第二章 大气的热能和温度

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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（λ，t）和吸收率K（λ，t）的比为一常数E（λ，t）E（λ，t）=e（λ，t）/K（λ，t）。该常数E（λ，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①对于不同物体而言，

2、放射能力较强的，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。②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、λ相同，它的放射率和吸收率的比值是一样的。E（λ，t）=e（λ，t）/K（λ，t）=e0（λ，t）/1=e0（λ，t）对于任何物体m而言，他在温度T时，对于某一波长λ的放射能力em（λ，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

3、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=σT4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。黑体放射能力与波长、温度的关

4、系维恩（Wein）位移定律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

5、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1cm2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

6、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。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，

7、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

8、辐射的影响有两个方面。①高度大小不同，影响到太阳辐射投射到地面上的