第八章电磁辐射环境改版

电磁辐射环境物体以辐射的方式传递交换的能量。辐射的基本知识一、辐射及其特性辐射物体以电磁波或粒子流形式向周围传递或交换能量的方式。辐射能基本特性波粒二象性波动性V＝λ·f波动性的反映电磁波谱名称波长范围紫外线100埃～0.4微米可见光0.4微米～0.76微米红外线近红外0.76微米～3.0微米中红外3.0微米～6.0微米远红外6.0微米～15微米超远红外15微米～1000微米微波毫米波1～10毫米厘米波1～10厘米分米波10厘米～1米色彩名称波长范围紫0.40～0.43微米蓝0.43～0.47微米青0.47～0.50微米绿0.50～0.56微米黄0.56～0.59微米橙0.59～0.62微米红0.62～0.76微米不同电磁波的具体波长范围可见光波长范围粒子性hVhfEL其中h＝6.626×10-34J·s，称为普朗克常数。辐射的度量和单位辐射通量、辐射通量密度辐射通量及单位：定义：单位时间通过任意面积上的辐射能量。单位：J·s-1或W辐射通量密度（E）及单位定义：单位面积上的辐射通量。单位：J·s-1·m-2或W·m-2E=dF/(ds.dt)dFdsdFds辐射通量密度又被称为辐射强度、辐射能力或放射能力。光通量、光通量密度、照度光通量及单位定义：表征辐射通量而产生光感觉的量。单位：流明（lm）光通量密度及单位定义：单位面积上的光通量。单位：流明/米2（lm·m-2）照度及单位定义：单位面积上接受的光通量。单位：lx，音译为勒克斯，1lx=1lm·m-2物体对辐射的吸收、反射和透射概念吸收率(a)：a=Qa/Q反射率(r)：r=Qr/Q透射率(d)：d=Qd/Q入射反射吸收透射a、r、d的变化黑体：对于投射到该物体上所有波长的辐射都能全部吸收的物体称为绝对黑体。故有：a＝１，r＝d＝０。灰体：透射率d＝０，吸收率a＝（１－r），且a不随波长而变化的物体。二、辐射的基本定律基尔荷夫(kirchoff)定律(选择吸收定律)定律在一定温度下，任何物体对于某一波长的放射能力(eλ,T)与物体对该波长的吸收率(aλ,T)的比值，只是温度和波长的函数，而与物体的其它性质无关。即:TTTEae,,,…………(3-4)Eλ,T只是波长和温度的函数。推论对不同性质的物体，放射能力较强的物体，吸收能力也较强；反之，放射能力弱者，吸收能力也弱，黑体的吸收能力最强，所以它也是放射能力最强的物体。对同一物体，如果在温度T时它放射某一波长的辐射，那么，在同一温度下它也吸收这一波长的辐射。斯蒂芬—波尔兹曼(Stefan-Boltzmann)定律定律黑体的总放射能力（ET）与它本身绝对温度（T）的四次方成正比。即：ET＝σT4式中σ＝5.67×10-8W.m-2.K-4为斯蒂芬—波尔兹曼常数。意义物体温度愈高，其放射能力愈强。λm＝C/T或λmT=C如果波长以nm为单位，则常数C＝2,897×103nm·K,于是(3-6)式为：维恩(Wien)位移定律定律绝对黑体的放射能力最大值对应的波长(λm)与其本身的绝对温度(T)成反比。即：λmT＝2897×103nm·K不同温度下黑体辐射强度与温度的关系意义物体的温度愈高，放射能量最大值的波长愈短，随着物体温度不断增高，最大辐射波长由长向短位移。太阳辐射是短波辐射，人、地面和大气辐射是长波辐射。一、太阳辐射太阳是一个及其炙热的气态球体，中心温度为20×106K，表面温度高达6000K，因此太阳时刻不停的向四周放射巨大的能量，称为太阳辐射1、太阳电磁辐射•太阳辐射能量随波长的分布称为太阳辐射光谱。太阳辐射的波长范围很广，但其能量的绝大部份集中在0.17～4微米之间，其中可见光区占50％，红外区占43％，紫外区仅占7％。太阳最大辐射能力所对应的波长为0．475微米（相当于青光部份）。因此，一般称太阳辐射为短波辐射。•观测表明，太阳辐射光谱不是严格连续光谱，其中有两万多条吸收暗线。当太阳辐射经过地球大气时，由于地球大气的吸收作用，使太阳光谱发生很大的变化。