大气的热能和温度德州学院地理系.ppt
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1、第二章大气的热能和温度,第一节 太阳辐射,第二节 地面和大气辐射,第三节 大气的增温和冷却,章节介绍,第四节 大气温度随时间的变化,第五节 大气温度的空间变化,辐射概述,物体对辐射的吸收、反射和透射 吸收率、反射率、透射率;黑体、白体,辐射的基本知识,辐射的基本定律,基 尔 霍 夫 定 律,斯蒂芬(Stefan)-玻耳兹曼(Boltzman)定律,维恩(Wein)位移定律,在一定温度下,任何物体对于一定波长的放射能力e(,t)和吸收率K(,t)的比为一常数E(,t)E(,t)=e(,t)/K(,t)。该常数E(,t)仅与波长和湿度有关,而与物体的性质无关。,基尔霍夫定律,对于不同物体而言,放射
2、能力较强的,其吸收能力也强。黑体的吸收率最大,所以它也是最好的放射体。对于同一物体而言,如果在温度T时,它放射某一波长的辐射,那么在同样T下,它也吸收同一波长的辐射。基尔霍夫定律说明,不管什么物体,只要T、相同,它的放射率和吸收率的比值是一样的。E(,t)=e(,t)/K(,t)=e0(,t)/1=e0(,t)对于任何物体m而言,他在温度T时,对于某一波长的放射能力em(,t)与同温下对同波长的吸收率之比就等于黑体在同温度T下对同一波长的放射能力。这样,基尔霍夫定律就把物体的放射、吸收与黑体的辐射能力联系起来,从而有可能通过研究黑体辐射来了解一般物体的辐射。基尔霍夫定律适用于处于辐射平衡的任何
3、物体,对流层、平流层和地表均可看作是处于辐射平衡状态,因此可直接应用这一定律。,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。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=T4 上式称斯蒂芬-波耳兹曼定律。式中=5.6710-8W/(m2K4)为斯蒂芬-波耳兹曼常数。,黑体放射能力与波长、温度的关系,维恩(Wein)位移定律,黑体单色辐射极大值所对应的波长(m)是随温度的升高而逐渐向波长较短的
4、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mT=C(213)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。,太阳辐射,太阳辐射光谱和太阳常数,太阳辐射光谱太阳辐射中,辐射能按波长大小的分布。,大气上界的太阳辐射光谱是在0.1-5微米的范围内,其中99%以上的能量集中在0.15-4微米之间,且主要分布在可见光和红外区,其中可见光占太阳辐射总量的50%,并以0.475微米附近的辐射能量最强,这一波长相当于青光;红外区占总能的43%,紫外区只占7%。,太阳常数就日地平均距离而言,在大气上界垂直于太阳光线的1c
5、m2的面积,1分钟获得的太阳辐射能。用IO来表示。,大气对太阳辐射的吸收,水汽主要集中在红外区。太阳辐射因水汽的吸收可以减少4-15%。所以,大气因水汽直接吸收太阳辐射而引起的增温并不显著。,臭氧在可见光区、紫外区都有较强的吸收带,但因大气中臭氧含量甚微,故大气因臭氧直接吸收太阳辐射而引起的增温不显著。,CO2对太阳辐射的吸收仅在红外区的4.3微米处,该区域太阳辐射强度小,被吸收后对整个太阳辐射并无多大影响。,结论:大气对太阳辐射的吸收带均位于太阳辐射光谱两端的低能区,大气成分对太阳辐射的减弱并不明显。也即大气因直接吸收了太阳辐射而引起的增温不明显。因此说,太阳辐射并不是低层大气的直接热源。,
6、太阳辐射在大气中的减少,1、当太阳辐射遇到的是直径比波长小的空气质点时,波长越短,散射越强。这被称为分子散射或蕾利散射。,解释现象:雨过天晴,天空呈蔚蓝色。,2、当太阳辐射遇到的是直径比波长要大的空气质点时,此时各波段的电磁波均被散射,这叫粗粒散射、米散射或漫射。,解释现象:灰色而浑浊的天空,大气对太阳辐射的散射,云的反射最强,对太阳辐射的反射可达50-55%。,结论:在吸收、散射和反射三种方式中,反射最主要,散射次之,吸收最少。就全球平均状况而言,太阳辐射有30%被反射和散射到宇宙空间,20%被吸收,50%可直接到达地面。,解释现象:日出、日落,太阳四周呈红色。,云层、尘埃的反射,到达地面的
7、太阳辐射,太阳辐射经过大气层的吸收、反射和散射后剩余的50%就可到达地面。到达地面的太阳辐射有两部分:一是太阳以平行光线的形式直接投射到地面上的,称为太阳直接辐射;一是经过散射后自天空投射到地面的,称为散射辐射,两者之和称为总辐射。,一、直接辐射,二、散射辐射,三、总辐射,太阳直接辐射的强弱和许多因子有关,其中最主要的有两个,即太阳高度角和大气透明度。,太阳高度角的大小对太阳直接辐射的影响有两个方面。高度大小不同,影响到太阳辐射投射到地面上的面积的大小。太阳高度角的大小,还直接影响到太阳辐射通过大气层的厚度和大气质量。一般以太阳高度角为90(直射),在地面为标准气压(海平面压力为1013hPa
8、)时,太阳光垂直投射到地面所经路程中,单位截面积的空气柱的质量,称为一个大气质量。,直接辐射,大气透明度 在相同的大气质量下,到达地面的太阳辐射也不完全一样,因为还受大气透明度的影响。一个地区在一天中大气透明度的变化很小,所以影响直接辐射的主要因子是太阳高度角。,直接辐射有显著的年变化、日变化和随纬度的变化。这种变化主要由太阳高度角决定。同一地区,在一天当中日出、日没时太阳高度最小,直接辐射最弱;中午太阳高度角最大,直接辐射最强。同样道理,在一年当中,直接辐射在夏季最强,冬季最弱。但是,有的地区夏季云量多,云层厚直接辐射的最大值在盛夏前后。不同地区,低纬度地区一年各季太阳高度角都很大,地表面得
9、到的直接辐射较中、高纬度地区大得多。,太阳辐射的时空变化,散射辐射也要受太阳高度、大气透明度的影响,同时与云量、海拔高度有关。在上述因子影响下,表现为随高度脚增大而增大,随大气透明度变小而增大,随云量增多而增多,随海拔增大而减小。,散射辐射,地面获得的总辐射一般来说是随着太阳高度的增大而增大随大气透明度的提高而增大。,一天中,日出以前,地面上总辐射的收入不多,其中只有散射辐射;日出以后,随着太阳高度的升高,太阳直接辐射和散射辐射逐渐增加。但前者增加得较快,即散射辐射在总辐射中所占的成分逐渐减小;到中午时太阳直接辐射与散射辐射强度均达到最大值;中午以后二者又按相反的次序变化。云的影响可以使这种变
10、化规律受到破坏。例如,中午云量突然增多时,总辐射的最大值可能提前或推后,这是因为直接辐射是组成总辐射的主要部分,有云时直接辐射的减弱比散射辐射的增强要多的缘故。在一年中总辐射强度(指月平均值)在夏季最大,冬季最小。,总辐射随纬度的分布一般是,纬度愈低,总辐射愈大。反之就愈小。,太阳总辐射大时,地面获得的热量就多,地面温度就高,所以地面温度的年际变化实质上就是太阳总辐射的年际变化。,总辐射,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,决定于地表面的性质和状态。陆地表面对太阳辐射的反射率约为1030。,地面对太阳辐射的反射,第二节 地面和大气的辐射,
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