大气辐射传输理论第二章

1第二章大气顶的太阳辐射第一节作为能源的太阳•1、太阳结构•2、太阳表面的活动：太阳黑子太阳（气体球）•基本特性–太阳视圆面（视直径）：31'59.3''–半径：696000km（相对地球109倍）–质量：1.9891030Kg（相对地球33万多倍）–平均密度：1.41g/cm3（相对地球1/4）–年龄：46亿年，可继续发光70亿年–组成：主要成分：原始的H（90%质量）和He（10%），其它如铁、硅、氖、碳等至少70种元素。–太阳的温度由中心（约5×106K）向表面（约5800K）递减。2.1.1太阳结构•核反应区太阳中心到1/4太阳半径范围内是进行热核反应产生能量的区域，占太阳体积的1/64，却集中了太阳质量的一半。这里温度高达1500万K，压力可达3000亿个地球大气压。在太阳中心区域这种超高温高压条件下，不断进行着大规模的氢热核聚变反应，释放出巨大的能量。太阳大气：•光球层之上的区域称为太阳大气，它的特点是具有稀薄而透明的太阳气体。太阳大气分成色球层和日冕两个区域。•色球层位于光球层之上，直到约2000km的高度。温度由4000K左右的极小值向上增加，到2000km高度停留在4000-6000K之间，在此高度以上，温度显著增高，达到105～106K左右。•辐射区核反应区的外面是能量辐射传输区。热核反应产生的辐射能量在这里通过太阳各层物质的吸收、发射、再吸收、再发射的过程向外输送。热核反应产生的高能射线经过这个过程逐步降低频率，最后成为太阳向空间辐射的较低能量的可见光和其他形式的辐射。•对流区位于辐射区外，是太阳内部稠密大气的最外层，由辐射区输送的能量使这里温度达几万度到几十万度，稠密炽热的气体处于升降起伏的对流状态。在太阳大气中产生的各种活动现象(如黑子、耀斑等)都与对流区的活动有关。•光球肉眼所见太阳的耀眼夺目的太阳视表面就是光球。它是太阳的明晰界限，通常意义下的太阳表面就是指的光球，太阳的直径也以光球为界。它是太阳大气的最底层，厚度仅约500km。光球的温度由里向外逐渐降低，底部温度约6000K，顶部温度在4000—5000K之间。光球温度与太阳内部形成极大的温度梯度，这种温度分布显著的不均衡，造成对流区大气的剧烈的对流运动。•太阳大气：光球层之上的区域称为太阳大气，它的特点是具有稀薄而透明的太阳气体。太阳大气分成色球层和日冕两个区域。•色球层位于光球层之上，直到约2000km的高度。温度由4000K左右的极小值向上增加，到2000km高度停留在4000-6000K之间，在此高度以上，温度显著增高，达到105～106K左右。•日冕：色球层之上的太阳大气称为日冕。在日全食的时候或使用日冕仪可观测到一圈白光和淡黄光裹住了日轮，这就是日冕。它范围可延伸到十几个太阳半径的地方，其物质极其稀薄，它的亮度仅及色球的千分之一。日冕的形状经常在变化，厚度也处处不同。在太阳活动极大期，日冕呈圆形，太阳活动极小期的日冕在太阳两极缩短，在太阳赤道带突出。日冕的温度极高可达100—200万度。太阳光谱的远紫外线和X射线主要是在日冕中产生，太阳的射电辐射的大部分也产生在日冕中。日冕的温度极高，说明日冕中的物质是以极高的速度在运动着，日冕中的快速粒子能摆脱太阳引力场的束缚，向外膨胀而进入行星际空间，这种现象叫做“日冕膨胀”。热电离子连续不断地从太阳流出，就形成太阳风。2.1.2太阳活动现象•指太阳表层的物质运动和变化过程。在太阳大气中可以观察到各种活动变化现象，如太阳黑子的出2现和消失、日珥的变化、耀斑的爆发等等，此外在太阳大气中还可以观测到不断运动和变化着的米粒组织、谱斑、色球网络、针状物、喷焰等。太阳活动是太阳大气里的一切活动的总称。•强烈的太阳活动能使一些波段的太阳辐射发生很大变化，并能把大量的物质粒子射入空间，影响地球磁场和大气层。太阳活动有时剧烈，有时平静，存在一个11年的准周期。当太阳活动处于低潮时，称为宁静太阳；太阳活动处于高潮时，称为扰动太阳。太阳活动主要是指扰动太阳的活动。扰动太阳的主要标志之一是太阳黑子，特别是黑子群的频繁出现，扰动太阳的另一个更重要的标志是太阳耀斑的频繁出现。耀斑是太阳上最强烈的，也是对地球影响最大的活动。2.1.2太阳活动现象-太阳黑子•用小倍率的望远镜，甚至肉眼就可看到在太阳光球上有一些黑的斑点，它是光球中的大气涡旋，其中心温度约为4200K，比周围温度低1000多度，因此显得比光球暗。•黑子通常成对出现，或以复杂的黑子群出现。太阳黑子几乎完全限制在太阳赤道和南北纬40度之间的区域，绝不会在两极附近出现。大部分黑子寿命不长，常不到一天，有一些黑子的寿命达一个月以上。•长期记录日面上的黑子数目，黑子数较多的时期，而过几年黑子几乎不出现，太阳黑子数的周期性变化，称为黑子周期，两次黑子极大之间的平均时间长度约为11年，所谓11年周期。