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2.1 太阳辐射

时间:2022-08-20 归属:气象学与气候

  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。

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