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1、1Ch02、辐射和大气的能量平衡辐射和大气的能量平衡1.太阳和太阳的能量太阳和太阳的能量2.电磁波和辐射电磁波和辐射3.辐射和温度辐射和温度4.大气温室效应大气温室效应5.地球和大气对太阳辐射的散射和反射地球和大气对太阳辐射的散射和反射6.外界强迫导致辐射收支不平衡外界强迫导致辐射收支不平衡阅读：阅读：Meteorology Today，第，第2和和3章章21、太阳的能量太阳的能量n驱动和加热地球大气的能量来源于太阳；能量驱动和加热地球大气的能量来源于太阳；能量自太阳传送至地球是通过辐射过程实现的，本自太阳传送至地球是通过辐射过程实现的，本章我们将学习能量的辐射以及大气中的热量平章我们将学习能
2、量的辐射以及大气中的热量平衡。衡。n虽然地球中心的温度很高，但地热可以忽略不虽然地球中心的温度很高，但地热可以忽略不计，这与木星和土星不同，这些巨大的行星本计，这与木星和土星不同，这些巨大的行星本身也具备一定的能源（身也具备一定的能源（木星如果再大一些，它木星如果再大一些，它将可能成为一个太阳将可能成为一个太阳）。）。3太阳的能量太阳的能量n太阳距地球的距离是太阳距地球的距离是1.5108KM.n太阳中心温度高达太阳中心温度高达15百万度，这百万度，这是氢核反应的结果（氢聚变生成氦是氢核反应的结果（氢聚变生成氦)。n太阳表面的温度大约是太阳表面的温度大约是6000oC.n太阳表面京城出现黑色的
3、斑点，也太阳表面京城出现黑色的斑点，也就是太阳黑子，直径可达就是太阳黑子，直径可达5倍地球倍地球直径那么大，可能是强磁场活动的直径那么大，可能是强磁场活动的结果。黑子周围很亮的地方释放较结果。黑子周围很亮的地方释放较高的温度。高的温度。n太阳黑子有太阳黑子有11年的活动周期。年的活动周期。4太阳表面的火焰可延伸数十万公里太阳表面的火焰可延伸数十万公里5太阳辐射太阳辐射n粗略地讲，太阳以两种方式向外放射能量（物粗略地讲，太阳以两种方式向外放射能量（物质）。一种是以电磁波（光波）的方式，该部质）。一种是以电磁波（光波）的方式，该部分是加热地球大气的能量，这将是本章的重点；分是加热地球大气的能量，这
4、将是本章的重点；n另一部分是以磁流体（另一部分是以磁流体（Plasma）的方式发射）的方式发射粒子（离子和电子），也就是太阳风，这一部粒子（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。这里，我们将分也会导致地球大气发生变化。这里，我们将简单地讨论这一部分。简单地讨论这一部分。6极光现象极光现象n由于极高的温度和剧烈的碰撞，太阳大气的离子（电子）将获得极高的由于极高的温度和剧烈的碰撞，太阳大气的离子（电子）将获得极高的速度，从而脱离太阳的引力而逃向太空，这些粒子流被称之为太阳风。速度，从而脱离太阳的引力而逃向太空，这些粒子流被称之为太阳风。n强烈的太阳风与地球磁场发生作用，使得
5、朝着太阳的一面磁场被压缩，强烈的太阳风与地球磁场发生作用，使得朝着太阳的一面磁场被压缩，背向太阳的一面的磁场被拉伸。太阳风粒子与高层大气分子发生作用，背向太阳的一面的磁场被拉伸。太阳风粒子与高层大气分子发生作用，原子被激发产生可见光，这种光被称为极光（原子被激发产生可见光，这种光被称为极光（Aurora）。）。7磁极和地极并不重合磁极和地极并不重合n因为磁力线在南北极穿越因为磁力线在南北极穿越地球，太阳发射的粒子沿地球，太阳发射的粒子沿磁力线运动，易于和磁极磁力线运动，易于和磁极附近的大气分子发生作用，附近的大气分子发生作用，所以，极光通常发生在靠所以，极光通常发生在靠近极地的区域，但极光出近
