第一节 太阳辐射
地球大气中的一切物理过程都伴随着能量的转换，而辐射能，尤其是太阳辐射能是地球大气最重要的能量来源。一年中整个地球可以由太阳获得5.44×1024J的辐射能量。地球和大气的其它能量来源同来自太阳的辐射能相比是极其微小的。比如来自宇宙中其它星体的辐射能仅是来自太阳辐射能的亿分之一。从地球内部传递到地面上的能量也仅是来自太阳辐射能的万分之一。
一、辐射的基本知识
（一）辐射与辐射能
自然界中的一切物体都以电磁波的方式向四周放射能量，这种传播能量的方式称为辐射。通过辐射传播的能量称为辐射能，也简称为辐射。辐射是能量传播方式之一，也是太阳能传输到地球的唯一途径。
辐射能是通过电磁波的方式传输的。电磁波的波长范围很广，从波长10-10μm的宇宙射线，到波长达几千米的无线电波。肉眼看得见的是从0.4—0.76μm的波长，这部分称为可见光。可见光经三棱镜分光后，成为一条由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各种颜色组成的光带，其中红光波长最长，紫光波长最短。其它各色光的波长则依次介于其间。波长长于红色光波的，有红外线和无线电波；波长短于紫色光波的，有紫外线、X射线、γ射线等，这些射线虽然不能为肉眼看见，但是用仪器可以测量出来（图2·1）。气象学着重研究的是太阳、地球和大气的热辐射。它们的波长范围大约在0.15—120μm之间。在气象学中，通常以焦耳（J）作为辐射能的单位。单位时间内通过单位面积的辐射能量称辐射通量密度（E），单位是W/m2。
辐射通量密度没有限定辐射方向，辐射接受面可以垂直于射线或与之成某一角度。如果指的是投射来的辐射，则称入射辐射通量密度；如果指的是自物体表面射出的辐射，则称放射辐射通量密度。其数值的大小反映物体放射能力的强弱，故称之为辐射能力或放射能力。
单位时间内，通过垂直于选定方向上的单位面积（对球面坐标系，即单位立体角）的辐射能，称为辐射强度（I）。其单位是W/m2或W/sr。
辐射强度与辐射通量密度有密切关系，在平行光辐射的特殊情况下，辐射强度与辐射通量密度的关系为
I=E/cosθ （2·1）
式中θ为辐射体表面的法线方向与选定方向间的夹角。
（二）辐射光谱
为准确描述辐射能的性质，需要引入一个能确定辐射能按波长分布的函数，以便进一步确定物体的辐射特性。
设一物体的辐射出射度为 F（W/m2），在波长λ至λ+dλ间的辐射能为dF，则
式中Fλ是单位波长间隔内的辐射出射度，Fλ是波长的函数，称为分光辐射出射度，或单色辐射通量密度。因Fλ是随波长而变的函数，所以又称为辐射能随波长的分布函数。它不仅取决于物体的性质，而且还取决于物体所处的状态。Fλ随波长λ的变化可以用图形来表示，如图2·2所示。图中Fλ随λ的变化曲线称为辐射光谱曲线。
全波长总的辐射能力在图中为光谱曲线与横坐标所包围的面积。
（三）物体对辐射的吸收、反射和透射
不论何种物体，在它向外放出辐射的同时，必然会接受到周围物体向它投射过来的辐射，但投射到物体上的辐射并不能全部被吸收，其中一部分被反射，一部分可能透过物体（图2·3）。
设投射到物体上的总辐射能为Qo，被吸收的为Qa，被反射的为Qr，透过的为Qd。根据能量守恒原理
Qa+Qr+Qd=Qo
将上式等号两边除以Qo，得
式中左边第一项为物体吸收的辐射与投射于其上的辐射之比，称为吸收率（a）；第二项为物体反射的辐射与投射于其上的辐射之比，称为反射率（r）；第三项为透过物体的辐射与投射于其上的辐射之比，称为透射率（d），则
a+r+d=1
a、r、d都是0—1之间变化的无量纲量，分别表示物体对辐射吸收、反射和透射的能力。
