第二章　辐射　

辐射是物体发射电磁波 所有物体都发射与其温度相应的电磁波 物体也吸收电磁波 辐射是能量交换的重要形式。 太阳辐射是地球和大气能量来源，是大气中发生各种变化和过程的能量基础。 植物的生长发育离不开太阳的光和热。 大气温室效应

主要内容 辐射的基本知识 太阳辐射 地面和大气辐射 黑体与灰体 辐射与电磁波 辐射基本规律 太阳的高度与方位、昼长变化 太阳辐射概述 大气层对太阳辐射的影响 到达地面的太阳辐射 与植物的关系 地面和大气辐射 地面辐射 大气辐射 大气温室效应

辐射的基本知识 辐射定义 电磁波 辐射的基本规律 基尔霍夫定律 （Kirchhoff） 斯蒂芬—波茨曼(Stefan-Boltzman)定律 维恩（Wien）位移定律

任何物体(＞－273℃)都会向外发射与其温度相对应的电磁波，即辐射，也称热辐射 发射能量，辐射能 物体也能吸收电磁波 辐射是物体间能量交换的重要方式。

墙 振动与波

变化的电场产生磁场 变化的磁场产生电场 电磁感应 电磁波 振动的分子、原子、电子等产生电磁波 热辐射

不同电磁波的具体波长范围 可见光波长范围 名称 波长范围 紫外线 100埃～0.4微米 可见光 0.4微米～0.76微米 红 外 线 近红外 0.76微米～3.0微米 中红外 3.0微米～6.0微米 远红外 6.0微米～15微米 超远红外 15微米～1000微米 微 波 毫米波 1～10毫米 厘米波 1～10厘米 分米波 10厘米～1米 色彩名称 波长范围 紫 0.40～0.43微米 蓝 0.43～0.47微米 青 0.47～0.50微米 绿 0.50～0.56微米 黄 0.56～0.59微米 橙 0.59～0.62微米 红 0.62～0.76微米

斯蒂芬—波茨曼(Stefan-Boltzman)定律 黑体和灰体 　黑体：能将投射到其表面的辐射全部吸收的物体，如地面、太阳 表面。只能部分吸收的为灰体 黑体的辐射强度（E）与其表面的绝对温度（T）的四次方成正比，即： E=σT4 　　σ=5.67×10-8是斯蒂芬—波茨曼常数。 普通物体的辐射强度 　　　 E= ε σT4 　 ε：辐射率

维恩（Wien）定律 连续辐射波（光）谱 物体辐射能力最强的电磁波波长与T成反比 λmax=2897/T （μm）

例如： 太阳表面温度为6000K，最大辐射波长 λmax=2897/6000=0.48μm 地球表面的平均温度为288K，放射的最大辐射波长为 　　　λmax=2897/288=10μm

基尔霍夫定律 （Kirchhoff） 物体易发射某波段的电磁波，同时也易吸收相同波段的电磁波 物体对电磁波的吸收是有选择性的，如大气、水、玻璃、塑料薄膜、雪等。 （大气温室效应原理）

所有物体都会发射电磁波，高温物体发射的强度大，波长短，低温则较弱，波长较长 太阳短波辐射，地面长波辐射 物体对电磁波的吸收是有选择性的 地面可看作黑体，吸收、辐射能力都 强 黑色的路面 红外测温仪、夜视设备、红外感应等

太阳辐射 太阳的高度与方位、昼长变化 太阳辐射概述 大气层对太阳辐射的影响 到达地面的太阳辐射 植物与太阳辐射的关系

太阳高度与方位意义 太阳高度日变化 年变化 地区变化 建筑物朝向、温室顶面倾角、山的南北坡差别、果园行向、空调安装方位等

北 地平线 天顶 太阳光线 南 日出正东 正午正南 日落正西 春秋分太阳的高度与方位：

北 地平线 天顶 南 日出东偏北 正午 日落西偏北 回归线以北：正南 回归线：天顶 回归线以南：正北 夏至太阳方位

日出 东偏南 正午 正南 日落 西偏南 冬至太阳方位

昼长的时空变化 昼长即是太阳从地平面升起到落下的这段时间，也叫日长或可照时间。 光照时间= 昼长+曙光+暮光 纬度越高，曙暮光时间越长 与植物的光周期有关

太阳辐射概述　 太阳辐射光谱 辐射强度 太阳常数 辐射强度、照度、量子通量密度

太阳辐射光谱 定义 太阳辐射能随波长的分布曲线。 图中： 实线是大气上界的太阳辐射光谱； 虚线是温度在6,000K时的黑体辐射光谱。

太阳辐射概述

太阳辐射概述 波长范围，大约在0.15-4微米之间。 能量分布 波长较短的紫外光区7％ 波长较长的红外光区43％ 可见光区50％ 生理辐射或光合有效辐射

太阳辐射概述 太阳辐射强度 在垂直照射情况下在单位时间内、单位面积上所得到的辐射能量。 太阳常数 在日地平均距离的条件下，在地球大气上界的太阳辐射强度。1367W/m2

