海南大学农业气象学第二章辐射

§1.有关辐射的基本知识§2.太阳与地球§3.太阳辐射§4.长波辐射§5.辐射与农业生产§1.有关辐射的基本知识一、什么叫辐射二、电磁波谱三、辐射能与辐射强度四、辐射的吸收、反射和透射五、有关辐射的基本定律什么叫辐射辐射：物体以电磁波形式传递能量的一种方式。（1）自然界中任何物体都在不停地向外发送电磁辐射；（2）电磁辐射传播不需要任何介质；（3）电磁波可以用波长（λ）和频率（ν）表示，波速（V）为一常数，真空中为3×108m/s，用C表示，即：λ×ν＝C电磁波谱可见光红外紫外辐射能与辐射强度（1）辐射是以光子形式存在的，每一光子的能量为：e＝hν＝hC/λ式中h为普朗克常数：6.63*10-34J.s每个光子的能量很小，实际应用中常用摩尔光量子为单位，1摩尔光子称作1爱因斯坦（Ei）请分别计算1μEi波长为0.5微米和频率为2450MHz的光量子的能量（2）表示辐射强弱的物理量称作辐射强度。按照辐射方向的不同，可以有不同的称呼：辐出度：从物体表面向外发送的辐射，单位面积上单位时间内发送的辐射能称辐出度。辐照度：某表面单位时间内单位面积上接受周围物体向其发送的辐射能。辐射通量密度：单位时间内穿过空间单位面积的辐射能。辐射强度与光照度的区别：二者是不同的概念，光照度特指可见光的，为单位面积上光通量，简称照度，单位为lux(lx)。二者没有换算关系，一般大气上界的光照度约14万lx，而晴天中午，地面照度约为6～8万lx。辐射强度和照度都不是理想的表示作物需光的物理量，因为作物不同的生理活动需要不同波段的“光”，且同波段内“光”的有效性也有差异。辐射强度更强调能量，光照度主要强调可见光的亮度。辐射的吸收、反射和透射自然界中任何物体都在不停地向外发送着辐射能，同时，也吸收到达其表面的辐射能，物体对于到达其表面的辐射能一部分吸收，一部分反射，部分可以透过物体即：Q总＝Q吸＋Q反＋Q透等式两边同除Q总，去除量纲，则分别表示吸收率、反射率和透过率。a＋r＋d＝1物体的吸收率、反射率及透射率是物体的固有属性，且其数值随着不同波长的辐射以及其自身表面温度的变化而不同，即它们都是波长和温度的函数：a、r、d＝f（λ、T）玻璃：对于可见光其透射率很大，而对于红外线则基本不透明。雪对可见光反射率很高，可达0.95，而对红外线其吸收率为0.98。黑体：a≡1灰体：a≡c白体：r≡1有关辐射的基本定律Stefan-Boltzman定律表达式：E＝σT4E为黑体的辐射强度，T为其表面温度，σ为Stefan-Boltzman常数。σ＝5.67*10-8w/m2k4请分别计算太阳表面（6000K）和地球表面（约300K）的辐射强度Wein定律Wein定律描述的是物体辐射能量的主要分布波段范围。表达式：λmax＝2897/TT：物体表面温度λmax：最大单色辐射波长分别计算太阳和地球辐射的最大单色辐射波长。§2.太阳与地球一、太阳与太阳系二、地球的公转与自转三、地球的经纬度与时区太阳系家族太阳系家族各行星太阳系各行星数据水星金星地球火星木星土星天王星海王星冥王星到太阳的平均距离（106Km）57.9108.2149.6227.9778.314272869.64496.65900自转周期59日-243日(逆转)23小时56分4秒24小时37分23秒9小时50分30秒10小时14分-11小时16小时6日9小时轨道运动平均速度（千米/秒）47.93529.824.113.19.66.85.44.7轴倾角（赤道与轨道交角）28o3o23o27′23o59′3o05′26o44′82o5′28o48′?赤道与黄道夹角7o3.4o0o1.9o1.3o2.5o0.8o1.8o17.2o轨道偏心率0.2060.0070.0170.0930.0480.0560.0470.0090.25赤道直径（千米）48001210412756678714280012000051800495006,000(?)