物体的吸收率、反射率和透射率大小随着辐射的波长和物体的性质而改变。例如，干洁空气对红外线是近似透明的，而水汽对红外线却能强烈地吸收；雪面对太阳辐射的反射率很大，但对地面和大气的辐射则几乎能全部吸收。
（四）有关辐射的基本定律
1.基尔荷夫（Kirchhoff）定律
设有一真空恒温器（T），放出黑体辐射IλTb。在其中用绝热线悬挂一个非黑体物体，它的温度与容器温度一样亦为T，它的辐射强度为IλT，吸收率为KλT。这样非黑体和器壁之间将要达到辐射平衡。器壁放射的辐射能、非黑体放射的辐射能和未被吸收的非黑体反射辐射能，三者达到平衡，则
IλTB-（1-KλT）IλTb-IλT=0 （2·5）
除以IλTv，得
（2·6）
从放射率的定义得
所以
KλT=eλT （2·8）
（2·8）式是基耳荷夫定律的基本形式，它表明：①在一定波长、一定温度下，一个物体的吸收率等于该物体同温度、同波长的放射率。即对不同物体，辐射能力强的物质，其吸收能力也强。辐射能力弱的物质，其吸收能力也弱。黑体吸收能力最强，所以它也是最好的放射体。②下标λ表示在一定温度（T）下，不同波长的Kλ、eλ及Iλ的数值不同。即同一物体在温度T时它放射某一波长的辐射。那末，在同一温度下也吸收这一波长的辐射。
（2·6）式还可写成
这表明某温度、某波长的一个物体的辐射强度与其吸收率之比值等于同温度、同波长时的黑体辐射强度。在同温度条件下，这条规律适用各种波长的辐射体，因此基尔荷夫定律又可写成
上面讨论表明，在辐射平衡条件下，一物体在某波长λ的辐射强度和对该波长的吸收率之比值与物体的性质无关，对所有物体来讲，这一比值只是某波长λ和温度T的函数。从（2·6）式得
IλT=KλT·IλTb （2·11）
上式表明，基尔荷夫定律把一般物体的辐射、吸收与黑体辐射联系起来，从而有可能通过对黑体辐射的研究来了解一般物体的辐射，这就极大简化了一般辐射的问题。
基尔荷夫定律适用于处于辐射平衡的任何物体。对流层和平流层大气以及地球表面都可认为是处于辐射平衡状态，因而可直接应用这一定律。
2.斯蒂芬（Stefan）-玻耳兹曼（Boltzman）定律由实验得知，物体的放射能力是随温度、波长而改变的。图2·4是根据实测数据绘出的温度为300K、250K和200K时黑体的放射能力随波长的变化。
由图2·4可见，随着温度的升高，黑体对各波长的放射能力都相应地增强。因而物体放射的总能量（即曲线与横坐标之间包围的面积）也会显著增大。根据研究，黑体的总放射能力与它本身的绝对温度的四次方成正比，即
ETb=σT4 （2·12）
上式称斯蒂芬-波耳兹曼定律。式中σ=5.67×10-8W/（m2·K4）为斯蒂芬-波耳兹曼常数。
根据（2·12）式可以计算黑体在温度T时的辐射强度，也可以由黑体的辐射强度求得其表面温度。
3.维恩（Wein）位移定律
由图2·4还可看出，黑体单色辐射极大值所对应的波长（λm）是随温度的升高而逐渐向波长较短的方向移动的。根据研究，黑体单色辐射强度极大值所对应的波长与其绝对温度成反比，即
λmT=C （2·13）
上式称维恩位移定律。如果波长以微米为单位，则常数C=2 896μm· K。于是（2·13）式为
λmT=2 896μm·K （2·14）
上式表明，物体的温度愈高，其单色辐射极大值所对应的波长愈短；反之，物体的温度愈低，其辐射的波长则愈长。
有此三个辐射定律，绝对黑体的辐射规律就容易确定，因为它们把黑体的温度与其辐射光谱联系起来了。即使对非黑体，只要知道它们的温度和吸收率，利用基尔荷夫定律，它们的辐射能力也可以确定。