太阳辐射概述 辐射强度：w/m2，用能量计算。 照度：光照强度，米烛光（lux)，夏日中午可高达12万lux以上。照明等。 光（量）子通量密度：E/ m2· s 1E=6.02×1022个光子，用于光合作用等较好。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

太阳辐射概述 太阳紫外线(UV)（选讲） 具有较高的能量，波长越短，能量越高。 UVC　 0.2-0.29的紫外线对生物有杀伤作用，可杀死单细胞生物，降低人体免役力，伤害人眼的视网膜，致使失明，好在这部分紫外线基本上被大气中的O3吸收掉了，很少到达地面。

太阳辐射概述 UVB　0.29-0.32波段 紫外线有少量到达地面，这部分紫外线能量也较高，可穿透人的皮肤，产生日灼，甚至皮肤癌（90%的皮肤癌与有关），有意思的是，UVB有利于维生素D的合成，而维生素D与人的健康关系密切。

太阳辐射概述 UVA 0.32-0.4波段 紫外线能量相对较低一些，可使皮肤变红，对免役系统有一定危害。紫外线作用下，皮肤细胞中会产生一些黑色素，黑色素可吸收紫外线，起到保护作用（白种人与日光，皮肤癌）。

太阳辐射概述 紫外线指数预报 紫外线指数：中午前后到达地面的紫外线对人体可能造成的损害程度。 用0至15表示。夜间为0，最强为15。 　1级：0、1、2　　2级：3、4 　3级：5、6　中等强度，有一定影响 　4级：7、8、9较强，危害较大 　5级：10以上，危害大，需预防

大气层对太阳辐射的影响 吸收作用 散射作用 反射作用

大气反射 大气吸收

吸收作用 吸收后变为热能，可使气温升高 水气 0.93～2.85微米之间 吸收物质 臭氧 0.2～0.3微米 尘埃等 大气主体成份无吸收作用 水气　0.93～2.85微米之间 吸收物质 臭氧　0.2～0.3微米 尘埃等 大气主体成份无吸收作用 太阳辐射不是大气　　　　　　　直接热源　 太阳辐射主体未被吸收 眼对紫色不敏感

水汽吸收最强的是在红外区，从0.93-2.85微米之间的几个吸收带。最强的太阳辐射能是短波部分，因此水汽从总的太阳辐射能里所吸收的能量是不多的。据估计，太阳辐射因水汽的吸收可以减弱4-15％。 氮和氧，只有氧能微弱地吸收太阳辐射。在波长小于0.2微米处为一宽的吸收带，吸收能力较强；在0.69和0.76微米附近，各有一个窄吸收带，吸收能力较弱。 臭氧在大气中含量虽少，但对太阳辐射的吸收很强。0.2-0.3微米为一强吸收带，使小于0.29微米的太阳辐射不能到达地面。 二氧化碳对太阳辐射的吸收比较弱，仅对红外区4.3微米附近的辐射吸收较强，但这一区域的太阳辐射很微弱，被吸收后对整个太阳辐射影响不大。

散射作用 辐射遇到大气中的质点，以此为中心向 四面八方散开。只改变方向。 高层大气，或天空晴朗 散射质点：分子 分子散射 又称雷莱散射 散射作用 辐射遇到大气中的质点，以此为中心向 四面八方散开。只改变方向。 高层大气，或天空晴朗 散射质点：分子 分子散射 散射强度：与波长的四次方 　　　　　成反比 类型 蓝天、多彩天空的原因 天空多尘埃、云雾时 粗粒散射 散射质点：粒子 散射强度：与波长无关

反射作用 云层反射平均达50～55％ 大气中较大颗粒的埃尘 散射作用指向天空的部分

到达地面的太阳辐射 由直接辐射和散射辐射组成 太阳高度角 影响因素 大气状况：云量、尘埃 大气透明度等 海拔 比较： 　　　　　大气透明度等 海拔 比较： 高纬和低纬度地区，冬天和夏天，平原和高原 ，晴天和阴天太阳辐射的差异？