可见光区(0.4-0.76μm）能量占总能量的50%，具有光效应，是人类肉眼可见光谱区，也是植物光合作用的有效光谱区。可见光可按波长由长至短分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色光。太阳辐射的最大波长。紫外光区（λ0.4μm）能量占总能量的7%，具有化学效应，全部到达地面有毁灭生物的作用，幸大气中O3层吸收而到达地面的极少，它具有杀菌消毒，促进种子萌发的作用。红外线区（λ0.76μm）能量占总能量的43%，具有热效应，起着加热地面、大气、动、植物等物体的作用。太阳与地球间的距离不是一个常数，因此，地球大气层上界的太阳辐射强度随日地间距离的不同而不同。实际上，由于日地间距离很大（15000万公里），其相对变化量很小，由此引起的太阳辐射强度的相对变化不超过3.4%，这就意味着地球大气层外的太阳辐射强度几乎是一个常数。我们使用“太阳常数”来描述大气层上界的太阳辐射强度。当日地间处于平均距离时，大气上界垂直于太阳光线的平面上单位面积单位时间内接受的太阳辐射能量作为标准值，称为太阳常数S。太阳常数：用Isc表示。参考值为Isc=（13677）W/m2任意时刻的太阳辐射强度•对于S。的测量和计算，因观测方法，观测地点的不同以及太阳活动的变化，世界各地区曾采用不同的数值。•1981年世界气象组织推荐了太阳常数的最佳值是S。＝1367±7瓦／米2。常采用取S。＝1367瓦／米2。到达地球的太阳辐射能随日地距离的变化日期太阳辐射能（W/m2）日期太阳辐射能（W/m2）1月3日(近日点)13997月4日(远日点)13092月1日13938月1日13133月20日(春分)13659月23日(秋分)13454月3日135510月1日13505月3日132211月1日13746月21日(夏至)131012月22日(冬至)1398(1399-1353)/1353×100%=3.40%(1353-1309)/1353×100%=3.25%太阳辐射强度•太阳辐射强度就是太阳在垂直照射情况下在单位时间(一分钟、一天、一个月或者一年)内，单位面积面积上所得到的辐射能量。用符号S表示,其单位为J/(m2.s)。2、太阳辐射在大气中的减弱•太阳辐射先通过大气圈，然后到达地表，由于大气对太阳辐射有一定的吸收、散射和反射作用，使投射到大气上界的太阳辐射不能完全到达地面，所以在地球表面所呈现的太阳辐射强度比1367瓦／米2小。•大气对太阳辐射的影响作用：折射、反射、吸收、散射、透射大气对太阳辐射的减弱作用的表现•a、大气对太阳辐射的吸收太阳辐射穿过大气层时，大气中某些成分具有选择吸收一定波长辐射的特性。大气中吸收太阳辐射的成分主要有水汽、氧、臭氧、二氧化碳和固体杂质等。太阳辐射被大气吸收后变成热能，因而使太阳辐射减弱，有24%的太阳辐射被大气吸收。•可见大气对太阳辐射的减弱是强烈的。••b、大气对太阳辐射的散射太阳辐射通过大气遇到空气、尘粒、云滴等质点时，都要发生散射。散射改变辐射方向，使太阳辐射以质点为中心向四面八方传播开来，这样，散射后，有一部分太阳辐射就到不了地面。•c、大气的云层和尘埃对太阳辐射的反射大气中云层和较大颗粒的尘埃能将太阳辐射中的一部分能量反射到宇宙空间中去。其中云的反射作用最为显著，太阳辐射遇到云时能反射太阳辐射的一部分或大部分。反射对各种波长没有选择性，所以反射光呈白色。太阳辐射约有31%因反射和散射会宇宙空间。上述三种方式中，以反射作用最为重要，散射作用次之，吸收作用最小。3、到达地面的太阳辐射经过大气减弱后投射到地面的太阳辐射由两部分组成，即太阳直接辐射和散射辐射。直接辐射是指以平行光线的形式直接投射到地面的太阳辐射。直接辐射照度是指单位面积，在单位时间内所接受的直接辐射，用Sˊ表示。散射辐射是指经散射后，由天空投射到地面的太阳辐射。散射辐射照度是指单位面积，在单位时间内所接受的散射辐射，用D表示。直接辐射与散射辐射之和，称为总辐射。