第二章辐射讲义教材

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1、第二章第二章 辐辐 射射第一节第一节 辐射的基本知识辐射的基本知识一、辐射的基本知识 在自然界中，一切物体都以电磁波和粒子的形式向外放射能量叫辐射。物体通过辐射放出的能量称为辐射能。 辐射具有二重性。辐射的传播过程表现为波动性，而与物质的相互作用则表现为粒子性。 (一)电磁波谱 将各种不同辐射波的波长(或频率)从小到大依次排列成一个谱，这个谱叫电磁波谱。 辐射的波长范围很广，从波长为10微米的宇宙射线到波长达几千米的无线电波,都属于辐射范围。辐射波谱如下图：电磁波谱划分 电磁波的单位一般用微米(m)，纳米(nm)或埃()来量度，它们与厘米(cm)、米(m)之间的关系为： 1m=10-6 m 1

2、 nm=10-9 m 1 =10-10 m = 上式中值等于31010厘米秒-1 (三)辐射能量的基本量度单位 1、辐射通量()：单位时间内通过任一表面的辐射能，单位为瓦(W)或焦耳秒（J/S）。 可表示为：= 太阳的辐射通量为3.90X1026 W。 2、辐射通量密度(F)：单位时间内通过单位面积的辐射能。其单位为瓦米2(Wm2)；可表示为：F= 入射辐射通量密度（辐照度）：指投射来的辐射。 放射辐射通量密度：指自物体表面向外放射的辐射。它表征着物体放射能力的强弱，故称为辐射能力或放射能力(E) 3、辐射强度（I）：指单位时间内与辐射能流方向相垂直的单位面积上得到的辐射能，即与入射光垂直的面

3、上的辐照度。单位为瓦米2(Wm2)。可表示为： I = 4、光通量（ L ）：单位时间通过任一表面上的光能。单位为流明(Lm)。可表示为： dtdELL= 5、光照度(光照强度A)：入射到单位面积上的光通量，单位为勒克斯(或Lmm2)。可表示为：dsLdFA= 勒克斯：它是以1国际烛光的点光源为中心，以一米为半径的球面上所得到的照度。即平方米流明1勒克斯=1 (四)物体对辐射的吸收、反射和透射 1，吸收率（a）、反射率（r）、透射率（d） 投射到物体上的辐射，一般只有一部分被该物体吸收，其余则被该物体反射和透射 吸收率（a）：物体对辐射的吸收的能力。 反射率（r）： 物体对辐射的反射的能力。

4、透射率（d）： 物体对辐射的透射的能力。 设投射到物体上的总辐射能量为Qo；被吸收、反射、透射的量分别为Qa、Qr、Qd。 根据能量守恒原理，则： Qa +Qr+Qd=Qo 将上式两端除以Q0，则得： 式中左边第一项 为吸收率(物体吸收的辐射与投射于其上的总辐射之比)；第二项 ，称为反射率(物体反射的辐射与投射于其上的总辐射之比)；第三项 ，称为透射率(透过物体的辐射与投射于其上的总辐射之比)； 即 a+r+d1 a、r、d变化于0一1之间，当物体完全不透明时，d0，则a+r=1这说明反射率大的物体吸收率小；反之，反射率小的物体，吸收率则大。 物体对辐射吸收、反射和透射的选择性：物体对不同波长

5、的辐射有不同的吸收率、反射率和透射率的特性，称为物体物体对辐射吸收、反射和透射的选择性。（随投射来的波长而变） 2、绝对黑体、灰体 绝对黑体，简称黑体：设有这样一种物体，在任何条件下，对于各种不同波长的辐射的吸收率等于1，即它能吸收射入的全部辐射，这种物体被称为黑体。 灰体：如果某一物体吸收率小于1，但吸收率不随波长而变，即对所有波长来说，吸收率都是小于1的常数，这种物体被称为灰体。二、辐射的基本定律 1、基尔荷夫定律（选择吸收定律） 该定律指出，在一定温度下，任何物体对于某一波长的放射能力与物体对该波长的吸收率的比值，只是温度和波长的函数，而与物体的其他性质无关，即。 e,T表示物体对该波长

