第一章-太阳辐射

第一章太阳辐射重点:讨论太阳辐射、地面辐射和大气辐射的性质和变化规律太阳辐射对作物生长发育的影响本章主要内容太阳发射的一般知识太阳辐射太阳辐射光谱太阳辐射强度辐射平衡太阳辐射与植物生活一、辐射的概念：以电磁波和粒子的形式向周围放射和输送能量。辐射具有波粒二相性。第一节太阳辐射的一般知识二、电磁波：任何温度在绝对零度以上的物质都在不停地放射着和吸收着电磁波，其本质是由电子的能级跳迁而产生的。因此电磁波是不断作周期变化的电磁场在空间的传播.电磁波的传播速度：C=fλ式中：f—频率，s-1;λ—波长，μm传播速率与波长、频率间的关系电磁波谱：把辐射按波长或者频率的大小排成的一个谱。电磁波的波谱热辐射：λ＝0.1～100μm，包括可见光线、部分紫外线和红外线0.38图电磁辐射波谱0.76地球上的能量源泉是：太阳辐射读右图回答：1、图中A,B,C分别表示哪个波段的太阳辐射？ABCA紫外区，B可见光，C红外区2、可见光的波长范围？3、太阳辐射能量最多的波长范围？0.4---0.76微米可见光(0.4—0.76微米)三、辐射的粒子性：辐射的粒子学说认为：电磁辐射由具有一定质量、能量和动量的微粒子组成，这些微粒称为量子（或光量子）。每一个光量子所具有的能量与其频率成正比。关系式如下：E=h•ν四、辐射场的物理量：1、辐射能通量：辐射能在传递过程中于单位时间内达到或通过某一表面积上的总辐射能量。2、辐射能通量密度：单位面积上的辐射能通量。也称为辐射强度。3、光通量4、光通量密度（光照强度）5、发光强度：从光源发出的给定方向单位立体角上的光通量。6、亮度：垂直于观测方向上单位面积的发光强度。不论何种物体，在它向外放出辐射的同时，必然会接受周围物体向它投射来的辐射。物体对辐射的吸收、反射与透射能力分别是由吸收率、反射率和透射率来表示。1、吸收率（a）:一个物体所吸收的能量与投射到该物体表面上的总辐射量之比。2、反射率（r）：物体所反射的辐射能量与投射到该物体表面上的总辐射量之比。3、透射率（t）:物体所透过的辐射能量与投射到该物体表面上的总辐射量之比。五、辐射的吸收、反射与透射吸收率、反射率和透射率之间的关系对于一个均匀介质而言，三者之间有以下关系式：a+r+t=1根据上式，反射率和透射率都可以测得，从而可以求得吸收率。1、黑体：如果投射到物体上面的辐射能全部被吸收，即物体对各种不同波长辐射的吸收率都等于1，那么该物体就称为黑体。2、灰体：如某物体的吸收率小于1，并且不随波长而改变，这种物体就称为灰体。黑体和灰体的概念六、辐射的基本定律1、Stefan-Boltzmann定律式中，σ=5.67×10-8w/(m2K4)，Stefan-Boltzmann常数描述了黑体辐射力随表面温度的变化规律。E=σT4黑体的辐射强度与其表面的绝对温度的四次方成正比。六、辐射的基本定律λm与T的关系由Wien位移定律给出：2、维恩Wien位移定律（1893热力学理论得出）辐射能量最大值向短波方向移动的现象。地球的T=300K,太阳的T=6000K,可以求得地球和太阳的λm分别为10um和0.475um，因此，相对来说，气象学中称太阳辐射为短波辐射，地球辐射为长波辐射。λmT=2897微米·开【解】应用Wien位移定律T=2000K时max=2.910-3/2000=1.45mT=5800K时max=2.910-3/5800=0.50m常见物体最大辐射力对应的波长在红外线区太阳辐射最大辐射力对应的波长在可见光区【例】试分别计算温度为2000K和5800K的黑体的最大光谱辐射力所对应的波长。Wien位移定律可确定黑体的光谱辐射力峰值所对应的最大波长。六、辐射的基本定律3、克希荷夫定律1859年克希荷夫通过实验得出：当热量平衡时，物体对某一波长的放射能力与物体对该波长的吸收率的比值只是温度与波长的函数，而与物体的其他性质无关。