6、极地的区域，但极光出现的区域与地理极圈并不现的区域与地理极圈并不重合。重合。n极光出现的高度大约在极光出现的高度大约在80-150KM。82、辐射和电磁波辐射和电磁波n辐射过程是物体以电磁波形式发射或吸收能量，辐射过程是物体以电磁波形式发射或吸收能量，简称辐射。在辐射传输的过程中，能量可以从简称辐射。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。间并不必要被加热。这和热传导不同。这和热传导不同。n电磁波是随时间变化的电磁场其能量以波动的电磁波是随时间变化的电磁场其能量以波动的形式在空间传播。在没有实物媒质存在时，
7、电形式在空间传播。在没有实物媒质存在时，电磁辐射的传播速度为一普适恒量磁辐射的传播速度为一普适恒量c c，即光速。，即光速。电磁辐射具有波动的一般特性，如反射，折射，电磁辐射具有波动的一般特性，如反射，折射，衍射，干涉等，它也具有微粒性，它的辐射能衍射，干涉等，它也具有微粒性，它的辐射能是量子化的。是量子化的。9热传导热传导nThe transfer of heat from molecule to molecule within a substance is called conduction.n热传导总是把热量从高温处传向热传导总是把热量从高温处传向低温处低温处n热传导中单位时间传递的热量
8、与热传导中单位时间传递的热量与二点的温度梯度成正比，比例系二点的温度梯度成正比，比例系数称为热传导系数。数称为热传导系数。n热传导系数反映了各种不同物体热传导系数反映了各种不同物体热传导的能力。热传导的能力。10电磁波谱电磁波谱n电磁波按其频率电磁波按其频率或波长的排列构或波长的排列构成电磁波谱。整成电磁波谱。整个波谱包含宽广个波谱包含宽广的频率范围，可的频率范围，可分为许多分支区分为许多分支区段。段。11电磁波的速度电磁波的速度n尽管各种波长的电磁波有许多不同的特性，但尽管各种波长的电磁波有许多不同的特性，但它们的传播速度是一样的。在真空中，其速度它们的传播速度是一样的。在真空中，其速度为为
9、3030万公里万公里/秒。秒。n在各种不同介质中，电磁波有不同的传播速度。在各种不同介质中，电磁波有不同的传播速度。其中其中 m m 为介质的折射率，是由介质的物理特为介质的折射率，是由介质的物理特性决定的。性决定的。12光的波粒二相性光的波粒二相性n从电磁波的粒子模型来考虑，电磁波可以从电磁波的粒子模型来考虑，电磁波可以看作一束粒子流，一个个粒子叫做光子。看作一束粒子流，一个个粒子叫做光子。每个光子携带有一定的辐射能，其大小与每个光子携带有一定的辐射能，其大小与其振动频率成正比。因此频率越高的电磁其振动频率成正比。因此频率越高的电磁波，每个光子所携带的能量越大波，每个光子所携带的能量越大(E
10、=h)。n波长很短的电磁波，例如波长很短的电磁波，例如 X X射线和紫外线，射线和紫外线，它们每个光子所携带的能量很大，对人体它们每个光子所携带的能量很大，对人体或生物会有伤害。或生物会有伤害。133、辐射和温度辐射和温度n任何物体，只要温度不是绝对温度任何物体，只要温度不是绝对温度 0 度，都在辐射着电磁波。同度，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。这一物体就这样通过时也吸收着从四面八方传播过来的电磁波。这一物体就这样通过辐射过程与周围环境交换着能量。辐射过程与周围环境交换着能量。n根据物体的性质，并不是所以波长的电磁波都能吸收。某种物体根据物体的性质，并不是所以波长的
11、电磁波都能吸收。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。这就是段的电磁波。这就是 Kirchhoff 定律定律。每一种物体对不同波长电。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。磁波的吸收能力大小构成该物体的电磁波谱。n该定律指出，对于某一波长来说，如果一个物体是好的吸收体，该定律指出，对于某一波长来说，如果一个物体是好的吸收体，他同时也是好的发射体，差的吸收体也是差的放射体（严格地讲，他同时也是好的发射体，差的吸收体也是差的放射体（严格地讲，该定律仅适用于气体）。该定律仅适用于气体
