子,3、辐射的粒子性,粒子（量子）的概念：微观世界的某些物理量不能连续变化而只能以某一最小单位的整数倍发生变化，这些最小单位就称为该量的量子。 如电子是量子， 每个量子的能量为： E = h
3、 * h=6.63*10-27尔格.秒,h为普朗克常数 h 6.62610-34Js 1焦耳（J）107尔格,4、辐射的度量和单位 辐射通量（F）、辐射通量密度（E） 辐射通量：单位时间通过任意面积上的辐射能量。 单位：Js-1 或 W 或 (mol s-1),辐射通量密度（E）及单位,定义：单位面积上的辐射通量。,单位： Js-1m-2或Wm-2或mol m-2 s-1,E=dF/(ds.dt),辐射通量密度又被称为辐射强度、辐射能力或放射能力。,光通量、光通量密度、照度,光通量及单位,定义：表征辐射通量而产生光感觉的量。,单位：流明（lm）,光通量密度及单位,定义：单位面积上的光通量。,单
4、位：流明/米2（lmm-2）,照度及单位,定义：单位面积上接受的光通量。,单位： lx，音译为勒克斯，1 lx=1 lmm-2,二、物体对辐射的吸收、反射和透射 (The absorption,reflection and transmission of object on radiation),物体对辐射的吸收、反射和透射能力，分别以吸收率a、反射率 r 、和透射率 t 来表示。 根据能量守恒原理： 可得出 a + r + t = 1,物体对辐射的吸收、反射和透射,吸收率(a) ： a=Qa/Q,反射率(r) ： r=Qr/Q,透射率(d) ： d=Qd/Q,讨论：,（1）a + r + t
5、 = 1 给出了物体的吸收率a、 反射率 r 、和透射率 t 之间的定量关系， 而且, 0 a 1， 0 r 1， 0 t 1 （2）不同的物体，其a、 r、 t 各不相同， 它们分别随物体性质的改变而变化。 （3）同一物质，对不同波长的辐射，其 a、 r、 t 也各不相同，这种性质，称为 物体对辐射的选择性吸收、反射和透射。,a、r、d的变化,黑体：对于投射到该物体上所有波长的辐射都能全部吸 收的物体称为绝对黑体。故有：,a，rd。,灰体：透射率d，吸收率a（r），且a不随波 长而变化的物体。,三、辐射的基本定律 (Basic laws of radiation),定义：a = 1 的物体为
6、黑体， a = const 1 的物体为灰体。 1、斯蒂芬-波尔兹曼定律 E = T4 = 5.67 * 10-5尔格.厘米-2 . 开-4 意义：黑体表面的辐射强度E，与其表 面绝对温度 T 的4次方成正比。,2、维恩位移定律,max = c/T C=2.898*10-1 厘米.开 意义：物体的温度愈高，它向外放出 辐射光谱中具有最大能量所对 应的波长愈短。,0 10 20 30 40 50 60 70 m,不同温度的黑体辐射能量曲线,35 28 21 14 7,能量,不同温度下黑体辐射强度与温度的关系,意义,物体的温度愈高，放射能量最大值的波长愈短，随着物体温度不断增高，最大辐射 波长由长
7、向短位移。,太阳辐射是短波辐射，地 面和大气辐射 是长波辐射。,第二节 大气上界的太阳辐射 (Solar radiation on upper atmosphere),一、太阳的光源来源(The source)： 氢原子的聚合反应 4 ( H ) ( 4 He ) + 2 ( + e ) + 能量,二、日地关系 (The relationship between the sun and the earth),1、地球的公转运动： 公转轨道为一椭圆、公转一周 的时间为一年。 2、地球的自转运动： 绕地轴旋转，自转一周为一天。,3、地轴与地球公转轨道面的交角为66.5， 且地球在公转过程中，地轴方
8、向保持不变。 4、太阳直射地球的位置（直射点），用太 阳赤纬来表示。它在数值上与当地的 地理纬度相等。 -23.5 23.5 (N),冬季,夏季,春季,秋季,90,三、太阳高度角 h (Solar elevation angle),1、定义：太阳光线与地平面之间的夹角，称为太阳高度角。 规定： 0 h 90 ,h,2、太阳高度角的计算方法,某地（ ）、某日（ ）、某时（ t）的太阳高度角为： Sin h =Sin Sin +Cos Cos Cos t 特别地， t = 0 时， h = 90 - + ,太阳直接辐射强度的变化,太阳直接辐射强度,四、昼夜形成和日照长短 (The cause of