eλTaλT=EλTeλT表示物体对某一波长的放射能力；aλT表示物体对某一波长的吸收率；EλT表示温度与波长的函数；克希荷夫定律的推论1、对于不同性质的物体，当它的放射能力较强时，其吸收能力也较强，反之亦然。黑体的吸收能力最强，因此它也是最强的放射体。2、对于同一物体，如果某一温度时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。例、北方深秋季节的清晨，树叶叶面上常常结霜。试问树叶上、下去面的哪一面结箱?为什么?例、北方深秋季节的清晨，树叶叶面上常常结霜。试问树叶上、下去面的哪一面结霜?为什么?答：霜会结在树叶的上表面。因为清晨，上表面朝向太空，下表面朝向地面。而太空的温度低于摄氏零度，而地球表面温度一般在零度以上。由于相对树叶下表面来说，其上表面需要向太空辐射更多的能量，所以树叶下表面温度较高，而上表面温度较低且可能低于零度，因而容易结霜。第二节太阳辐射太阳是一个巨大、炽热、自行发光发热的星球，内部温度高达1.5×107k，表面温度可达6000k。太阳以电磁波的形式向外放射出巨大的能量，其辐射过程称为太阳辐射，放射出来的能量称为太阳辐射能。第二节太阳辐射•1、什么是太阳辐射？太阳源源不断地以电磁波的形式向四周放射能量。太阳辐射能量的来源HHHH高温高压HHHH氦太阳辐射能量来源于太阳内部的核聚变反应。太阳辐射能量的来源•每秒钟4亿吨煤22亿分之一(地球)太阳的能量太阳辐射能对地球的影响大气环流图世界洋流模式图太阳辐射能是维持地表温度，促进地球上的水、大气、生物活动和变化的主要动力。太阳辐射能是日常生活和生产所用的能源读图：我国有哪些地区的太阳辐射量最大，哪些地区的太阳辐射量最少？太阳的大气结构？从里到外为：光球、色球、日冕三层。太阳活动的概念太阳大气常有变化，甚至是剧烈的变化，这些变化通称为太阳活动。太阳活动的主要类型：黑子和耀斑北半球三个不同纬度带，太阳黑子与年降水的相关性不同。1、50——60ºN：黑子多——降水少黑子多，降水多黑子少——降水多黑子少，降水少1910年前1910年后2、60——70°N：黑子多，降水少；黑子少，降水多。3、70——80ºN：黑子多，降水多；黑子少，降水少。2.太阳辐射光谱光谱曲线：以发射强度和波长为坐标绘制的曲线。太阳辐射的波长范围很广，从零到无穷大。但大部分集中在0.15-4um的范围中。其中可见光占50%，红外线区占43%，紫外线区占7%。λ（nm）颜色E（kJ/mol）400紫外297400～425紫289425～490蓝25990～560绿222560～580黄209580～640橙197640～740红721到达地球大气上界的太阳辐射光谱可划分为：3.太阳常数概念：在大气上界，当太阳位于日地平均距离时，垂直于太阳光线的单位面积上，在单位时间内所获得的太阳辐射能量。由于观测仪器、技术及理论校正方法的不同，该常数数值变动于1325-1457w/S2之间。1981年，采用13677w/S24.太阳高度角(太阳高度)地平面太阳高度角定义：指太阳光与地面的夹角。一天中，正午时太阳高度角最大,杆影最短，此时，太阳位于正北或正南；东南北西操场上的旗杆，在一天中杆影什么时候最短？此时杆影朝什么方向？杆影长度与太阳高度角有关。9：0010：0011：0012：00南北夏天中午冬天中午说明：正午太阳高度随季节而变化正午太阳高度季节变化规律：正午太阳高度夏季比冬季大同一地点夏季杆影比冬季短。北半球中纬度某地中午杆影太阳辐照度和太阳高度角的关系到达地面的太阳辐照度和太阳高度角的正弦值成正比.Sinh=SinSinδ+CosΦCosδCosω其中，Φ为观测地点的纬度；δ是观测时间的太阳赤纬即太阳直射点的纬度；ω是太阳的时角，正午为零，上午为负值，下午为正值，每小时15度。时间变化:一天中正午太阳高度角最大,近日出太阳高度角最小。一年中春分、秋分时太阳直射赤道，赤道上的太阳高度角最大，为90°，向北、向南太阳高度角逐渐变小；北半球夏至日最大,冬至日最小.空间变化：正午的太阳高度角随纬度增加而减小。