质量（地球=1）0.0550.81510.108317．.995.214.617.20.1(?)体积（地球=1）0.060.8810.15131675567570.1(?)密度（水=1）5.45.25.541.30.71.21.7？偏平度000.0030.0090.060.10.060.02？大气（主要成分）无二氧化碳氮，氧二氧化碳氩氢，氦氢，氦氢，氦，甲烷氢，氦甲烷探测不到可见表面平均温度350(S)-33(C)22(S)-23(S)-150(C)-180(C)-210(C)-220-230(?)表面大气压强（毫巴）386349000010006?????表面重力（地球=1）0.370.8810.382.641.151.171.18？由行星所见太阳平均表观角直径1o22′40″44′45″31′59″21′6′09″3′22″1′41″1′04″49″已知卫星数00121617521太阳系各天体的图片（欣赏）地球的公转与自转地球围绕太阳公转，公转轨道面椭圆性，称为黄道面。太阳处于椭圆的一个焦点上，另一焦点在太阳边缘。地球公转一周称一回归年，为365.2422个太阳日。近日点距太阳1.47亿公里，远日点距太阳1.52亿公里，平均距离为1.50亿公里，称一个天文单位。地球自转轴与公转轨道面成66°33′，形成地球上季节的变化。地球的公转与季节的形成自转轴与黄道面倾角地球公转和二十四节气二十四节气春季立春雨水惊蛰春分清明谷雨夏季立夏小满芒种夏至小暑大署秋季立秋处暑白露秋分寒露霜降冬季立冬小雪大雪冬至小寒大寒季节二十四节气含义立春、立夏、立秋、立冬——分别表示四季的开始。“立”即开始的意思。公历上一般在每年的2月4日、5月5日、8月7日和11月7日前后。夏至、冬至——表示夏天、冬天到了。“至”即到的意思。夏至日、冬至日一般在每年公历的6月21日和12月22日。春分、秋分——表示昼夜长短相等。“分”即平分的意思。这两个节气一般在每年公历的3月21日和9月23日左右。雨水——表示降水开始，雨量逐步增多。公历每年的2月18日前后为雨水。惊蛰——春雷乍动，惊醒了蛰伏在土壤中冬眠的动物。这时气温回升较快，渐有春雷萌动。每年公历的3月5日左右为惊蛰。清明——含有天气晴朗、空气清新明洁、逐渐转暖、草木繁茂之意。公历每年大约4月5日为清明。谷雨——雨水增多，大大有利谷类作物的生长。公历每年4月20日前后为谷雨。小满——其含义是夏熟作物的籽粒开始灌浆饱满，但还未成熟，只是小满，还未大满。大约每年公历5月21日这天为小满。芒种——麦类等有芒作物成熟，夏种开始。每年的6月5日左右为芒种。小暑、大暑、处暑——暑是炎热的意思。小暑还未达最热，大暑才是最热时节，处暑是暑天即将结束的日子。它们分别处在每年公历的7月7日、7月23日和8月23日左右。白露——气温开始下降，天气转凉，早晨草木上有了露水。每年公历的9月7日前后是白露。寒露——气温更低，空气已结露水，渐有寒意。这一天一般在每年的10月8日。霜降——天气渐冷，开始有霜。霜降一般是在每年公历的10月23日。小雪、大雪——开始降雪，小和大表示降雪的程度。小雪在每年公历11月22日，大雪则在12月7日左右。小寒、大寒——天气进一步变冷，小寒还未达最冷，大寒为一年中最冷的时候。公历1月5日和该月的20日左右为小、大寒。地球的大小地球的经纬度和时区为标定地球表面任一点的具体位置设定经纬度；把经过地轴的平面与地球表面的交线称经圈，经圈被南北极点一分为二为两个半圆，称作子午线或经线；将通过英国伦敦格林威治天文台旧址的子午线定为本初子午线，即0°经线，向东的称为东经，向西的称西经。格林尼治天文台本初子午线地球的经纬度和时区把垂直于地轴的平面与地表面的交线称作纬圈；经过地心的垂直于地轴的平面与地表面交线为赤道，定义为纬度0°；赤道以北的称北纬，以南的称南纬；地表任一点的纬度为该点与地心连线与赤道面的夹角。