第11章-辐射基本知识

第11章辐射基本知识为什么要研究辐射？辐射与天气、气候辐射与遥感红外窗区红外水汽可见、近红外10.3～11.3m6.3～7.6m0.55～0.99mFY2D图像（2009年4月17日07:30UTC）内容一．物理量二．辐射与物体三．基本定律四．太阳辐射与地球辐射一．物理量以电磁波形式传播的能量：电磁辐射，简称辐射。温度大于0K的任何物体，都以电磁波形式放射和接收电磁波。1864年，麦克斯韦理论预言电磁波。1888年，赫兹振荡电偶极子实验，证实电磁波存在。电磁波谱频率f、波长、波数和波速c，电磁波谱中不同波段的参量和单位比较cmmHzGHz(109Hz)cm1紫外1050.13×1015可见4×1050.47.5×1014红外2×103201.5×1013500微波0.11033×101130010表征辐射场的物理量：辐射度学单位制1.辐射能：Q，单位为J2.辐射通量（radiantflux），也称为辐射功率，，单位为W或Js1。3.辐射通量密度（radiantfluxdensity）：也称为辐射出射度（辐出度，emittance）和辐射照度（辐照度，irradiance），单位为Wm24.辐射亮度（radiance）单位为Wsr1m2立体角（单位：球面度sr）的概念球坐标（r，，）1sr：以单位半径球体的球心为顶点的锥体在球面上所截取的单位面积（即单位半径为边长的正方形面积）5.辐射能密度：单位为Jm3对空间所有方向进行积分空间平均辐射亮度为辐射通量密度与辐射亮度的关系普遍关系式球面极坐标：z轴垂直于表面关于亮度的定理在一透明介质中，沿辐射方向辐射亮度保持不变。谱（或单色、分光）辐射量单位波长（或频率、波数）间隔内的辐射能，单位为Wm2m1总辐射通量密度：某一波段1～2：单色辐射量的转换：根据能量守恒二．辐射与物体1、辐射源(1)点源点源为中心、半径为r的球表面上的辐照度为平行辐射：离点辐射源距离相当大并且在讨论相对比较小范围中的问题太阳直接辐射：平行辐射的辐亮度来自，在方向上和的单位都是。狄拉克函数当时，当时，，挑选性(2)面辐射源（面源）它可以向2立体角中发射辐射能(3)朗伯源在各向同性辐射情况下，辐射亮度I大小与方向无关的辐射体：朗伯体、朗伯面、朗伯源。辐射功率依赖于角度，辐射源也称为余弦发射体，这个关系称朗伯余弦定律。对半球空间积分2、辐射与物体的相互作用吸收率：a=Fa/F；反照率：r=Fr/F（也称为反射率）透过率：t=Ft/F（也称为透射率）发射率：=a，是温度为T的物体的发射功率与服从普朗克黑体定律的物体的发射功率之比。谱（或单色、分光）吸收率、反射率、透射率和发射率；波段的吸收率、反射率和透射率。吸收光谱或辐射光谱吸收光谱：吸收率或吸收辐射（如辐射通量密度等）随波长（或频率、波数）的变化关系辐射光谱也类似。如果把这些关系绘制成曲线，就是吸收光谱曲线和辐射光谱曲线。3、辐射体(1)黑体：a==1，r=0，t=0。若a=1，则该物体对这一波长为黑体。密闭空腔，r=0.1，四次，a=1-(0.1)4=0.9999(2)灰体：灰体是当所有辐射照射时，吸收率a为常数（0～1）的假想物体。(3)选择性辐射体：如果物体的吸收率（或发射率）随波长而变，则这物体就称为选择性辐射体。4、反射体理想的反射体有镜面和朗伯反射体一般反射：双向反射函数（BRDF）反射辐射亮度与入射辐射通量密度的比值朗伯体：5、局地热力学平衡物质系统：能级满足玻尔茨曼统计分布，靠频繁碰撞，辐射系统：满足普朗克函数局地热力平衡达到的时间远小于辐射衰减的生命时间辐射时间常数（Radiativetimeconstant）达到新平衡态所需要的时间开始现在温度变化，确定新的平衡在某一大气层，，三．平衡辐射的基本定律1、基尔霍夫定律：1859年，任何物体=F(,T)，FB(,T)黑体的辐出度。基尔霍夫定律也写为历史上首先关注黑体因为黑体完全吸收所有入射辐射（因此说黑）在所有波长和所有方向上有最大放射辐射朗伯体2、斯特藩玻尔兹曼定律：1879年，黑体F：Wm2：斯特藩玻尔兹曼常数，5.6696×108Wm2K4T：K有效温度（不局限黑体）这是使用辐射测物体温度的方法。3、维恩定律：1893年，黑体max：黑体辐射最大值时对应的波长（m）b：常数，2897.9mKT：K。颜色温度（或色温）：这是光谱学方法测温的基础。1895年，维恩等人创造了一个带有小孔的空腔，验证了上述三个定律。4、普朗克定律（或普朗克函数、或普朗克公式）：1900年，黑体C1=2hc2=3.7427×108Wm4m2为第一辐射常数C2=hc/k=14388mK为第二辐射常数光速c=2.99793×108ms1普朗克常数h=6.6262×1034Js玻尔兹曼常数k=1.3806×1023JK1等效黑体温度（或亮度温度）这是遥感测温的基础。地球大气和太阳典型温度下黑体辐射曲线四、太阳辐射与地球辐射绝对黑体通用光谱曲线令，xy的关系可根据普朗克函数得到，即辐射能量集中在1000～24000mK，占99%以上。(1)若以温度T=6000K代表太阳，则能量集中在0.17～4.0m，极值波长0.483m；(2)若以温度T=288K代表地面和大气，则能量集中在3.5～83.3m，极值波长10.062m；以4m为分界称太阳辐射为短波辐射，以可见光与近红外为主，称地球和大气辐射为长波辐射或地球辐射或热红外辐射，以红外波段为主。小结基本特征：频率，波长，波数，波速物理量：辐射能，辐射通量，辐射通量密度，辐射亮度（立体角），辐射密度传输特征：发射率，反照率，吸收率，透过率，双向反射函数辐射源：朗伯源，点源，面源定律：基尔霍夫定律，斯特藩-玻尔兹曼定律，维恩位移定律，普朗克定律温度：颜色温度，有效温度，亮度温度简单区分：短波辐射，长波辐射作业习题11.1～11.611月2日（周三）上课时交