春分、秋分太阳高度角随着纬度的变化一天中正午的太阳高度角h=90°-Φ+δ哈尔滨市正午的太阳高度角：6.21日:h=90-45°41′+23°27′=67°46′3.21和9.23日：h=90-45°41′=44°19′12.23日：h=90-45°41′-23°27′=20°52′太阳高度角的变化五、季节和节气在地球的公转和自转过程中，随着地球在公转轨道位置上的不同，对某一地点所得到的热量就有显著差异，这就形成了季节。具体从以下几个方面考虑：1、当太阳直射北回归线，即夏至日，北半球各地，太阳高度角最大，受太阳照射时间最长，受热最多。2、过了夏至日，太阳直射点南移，太阳高度角变小，昼长变短，北半球受热开始减少。3、到了秋分日，太阳直射赤道，南北半球各地昼长等长。4、秋分后，太阳直射点移向南半球，北半球各地的太阳高度角一致减少，昼长继续缩短。5、到了冬至日，太阳直射南回归线，对北半球各地而言，太阳高度角最小，昼长最短，受热最少。6、冬至后，太阳直射点逐渐北移，北半球各地的太阳高度角又逐渐增大，昼长逐步变长。受热增多。7、如此反复，就形成了春夏秋冬四季的交替。五、季节和节气五、季节和节气春雨惊春清谷天，夏满芒夏暑相连。秋处露秋寒霜降，冬雪雪冬小大寒。每月两节日期定，前后相差一两天。上半年在六二十一，下半年在八二三。反映四季变化的节气？反映气温变化的节气？反映降水和凝结现象的节气？表征物候现象的节气？第三节、太阳辐射在大气中的削弱一、大气的成分和结构1、干洁大气的成分：干洁大气的概念：大气中除去水汽和杂质后混合气体叫干洁大气。其成分主要是N、O、Ar，约占干洁大气总容积的99.97%。还有少量的二氧化碳、臭氧和其他气体。一、大气的成分和结构2、大气中几种物质在气象学上的作用（1）二氧化碳：主要来源是什么？二氧化碳具有较强的吸收长波辐射的能力，其含量的增减能影响地面和大气温度的变化。温室效应。（2）臭氧：主要分布在10-50km的气层里，其中以20-25km高度上比较集中。对紫外线辐射的吸收比较强，一方面可使得40-50km高度上的气温显著增加，同时对地面生物起着保护的作用；在对流层上部和平流层底部产生温室作用。（3）水汽：水汽的来源？变化趋势：具有随高度增加而很快下降的趋势。分布：主要集中在2-3km以下的大气层中。作用：具有很强的吸收长波辐射的能力，与二氧化碳共同对地面温暖起着十分重要的作用。此外，水汽三种形态的变化，伴随着潜能的吸收和释放，不仅引起大气中湿度的变化，同时，也引起热量的转移。一、大气的成分和结构（4）杂质：种类：有机和无机杂质。作用：能削弱太阳辐射能量；能成为水汽凝结的核心，促进水汽的凝结。一、大气的成分和结构二、大气的成分和结构3、大气的结构主要层次平均高度过渡层平均高度对流层0-10平流层11-50对流层顶10-11中间层55-80平流层顶50-55热成层85-800中间层顶80-85表大气中各层次名称和平均高度（km）二、大气的成分和结构对流层的意义：集中了大约80%的大气质量和几乎所有水汽含量，因此主要天气现象的发生都在这一层。其特点有：（1）气温随高度增加而减小。（2）空气有规则的垂直运动和无规则的乱流运动都相当显著。（3）温度和湿度等气象要素水平分布不均匀。三、太阳辐射在大气中的削弱问题1：假如到达大气上界的太阳辐射定为百分之百，而实际上最后到达地球表面的太阳辐射却只有百分之四十七，这是什么原因造成的？大气对太阳辐射的削弱作用表现形式：大气对太阳辐射的吸收大气对太阳辐射的反射大气对太阳辐射的散射大气对太阳辐射的吸收作用地面高层大气平流层对流层臭氧大量吸收紫外线二氧化碳、水汽吸收红外线（大气对太阳辐射中能量最强的可见光吸收得很少，大部分可见光能够透过大气到地面）问题2：为什么大气对太阳辐射具有选择性吸收？大气对太阳辐射的反射作用：参与的大气成分：特点：云层、尘埃无选择性大气对太阳辐射的散射作用：参与的大气成分：空气分子和微小尘埃特点：具