12、）。Gustav Kirchhoff(1824-1887):德国物理学家，德国物理学家，26岁时成为岁时成为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（与贡献，发现了铯和铷元素（与Bunsen合作）。合作）。14黑体和灰体黑体和灰体n如果某种物体，对所有波长的辐射都有完全如果某种物体，对所有波长的辐射都有完全的吸收能力，即对任何波长，吸收系数均为的吸收能力，即对任何波长，吸收系数均为100%100%。这种物体就称为。这种物体就称为黑体黑体。n自然界并不存在真正的黑体，因此黑体只能自然界并不
13、存在真正的黑体，因此黑体只能是一种理想的物体。我们可以制造出一些十是一种理想的物体。我们可以制造出一些十分接近要求的理想黑体。分接近要求的理想黑体。n如果某种物体，对所有波长的辐射都有相同如果某种物体，对所有波长的辐射都有相同的吸收能力，即对任何波长，吸收系数均为的吸收能力，即对任何波长，吸收系数均为某一常数。这种物体就称为某一常数。这种物体就称为灰体灰体。15Planck定理定理由于黑体对所有波长的辐射都吸收，因此它在所有的波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辐射能量。黑体的辐射可以用长都辐射能量。黑体的辐射可以用 Planck 定理来描述。定理来描述。Max Plack(
14、1858-1947):德国物理学家，是德国物理学家，是Helmholtz和和Kirchhoff的学生，在的学生，在27和和31岁时分别成为岁时分别成为University of Kiel和和University of Berlin的教授。对量子理论的发展做出了巨大的贡献。的教授。对量子理论的发展做出了巨大的贡献。1918年获得年获得Nobel Prize。16太阳和地球的辐射波谱太阳和地球的辐射波谱17右图给出的是右图给出的是Planck公式中辐射能公式中辐射能量随量随的分布。它有一个单一的峰值，的分布。它有一个单一的峰值，利用简单的数学运算，我们可以得到利用简单的数学运算，我们可以得到对应最
15、大辐射能量的对应最大辐射能量的max值。值。Wien发现发现max和物体的温度的积和物体的温度的积 是一个常是一个常量，量，这就是这就是 Wien 定理定理。这里，这里，是物体具有最大辐射能量是物体具有最大辐射能量的波长。的波长。Wien定理表明，温度越高定理表明，温度越高的物体，物体的最大辐射能量所对应的物体，物体的最大辐射能量所对应的波长越短。的波长越短。Wien 定理定理Wilheim Wien（1864-1928），），德国物理学家，由于发现了德国物理学家，由于发现了Wien定理，他于定理，他于1911年获得了年获得了Nobel Prize。18太阳和地球的辐射波长峰值太阳和地球的辐射
16、波长峰值n太阳的温度大致是太阳的温度大致是 6000K，其辐射的峰，其辐射的峰值波长是值波长是 0.55 m。地球表面的温度大。地球表面的温度大致是致是 288K，其辐射的峰值波长大约是，其辐射的峰值波长大约是 10 m。n在大气科学中，常把在大气科学中，常把太阳辐射称为短波辐太阳辐射称为短波辐射，把地球辐射称为长波辐射射，把地球辐射称为长波辐射。短波辐射。短波辐射的范围是从的范围是从0.2 m 到到 4.0 m，长波辐，长波辐射的范围是从射的范围是从 4.0 m 到到 20 m。19太阳波谱及其辐射能量所占的比重太阳波谱及其辐射能量所占的比重20Stefan Boltzmann定律定律n对对Planck公式在各个波段进行积分，我们可以得到用公式在各个波段进行积分，我们可以得到用Stefan Boltzmann 定律定律它描述的是黑体向外辐射的总能量与温度的关系它描述的是黑体向外辐射的总能量与温度的关系Joseph Stefan（1835-1893），奥地利物理学家，），奥地利物理学家，28岁时成为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维也纳大学的教授，开创了