6、的放射能力； e,TE,TL，T，T=e 2、斯蒂芬一波尔兹曼定律 该定律指出，黑体的辐射强度(E)与其表面的绝对温度(T)的四次方成正比。即 E= T4 上式中是斯蒂芬一波尔兹曼常数，等于5.67X10-8 瓦 米-2开-4 （W/m2. K4)。例如，太阳表面温度约为6000开，按公式计算，太阳表面的辐射强度应为6.34X107 W.m-2。 3、维恩位移定律 该定律指出，绝对黑体表面辐射具有最大能量的波长( )与该辐射物体表面的绝对温度(T)成反比。即：max =TC 上式中C为常数，等于2897微米开。太阳表面温度约为6000开，它所辐射的具有最大能量的波长为475纳米(nm)即0.4

7、75 m，而地球表面温度平均为300开，它所辐射的具有最大能量的波长则为10000纳米(nm) 即10m。因此，相对地说，气象学中常称太阳辐射为短波辐射，地球辐射为长波辐射。 波长（波长（10103 3纳米）纳米）温度与辐射能分布的关系温度与辐射能分布的关系 一、太阳辐射强度、太阳辐射光谱和太阳常数（一）太阳辐射光谱 太阳辐射:太阳不停地以电磁波和粒子的形式放射出巨大的能量，由这种放射方式传递的能量称为太阳辐射能，简称太阳辐射。太阳是一个炽热的气体球，其表面温度约为6000K，内部的温度更高，一年中整个地球从太阳获得约1.81017瓦的热量，这只是太阳向空间发射能量的22亿分之一，是地球上能量

8、的主要来源。第二节第二节 太阳辐射太阳辐射太阳辐射光谱:太阳辐射能随波长的分布曲线称为太阳辐射光谱。太阳辐射能量分布:绝大部分集中在 0.15-4m之间，占太阳辐射总能量的99。 其中可见光区(0.4 -0.76 m)占总能量的50； 红外线区（大于0.76 m)占43； 紫外线区 (小于0.4 m)占7。 最大放射能波长入max=0.475m即475nm，相当于青光波长。（二）太阳常数太阳常数：在大气上界，当日地位于平均距离(为150106千米)时，垂直于太阳光线的单位面积上，在单位时间内所获得的太阳辐射能量，称为太阳常数，以S0表示，其值约为1360瓦/米2或1382瓦/米2 。 太阳常数

9、的变化范围在1325-1457Wm2之间。 （三）太阳辐射强度由于大气对太阳辐射的减弱，所以地面测得的光照度要比太阳常数小得多。太阳辐射强度：单位时间内投射在垂直于太阳光线的单位面积上的太阳辐射能量，称为太阳辐射强度（），亦称太阳辐射通量密度，其单位采用 /。太阳辐射强度主要由太阳高度角和昼长决定。二、太阳高度角和昼长（一）太阳高度角 太阳高度角(h)：太阳光线与地表水平面的夹角称为太阳高度角（0-90）。 愈小，等量的太阳辐射能光束所散布的面积就愈大。（如下图所示）。 太阳高度角随时间、地点而不同。表现为一天中早晨和傍晚最小，而正午大；一年中冬至最小，而夏至最大，夏季大，冬季小。同时受地理位

10、置的影响。 图中AC面垂直于太阳方向，AB为水平面，h为太阳高度角。太阳高度角随时间、地点而不同，任一地点、任一时间的太阳高度角可用下式计算： sinh=sinsin+coscoscos （1.1） 上 式中：为观测点的纬度，是观测时间的太阳倾角，即太阳直射点的纬度(太阳直射光线与赤道平面之间的夹角)。是太阳时角，就是用角度表示时间。时角是子午圈(指本地经圈)与时圈(太阳所在子午圈)的夹角。时角()，正午为零，上午为负值，下午为正值，每一小时为15。赤道60o N30o N地心北极15o15o15oP2P1时角正午太阳高度角（h） 正午时( =0)的太阳高度角（h）为： 已知(11)式：sin

11、h=sinsin+coscoscos 0，cos01 sinh= sinsin+coscos =COS(-)=sin90- (-) h=90-|-| （1.2）正午时太阳高度角当太阳直射北纬时，为正值，太阳直射赤道，=0时，太阳直射南纬时，为负值，具体数值，可在当年的天文年历中查得。也可用下列近似公式求算： =23.5 sin式中以度为单位，实际是距春分日或秋分日最近的天数。春分日至秋分日取正，否则取负。例：1月20日，距春分日（3月21日）的总天数为60天，应取负值。故=23.5 sin(-60 ) =-20.35春分、秋分、夏至和冬至时的正午太阳高度角（h）： 春分、秋分时太阳直射赤道 ：

