第五章辐射2AtmosRad.
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1、第五章第五章地面和大气中的辐射过程地面和大气中的辐射过程5.3 5.3 地球大气与辐射的相互作用地球大气与辐射的相互作用重点：重点：吸收光谱、散射特征、布格定律吸收光谱、散射特征、布格定律相关物理量相关物理量5.3.1 5.3.1 大气吸收的物理过程大气吸收的物理过程吸收：投射到介质上面的辐射能中的一部分被转变为物质本身的内能或其它形式的能量大气中有各种气体成分及气溶胶粒子对辐射具有选择吸收的特性是分子和原子结构及其所处运动状态决定的。气体分子或原子内的气体分子或原子内的电子能级跃迁电子能级跃迁、原子和分子、原子和分子的的振动和转动振动和转动等所发射和吸收的辐射谱等所发射和吸收的辐射谱是非连续
2、是非连续性的性的，构成，构成原子的线光谱原子的线光谱和和分子的带光谱分子的带光谱。单个分子，当它处于某一特定运动状态时，其分单个分子，当它处于某一特定运动状态时，其分子内部总能量子内部总能量E E由三部分组成由三部分组成E =Ee+Ev+Er（5.3.1） Ee：绕原子核转动的外层电子的动能和静电位能绕原子核转动的外层电子的动能和静电位能Ev：原子在其平衡位置附近振动的能量原子在其平衡位置附近振动的能量Er：分子绕其质量中心转动的能量分子绕其质量中心转动的能量 分子光谱分子光谱吸收系数吸收系数单个粒子的吸收截面单个粒子的吸收截面s sab 粒子所吸收的辐射通量相当于面积粒子所吸收的辐射通量相当
3、于面积s sab从入射辐从入射辐射场中所截获的辐射通量（订正教材）射场中所截获的辐射通量（订正教材）体积吸收系数体积吸收系数单位体积中各粒子吸收截面之和（单位体积中各粒子吸收截面之和（kab=Ns sab）质量吸收系数质量吸收系数单位质量的吸收物质（单位质量的吸收物质（1 1cmcm2 2气柱中）吸收了原气柱中）吸收了原辐射能的份数辐射能的份数(5.3.19)(5.3.19)ababababANkNkMssabk选择性吸收选择性吸收太阳短波辐射：太阳短波辐射：H H2 2O O、O O2 2、O O3 3地气长波辐射：地气长波辐射：H H2 2O O、COCO2 2、O O3 3气体吸收对大气
4、辐射平衡的重要性取决于：气体吸收对大气辐射平衡的重要性取决于：一是吸收线的强度一是吸收线的强度二是吸收气体的含量及其空间分布。二是吸收气体的含量及其空间分布。5.3.2 5.3.2 大气吸收光谱大气吸收光谱H H2 2O O吸收约吸收约20%20%的太阳能量的太阳能量几乎覆盖长波辐射整个波段几乎覆盖长波辐射整个波段6.3 m振动带振动带大于大于12 m转动带转动带5.3.2 5.3.2 大气吸收光谱大气吸收光谱H H2 2O OH H2 2O O主要集中在大气下层，吸收作用主要在对流主要集中在大气下层，吸收作用主要在对流层，特别是对流层下层层，特别是对流层下层液态水：吸收带与气态对应，波段向长
5、波方向移动液态水：吸收带与气态对应，波段向长波方向移动5.3.2 5.3.2 大气吸收光谱大气吸收光谱O2主要在小于主要在小于0.25 m的紫外区：的紫外区：舒曼舒曼龙格（龙格（SchumannSchumann- -RungeRunge）吸收带）吸收带赫兹堡（赫兹堡（HerzbergHerzberg）带）带因小于因小于0.25 m的太阳辐射能量不到的太阳辐射能量不到0.2%0.2%，而且，而且O2在可见光波段的两吸收带较弱，所以对太阳在可见光波段的两吸收带较弱，所以对太阳辐射的削弱不大。辐射的削弱不大。5.3.2 5.3.2 大气吸收光谱大气吸收光谱O3强吸收在的紫外区：强吸收在的紫外区：哈特
6、来（哈特来（HhartleyHhartley）带）带最强最强哈金斯（哈金斯（HugginsHuggins）带）带较弱较弱可见光区：查普尤（可见光区：查普尤（ChappuisChappuis）带带较弱较弱O3层吸收太阳辐射的2%平流层温度高的原因红外区：4.7 m、9.6 m 、14.1 m较强吸收带较强吸收带5.3.2 5.3.2 大气吸收光谱大气吸收光谱19321932年：严济慈采用照相光年：严济慈采用照相光度术，精确测定了臭氧在全度术，精确测定了臭氧在全部紫外区域（部紫外区域（215-345215-345纳米）纳米）的吸收系数，并发现了若干的吸收系数，并发现了若干新光带新光带国际臭氧委员会
7、把严济慈精国际臭氧委员会把严济慈精确测定的吸收系数定为标准确测定的吸收系数定为标准值，各国气象学家用以每日值，各国气象学家用以每日测定高空臭氧层厚度的变化，测定高空臭氧层厚度的变化，长达年之久长达年之久5.3.2 5.3.2 大气吸收光谱大气吸收光谱CO2大于大于2 m的红外区：的红外区：较强中心：较强中心： 2 2.7m、4.3m 、15m15m最重要5.3.2 5.3.2 大气吸收光谱大气吸收光谱紫外波段紫外波段O2、O3把把0.290.29 m以下的紫外辐射几乎全部吸收以下的紫外辐射几乎全部吸收可见光波段只有非常少量的吸收可见光波段只有非常少量的吸收红外波段红外波段主要是水汽的吸收，其次
8、是主要是水汽的吸收，其次是CO2和和CH4。 1414 m以外的辐射不能透过大气传向外空以外的辐射不能透过大气传向外空。5.3.2 5.3.2 大气吸收光谱大气吸收光谱大气透明窗或大气光谱窗大气透明窗或大气光谱窗8 8 12 12 m大气的吸收很弱大气的吸收很弱地表的温度约地表的温度约300300K K，与这个温度相对应的黑体与这个温度相对应的黑体辐射能量主要集中在辐射能量主要集中在1010 m这一范围，通过窗这一范围，通过窗区，地面发出的长波辐射可顺利地被发送到宇区，地面发出的长波辐射可顺利地被发送到宇宙空间宙空间。5.3.2 5.3.2 大气吸收光谱大气吸收光谱5.3.3 5.3.3 大气