2.1.2太阳活动现象-光斑•在全色光照片上能看到一种比光球更明亮一些的斑点。它的温度比光球高不了多少，据测定只比周围高100一300K；平均寿命2—3d。光斑常出现在黑子的周围，一般环绕着黑子，与黑子有密切的关系，光斑比黑子早出现几小时或几天。•在色球层中，光斑之上紧接着分布着谱斑，形状与光斑相似，是光斑在色球层的延续。谱斑的温度比周围高，大部分谱斑附近有黑子群，其寿命比黑子长，它的大小从几千公里到几十万公里，其面积大小也是太阳活动的强弱的标志。2.1.2太阳活动现象-日珥•色球层中，有时有巨大的气柱升腾而起，如同火焰喷舌，可以达到几万公里甚至百万公里以上的高度，然后落回日面，或脱离太阳的引力而消散不见。这些气柱称为“日珥”。它是突出在太阳边缘外面的发光气团，呈朱红色。一般在日全食时利用色球望远镜或分光镜等仪器进行观测时才能被看见。•形态多变，大小不一，一般长约20万km，高约3万km，厚约5000km；有的气流上升的速度较低，约10km/s，有的变化剧烈，达几百公里/秒。日珥主要存在于日冕中，但下部与色球相连。•可分为宁静日珥、爆发式日珥和活动区日珥三种。宁静日珥寿命较长，在日面上表现为伸得很长的暗条。爆发式日珥比较罕见，运动速度可高达每秒几百公里。当上升到相当高度时，会分裂出凝团和股流，然后沿近似垂直的方向落回太阳。32.1.2太阳活动现象-耀斑•色球中局部区域亮度突增的现象，表现为特别明亮的斑点，称为色球爆发。耀斑的温度很高，达1万度左右或更高，常出现在太阳表面大黑子或黑子群附近，寿命由几分钟到几小时。耀斑活动与黑子有密切关系，在一个黑子群的存在期间，平均每7h出现一个耀斑。•耀斑是太阳大气中的一种不稳定过程，是太阳上最强烈的，也是对地球影响最大的活动现象。太阳所发射电波的强度可以在几年内不发生多大的变化，但当日面出现耀斑时，太阳射电可以一下子增强几百万倍。在耀斑爆发时除发射可见光外，还发射大量的紫外线、X射线和射线，还有红外和射电辐射和高能粒子流，甚至能量特高的宇宙射线。耀斑的短波辐射和带电粒子流到达地球后，会引起地球上一系列的地球物理现象，如磁暴、极光和电讯骚扰以至中断等。从日地关系方面来看，耀斑的作用比太阳黑子的作用更加直接和重要。第二节地球绕太阳的轨道和太阳日射2.2.1绕日轨道的几何形状地球是太阳系九大行星之一。自转：地球每24小时绕通过自己两极的极轴向东稳定地旋转一周。自传是引起包括昼夜交替在内的所有时间周期变化的最显著的原因。公转：同时地球也在以太阳为一个焦点的椭圆轨道上，用大约365天完成一周的公转。地球绕太阳公转的轨道和地球自传的轨道，是决定到达地球的太阳辐射能量的最重要因子。太阳系•太阳系中太阳的质量占太阳系总质量的99.8％，•九大行星–类地行星：水、金、地、火•质量小、体积小、卫星数少、平均密度大、表面温度高、公转周期短、自转周期长–主行星：木、土、天王、海王•特点与类地行星相反–此外冥王星，大小、质量近似类地行星；表面温度、公转周期又近于主行星•小行星、彗星、流星太阳的位置由太阳天顶角确定，太阳天顶角可由另一些已知的角度算出：cos0=sinsin+coscoscosh.4太阳倾角–黄道面与天赤道面有23o27'的交角，即黄赤交角。由于它的存在，太阳的周年视运动表现为对天赤道的往返运动，称为太阳的回归运动。–太阳在天球上对于天赤道的角距离就是太阳的赤纬，称为太阳倾角。太阳的回归运动表现为太阳赤纬在23o27'一-23o27'之间的周期性变化。太阳在地球上的直射点，是在该时刻与太阳赤纬相同的地理纬度上，并且有相同的周期性变化。–太阳倾角的付氏级数表达式为：180/(0.0069180.39912cos0.070257sin0.006758cos20.000907sin20.002697cos30.00148sin3)–由于四年一闰的历法，完全由日期确定的太阳倾角因闰年最大可造成±10分的误差。上式本身的误差为0.0006rad（小于3分）。24小时倾角的最大变化可达0.5度。2.2.2太阳常数的定义•太阳发射的电磁辐射在地球大气顶上随波长的分布叫做太阳光谱。•太阳常数是一个表征到达大气顶的总太阳能量（包括整个太阳光谱）的数值。•定义：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能通量，用S表示。•太阳以6.2×107W.m2的速率发射能量。根据能量守恒原理，且假定两点之间没有中间介质，则由太阳发射的能量在某个距离以外必定保持原样，于是：F⊙4a⊙2=S4r02•F⊙代表太阳辐出度，a⊙为太阳半径，r0为日地平均距离。所以：S=F⊙(a⊙/r0)2•太阳是各向同性发射体，所以：S=Ia⊙2/r02=IΩ