9、 day and night and the sunshine duration),1、昼夜形成 昼：受光的半球 夜：背光的半球 2、日照时间长短 （1）日照时间：日出到日落的时间。,冬季,夏季,春季,秋季,（2）昼夜长短随季节（时间）、纬度的变化,对北半球（ ） 0 (N) 夏半年（ 0 ，22/322/9） 各地日照时数均 12小时，且纬度愈高，日照时间愈长，北极圈以内为永昼。 冬半年（ 0 ，23/921/3） 各地日照时数均 12小时，且纬度愈高，日照时间愈短，北极圈以内为永夜。,（3）春分日和秋份日， =0 ，太阳直射赤道，全球各地日照时间均为 12小时。 （4）赤道上， =0 ，全
10、年的日照时间均为 12小时。,日照时数简表（各月15日值。单位：小时）,五、太阳常数(Solar constant) So,当日地处于平均距离时 , 在地球大气上界 , 垂直于太阳光线方向 , 单位时间内单位面积上接收到的太阳辐射能 ,就称为太阳常数 , 记为So So .6卡.厘米分 1367 W . m-2 = 1.4 . 105 Lux (lx),S0,So .6卡.厘米分 1367 W . m-2 =1.4 . 105 Lux (lx),90,六、太阳辐射光谱(spectrum),能量相对值 100,100 200 400 600 800 1000 1500 2000,波长（nm）,8
11、0 60 40 20 0,红外线,可见光,紫外线,第三节 太阳辐射在大气中的减弱 (Decrease of solar radiation through the atmosphere),一、大气对太阳辐射的吸收 (Atmospheric absorption on solar radiation) 1、O3和O2的吸收 O3：吸收0.20.32 m的紫外辐射， O2：吸收小于0.2 m的远紫外辐射。 2、水汽的吸收（包括云层） 吸收最强在0.932.85 m,3、CO2的吸收,主要吸收4.8 m附近的辐射 大气共吸收了太阳辐射的19， 其中： O3和O2吸收3 水汽吸收13 CO2吸收3,二
12、、大气对太阳辐射的散射 (Atmospheric scattering on solar radiation),1、散射的概念 （1）定义：光束在媒介中传播时，部分光线偏离原传播方向而分散传播的现象。 （2）引起散射的原因： 媒质密度不均匀 媒质中存在其它物质的微粒,2、散射定律,根据散射质点直径D和入射辐射的波长的相对大小，把散射分为： 分子散射和粗粒散射 （1）当 D，称为分子散射； 此时，单个微粒的散射辐射强度与波长的4次方成反比。 （2）当 D，称为粗粒散射 散射质点对各波长辐射的散射能力一致。,三、太阳直接辐射的光谱成分 (Spectrum component of direct b
13、eam solar radiation),不同太阳高度角时，可见光中各色光的能量分布（占可见光总能量的百分数）,四、天空散射辐射的光谱成分 (Spectrum component of sky scattering radiation),天空散射辐射能量分布与太阳高度角的关系（能量百分比）,太阳高度角（ ）,五、大气对太阳辐射的反射 (Atmospheric reflection on solar radiation),云层的平均反射率约为50%，其中： 高云的反射率为25% 中云的反射率为50% 低云的反射率为65%,第四节 到达地面的太阳辐射 (The solar radiation of
14、 reaching earths surface),一、到达地面的太阳辐射能量 1、大气量 m 当h=90 时， 定义大气层的厚度 为一个大气量 ， 且 m=1 当太阳高度角为h时 定义： m = 1/sinh = csch,h,m=1,2、大气透明系数 p (Atmospheric transparent coefficient),定义:太阳辐射穿过一个大气量后的太阳 辐射强度S1与大气上界的太阳常数S0 之比，称为大气透明系数。 即 p = S1 / S0,3、太阳辐射穿过 m大气量后，到达 垂直于太阳光线表面上的太阳 辐射强度 S m,由 p = S1 / S0 S1 =S0p p = S2 / S1 S2 = S1 p =S0p2 由数学归纳法可得： S m = S0 p m,4、到达水平面上的太阳直接辐射 强度与太阳高度角的关系,S= S sinh = S0 p m sinh,S =S0 p m,c,b S a,h,5、太阳直接辐射强度的变化,太阳直接辐射强度,二、天空散射辐射强度 D D = S0 (1- p m )sinh / 2,三、太阳总辐射强度 Q Q = S + D