直接辐射照度与散射辐射照度之和称为总辐照度（Q）。即Q=S'+D返回•a、直接辐射太阳直接辐射的强弱和许多因子有关，其中最主要有两个，即太阳高度角和大气透明度。•太阳高度角简称太阳高度，系指太阳相对于地平面的角距离。太阳高度角主要是太阳高度角和大气透明系数(1)太阳高度角当太阳高度角增大时，直接辐射和散射辐射都增大，因而总辐射也增大。又由于太阳高度角有日、年变化和随纬度的变化，因此总辐射也有日、年变化和空间水平变化。（一）影响太阳总辐照度的因素（2)大气透明度当大气透明系数增大时，直接辐射增大，但散射辐射减小，这时，辐射总量的变化就无法判断。一般来说，直接辐射大于散射辐射，因此，当大气透明系数增大时，总辐射也增大。(3)海拔高度•当海拔升高时，大气透明系数增大，总辐射也增大。(4)云量云量增多，总辐射可能增大，也可能减小，分为以下三种情况：①当天空乌云密布时，直接辐射为零（Sˊ=0），到达地面的辐照度以散射辐射（D）为主，但其值也减小，则这时的总辐射（Q）必定减小。②当部分天空有云，且云遮住阳光，这时，对该区域来讲，直接辐射为零（Sˊ=0），而散射辐射（D）的增大量补偿不了直接辐射（Sˊ）的减小量，则总辐射（Q）也减小。③当部分天空有云，而且是没有遮住阳光的中云和高云，这时，对该区域来讲，直接辐射（Sˊ）没有明显减小，或减小不多，而散射辐射（D）却有明显增大，因此使得总辐射（Q）增大。（二）太阳总辐照度的变化规律1、总辐照度的日变化一天中，总辐照度夜间为零，日出后逐渐增大，正午达到最大，午后又逐渐减小。2、总辐照度的年变化一年中，中、高纬度地区总辐照度夏季最大，冬季最小。赤道附近，一年中有两个最大值，分别出现在春分和秋分。3、光照度的变化晴天时，光照度由直射光和散射光两部分组成；阴天时，只有散射光。4、太阳辐射总量的变化一天内，一般在中纬度地区，夏季太阳辐射日总量大，冬季太阳辐射日总量小；一年中，太阳辐射年总量一般随纬度的增高而减少。4、地面对太阳辐射的反射•投射到地面的太阳辐射，并非完全被地面所吸收，其中一部分被地面所反射。地表对太阳辐射的反射率，决定地表的性质和状态。陆地表面对太阳辐射的反射履约为10-30%，雪面的反射率很大，约为60%，水面的反射率随水的平静程度和太阳高度角的大小而变，约为2-89.2%。地面对太阳辐射的反射和吸收1、地面的反射辐射:到达地面的太阳总辐射中，有一部分被地面反射回到大气中，称为地面反射辐射。地面反射辐射占到达地面的总辐射的百分率，称为地面反射率，以r表示。反射率主要与下垫面性质有关。下垫面：垫在空气层下面的面。（p17)2、地面对太阳辐射的吸收由于太阳辐射不能穿透地球，所以地面吸收率为1-r返回二、地面、大气辐射1、地面辐射•地球表面在吸收太阳辐射的同时，又将其中的大部分能量以辐射的方式传送给大气。地表面这种以其本身的热量日夜不停地向外放射辐射的方式，称为地面辐射。•由于地表温度比太阳低得多(地表面平均温度约为300K)，因而，地面辐射的主要能量集中在1～30微米之间，其最大辐射的平均波长为10微米，属红外区间，与太阳短波辐射相比，称为地面长波辐射。地面的辐射能力，主要决定于地面本身的温度。由于辐射能力随辐射体温度的增高而增强，所以，白天，地面温度较高，地面辐射较强；夜间，地面温度较低，地面辐射较弱。•地面的辐射是长波辐射，除部分透过大气奔向宇宙外，大部分被大气中水汽和二氧化碳所吸收，其中水汽对长波辐射的吸收更为显著。因此，大气，尤其是对流层中的大气，主要靠吸收地面辐射而增热。2、大气辐射大气辐射：大气向外放射的辐射。大气平均温度比地面低，其辐射波长范围为7-120μm，最大放射能力的波长为15μm，也属于红外长波辐射。大气辐射有一部分向上进入宇宙空间，有一部分向下到达地面，这一部分因与地面辐射的方向相反，称为大气逆辐射（Ea）。3、大气逆辐射•大气吸收地面长波辐射的同时，又以辐射的方式向外放射能量。大气这种向外放射能量的方式，称为大气辐射。由于大气本身的温度也低，放射的