太阳高度角与辐射强度 太阳高度角越大，辐射强度越强

太阳高度角与辐射强度 高度越小，路径越长，损失越少

太阳直接辐射光谱与高度角的关系 光谱成分 0.5 5 10 20 30 50 90 紫外线 0.4 1.0 2. 0 2.7 3.2 4.7 0.4 1.0 2. 0 2.7 3.2 4.7 可见光 31.2 38.6 41.0 42. 44. 43. 45.3 红外线 68.8 61.0 58.0 56. 54. 52. 50.0

太阳辐射与植物关系 l. 波长大干1μm的辐射 被植物吸收转为热能，不参与生化作用。 2 波长为0.72-1μm 伸长起作用，其中0.7—0.8μm称为远红光，对光周期和种子形成有重要作用，并控制开花与果实颜色。 太阳辐射与植物关系 3. 波长为0.61—0.72μm的辐射(红、橙光) 被叶绿素强烈吸收，光合作用最强 4．波长为0.51—0.61μm的辐射(绿光)   表现为低光合作用与弱成形作用。 5．波长0.4—0.51μm的辐射(蓝、紫光) 被叶绿素强烈吸收，表现强的光合作用与成形作用 6. 波长0.315—0.4μm的辐射 起成形作用，如使植物变矮、叶片变厚等。 7. 波长0.28—0.315μm的辐射 对大多数植物有害。 8. 波长小于0.28μm的辐射 能立即杀死植物。

地面和大气辐射 地面辐射 大气辐射 大气逆辐射 地面有效辐射 地面净辐射 大气温室效应

地面辐射 1～30 μm 主要在10 μm附近 一般，波长＞4 μm称长波辐射 波长＜4 μm称短波辐射 如地面温度15℃时： 　　　E=εσT4=0.9 × 5.67×10-8 ×2884 　　 　=346.7(w/m2) 　　λmax=2897/T=2897/288=10 （μm）

大气辐射 辐射主体：co2、水气、云、尘埃等 大气逆辐射 大气辐射中向下的那一部分 大气在8～12 μm吸收率很小 大气天窗 是地表失去能量的通道 大气天窗

地面有效辐射 即地面辐射－大气逆辐射 是地表实际失去的辐射能 地表温度，越高，辐射力越强 空气温度，越高，大气逆辐射越强 影响因素 空气湿度，越大，有效辐射越小 天空云量，越多，有效辐射越小 海拔高度，越高，有效辐射越大

地面净辐射R 又称地面辐射差额、辐射平衡 R＝（S＋D）×（1－a)-F0 S：直接辐射 D：散射辐射 a: 反射率 F0：地面有效辐射 到达地面的太阳辐射 R＝（S＋D）×（1－a)-F0 地面得到的太阳辐射 S：直接辐射　D：散射辐射 a: 反射率 F0：地面有效辐射

意义： 影响因素 R是地面净得到或净失去的辐射能，对天气和气候有重在意义。 R＞0，净得到辐射能 R＜0，净失去辐射能 到达地面的太阳辐射 下垫面反射特征 大气状况 海拔高度 影响因素

大气温室效应---全球性议题、核心 地球辐射平衡温度 地球得到的太阳辐射能与地球失去 的辐射能应相等，否则会升温或降温 理论上地球均温为-18℃ 实际为+15 ℃ 这是大气温室效应的结果

玻璃阻隔室内外空气热交换 温室效应原因 短波辐射易进，长波不易出 大气温室 效应： 短波辐射易进，长波不易出 大气的温室效应是必要的 问题在于温室效应的增强

近百年地球均温升约0.6℃ 预计未来升温1至6 ℃ 气候变暖，气温升高 海平面上升，影响沿海地区 极地、高山、高原冰川减少 气象灾害增多、增强

1、名词解释： 　辐射、辐射能、电磁波谱、净辐射、辐射差额、地面辐射、地面有效辐射、大气逆辐射、分子散射、漫反射、短波辐射、长波辐射、近红光、远红光、近红外光、远红外光、黑体、太阳常数、光合有效辐射 2、物体辐射的基本规律？ 3、太阳辐射的波长范围？可分为几部分？各部分能量比例？ 4、大气对太阳辐射有哪些影响？ 5、比较高原和平原、高纬和低纬、冬天和夏天、中午和早上的太阳辐射。 6、地面有效辐射及影响因素？ 7、地面净辐射及影响因素？ 8、太阳辐射与植物生长发育的关系？ 9、为什么天气晴朗时天空呈蓝色，而浑浊时呈灰白色？日出日落时太阳呈红色？ 10、大气温室效应的原理？大气天窗？