地表经纬度以太阳直射本地经线定义为地方时12点；经线相差1°其地方时相差4min；以0°经线时间为基准，东西各7.5°的区域为0时区，向东西各增加15°为一个新的时区，分别为东一区、东二区、西一区、西二区……，该区域内时间以中间经线时间为其区时，相邻时区时间相差1小时，东边的早，东西十二时区重叠。地球的经纬度和时区问题：北京时间12点时，海口（110°E，20°N）地方时为多少？§3.太阳辐射一、太阳辐射光谱和太阳常数二、太阳高度角和日照时间三、大气对太阳辐射的减弱四、到达地表的太阳辐射五、地表对太阳辐射的反射一、太阳辐射光谱和太阳常数太阳辐射能量随波长的分布称太阳辐射光谱。太阳辐射光谱可以分成三个区域：紫外线区占总能量的约7％，可见光区占总能量的约50％，红外线区占总能量的约43％。问题：到达地表的太阳辐射中，紫外线约占总能量的7％。太阳常数：当处于日地平均距离，地球大气上界、垂直于太阳平行光线，单位时间穿过单位面积的太阳辐射能，数值上约1367±7w/m2。太阳常数随着太阳活动而发生变化，范围约1325～1457w/m2。大气上界，太阳辐射产生的平均光照强度为1.35～1.4×105lx，称太阳光量常数。二、太阳高度角和日照时间太阳高度角指太阳平行光线与地平面的夹角。Sinh=sinφsinδ+cosφcosδcosωh:太阳高度角φ：纬度δ：赤纬ω：时角太阳高度有什么变化规律？二、太阳高度角和日照时间赤纬：太阳直射点的地理纬度，北半球为正，南半球为负。（两至直射回归线，两分直射赤道）时角：以角度表示时间，太阳“围绕”地球旋转一周为24小时，即每小时15°，以正午的时角为0°，下午为正，上午为负。正午太阳高度角：由于ω＝0，前太阳高度角表达式可简化为h正午＝90－φ+δ计算：海口（110°E，20°N）夏至日正午太阳高度角。二、太阳高度角和日照时间日照时间：从日出到日落所持续的时间称可照时间；问题：可照时间有什么变化规律？推导：将地球当成正球体，则日出、日落是对称的，太阳高度角为0°，所以日出（落）的时角为cosω＝－tgδtgφ结论1：赤道上永远昼夜均分；春分（秋分）时地表各点昼夜均分；结论2：北半球春分到秋分（夏半年）日长大于12小时，纬度越高，日长越长；冬半年相反。实际上，由于大气的折射作用，实际日长比理论日长要略长，这种差异随纬度的增加而增加，我们将其称作曙暮光。计算：海口春分日日出时间（北京时）和日长。0.002.004.006.008.0010.0012.0014.0016.0018.0020.0022.0024.00050100150200250300350400二、太阳高度角和日照时间虽然不同纬度每天的日照时间不同，但就全年来说总数是相同的，即365*12＝4380小时，加上曙暮光时间，高纬要略大一点（见附录）。上面说的是理论上日照时间，实际上，由于地形、植被、天气等因素，实际得到的日照时间要少得多，我们将实际得到的日照时间称作实照时数，它与理论上得到的日照时间（可照时间）的比值称日照百分率。日照百分率各地差异很大，多数地方年日照百分率在40～60％之间，而各月的差异可变化于10～90％。三、大气对太阳辐射的减弱太阳辐射在穿越大气层时，大气组分对其阻碍，使其减弱，减弱的方式主要有：大气对太阳辐射的吸收作用大气对太阳辐射的散射作用大气对太阳辐射的反射作用大气对太阳辐射的吸收作用（1）大气的吸收光谱太阳辐射经过整层大气时，在波长小于0.29μm的波段中，吸收率接近于1。也就是说，大气把太阳光谱中0.29μm以下的紫外辐射几乎全部吸收了。而在可见光区，大气吸收很少，只有不强的吸收线带。但在红外区则有很多很强的吸收带。（2）大气中各种成份对太阳辐射的吸收大气中吸收太阳辐射的物质主要是氧、臭氧、水汽和液态水，其次是二氧化碳、甲烷、一氧化二氮、尘埃等。氧（O2）氧对太阳辐射的吸收主要在0.25μm以下的紫外区，吸收很强。并在吸收后发生光化反应产生臭氧。这一吸收作用主要在