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第二章 辐射
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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
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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
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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
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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。
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墙 振动与波
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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
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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
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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
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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）
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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
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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）
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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
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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
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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
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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：
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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
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日出 东偏南 正午 正南 日落 西偏南 冬至太阳方位
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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
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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
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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。
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太阳辐射概述
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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
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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
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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。
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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 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。
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太阳辐射概述 UVB 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。
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太阳辐射概述 UVA 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）。
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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
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大气层对太阳辐射的影响 吸收作用 散射作用 反射作用
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大气反射 大气吸收
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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
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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。 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。
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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
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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
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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？
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太阳高度角与辐射强度 太阳高度角越大，辐射强度越强
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太阳高度角与辐射强度 高度越小，路径越长，损失越少
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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
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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。
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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
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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）
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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？
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