12、0, 这时，太阳高度角h=90+0; 夏至时太阳直射北回归线:2327,这时太阳高度角h=90+2327; 冬至时太阳直射南回归线:2327,这时，太阳高度角h=902327例： 已知雅安的纬度为北纬30，试计算出雅安春分、秋分正午太阳高度角；夏至正午太阳高度角；冬至正午太阳高度角。 解：根据（12）式 雅安=30而 正午 =0 （1）春分、秋分时 =0 h=90-（30-0）=60（2）夏至 =2327 h=90-（30-23.5）=83.5（3）冬至 =-2327 h=90-（30+23.5）=36.5 （二）昼长（可照时数）昼长由纬度和季节决定，相同纬度不同季节的昼长不同，反之一样。它是

13、由自转和公转引起的。1、昼夜的形成 由于地球自转，形成昼夜交替。向着太阳的半球，称昼半球，即白昼；背着太阳的半球，称夜半球，即黑夜。昼夜两个半球的分界线叫晨昏线。晨昏线把各个纬圈分成两段弧,处于白天的叫昼弧，处于夜间的叫夜弧，晨昏线则不断地自东向西移动一周，对于地球表面某一点而言，就形成了昼夜交替现象。地球的自转和公转 地球的运动有自转和公转两种。自转就是地球绕地轴自西向东的转动。 、地球在自转的同时，还沿着一条椭圆形的轨道，绕着太阳运动，叫公转，地球公转轨道称为黄道，地球公转一周的时间为365天5时48分46秒，为一年。 、地球距太阳距离：最近的时候，约在每年的1月3日，相距为14700万千

14、米；距太阳最远的时候，约在每年的7月4日，相距为15200万千米。 2、昼夜长短的变化 地球在自转的同时，还沿一定的轨道，绕着太阳公转。地球公转的方向也是自西向东。 （1）地球公转的特点： 其一，地球自转轴与地球绕太阳公转轨道平面保持6633的倾角，故赤道平面和公转轨道平面形成2327的交角； 其二，在公转时，倾角始终保持不变(地轴北端始终指向北极星)，即地轴平行移动。 太阳直射点：在一定时刻太阳光线垂直照射于地球表面只有一点，这一点即为太阳直射点。 （2）形成昼夜长短变化的主要原因：地球公转的特点太阳直射点在地球表面位置的变化晨昏线位置变化昼弧和夜弧的长短变化昼夜长短的变化。 所以，除赤道外

15、，地球表面各地的昼夜长短随季节而变化，如下图所示。 （3）太阳直射点随季节而变化: 夏至日太阳直射在北回归线(约在每年的6月22日)； 冬至日太阳直射在南回归线(约每年的12月22日)； 春分日(约每年3月21日)和秋分日(约每年9月23日)，太阳直射点在赤道上。 总而言之，北半球昼长变化规律可归纳为两条：其一是相同纬度，昼长随季节变化，冬短夏长，春分秋介于二者之间。其二是夏季昼长随纬度升高而加长，冬季昼长随着纬度升高而缩短，春、秋分则不随纬度升高而变。南半球则相反。3、日照长短 （1）可照时数：当天空无云或无其它障碍物遮蔽时，太阳光可以照射地面的时间，称为可照时数。即日出到日落的时间（昼长）

16、。以小时、分为单位。可从理论计算或查气象常用表得到。 cos =-tantan(在0到180之间）上式中为纬度； 为赤纬； 为时角。已知日出日没时=0，sinh=0，可得上式。 可照时数 =152证明春、秋分日全球各纬度昼夜平分。由=0，tan 0 =0，无论为何值均有下面结果：cos =-tantan =0故 =90 又由公式：可得可照时数为290/15=12h，即昼夜平分。同理可证赤道（ =0）附近四季均昼夜平分。可照时数 =152（2）实际日照时数：太阳实际照射地面的时间，称为实际日照时数或简称实际日照。（）光照时间：有光的时间，称为光照时间。即： 光照时间=可照时数+ 曙暮光时间 （4）曙暮光：日出以前和日落以后天空出现的光称为曙暮光。（5）日照百分率：一日（月）的实际日照时数除以同一日（月）的可照时数，称为日照百分率。即：日照百分率=同一日(月)的可照时数一日(月)的实际日照时数 100%可照时间表光照时间表三、太阳辐射在大气中的减弱太阳辐射在到达地面之前，经过大气层时，一部分被大气和云层吸收，一部分被大气体分子和悬浮于空气中的固体和液体微粒所散射，一部分被云层等反射，总能量