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1、1,Ch02、辐射和大气的能量平衡,太阳和太阳的能量电磁波和辐射辐射和温度大气温室效应地球和大气对太阳辐射的散射和反射外界强迫导致辐射收支不平衡阅读：Meteorology Today，第2和3章,2,1、太阳的能量,驱动和加热地球大气的能量来源于太阳；能量自太阳传送至地球是通过辐射过程实现的，本章我们将学习能量的辐射以及大气中的热量平衡。虽然地球中心的温度很高，但地热可以忽略不计，这与木星和土星不同，这些巨大的行星本身也具备一定的能源（木星如果再大一些，它将可能成为一个太阳）。,3,太阳的能量,太阳距地球的距离是1.5108KM.太阳中心温度高达15百万度，这是氢核反应的结果（氢聚变生成氦)
2、。太阳表面的温度大约是6000oC.太阳表面京城出现黑色的斑点，也就是太阳黑子，直径可达5倍地球直径那么大，可能是强磁场活动的结果。黑子周围很亮的地方释放较高的温度。太阳黑子有11年的活动周期。,4,太阳表面的火焰可延伸数十万公里,5,太阳辐射,粗略地讲，太阳以两种方式向外放射能量（物质）。一种是以电磁波（光波）的方式，该部分是加热地球大气的能量，这将是本章的重点；另一部分是以磁流体（Plasma）的方式发射粒子（离子和电子），也就是太阳风，这一部分也会导致地球大气发生变化。这里，我们将简单地讨论这一部分。,6,极光现象,由于极高的温度和剧烈的碰撞，太阳大气的离子（电子）将获得极高的速度，从而
3、脱离太阳的引力而逃向太空，这些粒子流被称之为太阳风。强烈的太阳风与地球磁场发生作用，使得朝着太阳的一面磁场被压缩，背向太阳的一面的磁场被拉伸。太阳风粒子与高层大气分子发生作用，原子被激发产生可见光，这种光被称为极光（Aurora）。,7,磁极和地极并不重合,因为磁力线在南北极穿越地球，太阳发射的粒子沿磁力线运动，易于和磁极附近的大气分子发生作用，所以，极光通常发生在靠近极地的区域，但极光出现的区域与地理极圈并不重合。极光出现的高度大约在80-150KM。,8,2、辐射和电磁波,辐射过程是物体以电磁波形式发射或吸收能量，简称辐射。在辐射传输的过程中，能量可以从一个物体输送到另一个物体，而它们之间
4、的空间并不必要被加热。这和热传导不同。电磁波是随时间变化的电磁场其能量以波动的形式在空间传播。在没有实物媒质存在时，电磁辐射的传播速度为一普适恒量c，即光速。电磁辐射具有波动的一般特性，如反射，折射，衍射，干涉等，它也具有微粒性，它的辐射能是量子化的。,9,热传导,The transfer of heat from molecule to molecule within a substance is called conduction.热传导总是把热量从高温处传向低温处热传导中单位时间传递的热量与二点的温度梯度成正比，比例系数称为热传导系数。热传导系数反映了各种不同物体热传导的能力。,10,电
5、磁波谱,电磁波按其频率或波长的排列构成电磁波谱。整个波谱包含宽广的频率范围，可分为许多分支区段。,11,电磁波的速度,尽管各种波长的电磁波有许多不同的特性，但它们的传播速度是一样的。在真空中，其速度为30万公里/秒。在各种不同介质中，电磁波有不同的传播速度。其中 m 为介质的折射率，是由介质的物理特性决定的。,12,光的波粒二相性,从电磁波的粒子模型来考虑，电磁波可以看作一束粒子流，一个个粒子叫做光子。每个光子携带有一定的辐射能，其大小与其振动频率成正比。因此频率越高的电磁波，每个光子所携带的能量越大(E=h)。波长很短的电磁波，例如 X射线和紫外线，它们每个光子所携带的能量很大，对人体或生物
6、会有伤害。,13,3、辐射和温度,任何物体，只要温度不是绝对温度 0 度，都在辐射着电磁波。同时也吸收着从四面八方传播过来的电磁波。这一物体就这样通过辐射过程与周围环境交换着能量。根据物体的性质，并不是所以波长的电磁波都能吸收。某种物体可能吸收某些波长或波段的电磁波，同时它也发射这些波长或波段的电磁波。这就是 Kirchhoff 定律。每一种物体对不同波长电磁波的吸收能力大小构成该物体的电磁波谱。该定律指出，对于某一波长来说，如果一个物体是好的吸收体，他同时也是好的发射体，差的吸收体也是差的放射体（严格地讲，该定律仅适用于气体）。,Gustav Kirchhoff(1824-1887):德国物
7、理学家，26岁时成为University of Breslau的教授。对能量辐射、电学和光谱学做出了巨大贡献，发现了铯和铷元素（与Bunsen合作）。,14,黑体和灰体,如果某种物体，对所有波长的辐射都有完全的吸收能力，即对任何波长，吸收系数均为100%。这种物体就称为黑体。自然界并不存在真正的黑体，因此黑体只能是一种理想的物体。我们可以制造出一些十分接近要求的理想黑体。如果某种物体，对所有波长的辐射都有相同的吸收能力，即对任何波长，吸收系数均为某一常数。这种物体就称为灰体。,15,Planck定理,由于黑体对所有波长的辐射都吸收，因此它在所有的波长都辐射能量。黑体的辐射可以用 Planck
8、定理来描述。,Max Plack(1858-1947):德国物理学家，是Helmholtz和Kirchhoff的学生，在27和31岁时分别成为University of Kiel和University of Berlin的教授。对量子理论的发展做出了巨大的贡献。1918年获得Nobel Prize。,16,太阳和地球的辐射波谱,17,右图给出的是Planck公式中辐射能量随的分布。它有一个单一的峰值，利用简单的数学运算，我们可以得到对应最大辐射能量的max值。Wien发现max和物体的温度的积 是一个常量，这就是 Wien 定理。这里，是物体具有最大辐射能量的波长。Wien定理表明，温度越高的
9、物体，物体的最大辐射能量所对应的波长越短。,Wien 定理,Wilheim Wien（1864-1928），德国物理学家，由于发现了Wien定理，他于1911年获得了Nobel Prize。,18,太阳和地球的辐射波长峰值,太阳的温度大致是 6000K，其辐射的峰值波长是 0.55 m。地球表面的温度大致是 288K，其辐射的峰值波长大约是 10 m。在大气科学中，常把太阳辐射称为短波辐射，把地球辐射称为长波辐射。短波辐射的范围是从0.2 m 到 4.0 m，长波辐射的范围是从 4.0 m 到 20 m。,19,太阳波谱及其辐射能量所占的比重,20,Stefan Boltzmann定律,对Pl
10、anck公式在各个波段进行积分，我们可以得到用Stefan Boltzmann 定律,它描述的是黑体向外辐射的总能量与温度的关系,Joseph Stefan（1835-1893），奥地利物理学家，28岁时成为维也纳大学的教授，开创了分子扩散理论，在辐射方面也做出了巨大贡献。Ludwig Boltzmann（1844-1906），奥地利物理学家，对气体运动理论和统计力学做出了重要贡献。,21,太阳的辐射通量,太阳的辐射温度是5800K，根据Stefan Boltzmann 定律，我们得到 太阳表面的辐射强度（通量）为E太阳=6.4107W/m2。那么在到达地球时，太阳的辐射通量可以通过下面的公式
11、求出,r,d,22,地球接受太阳的辐射,地球围绕太阳运行，它一面吸收太阳辐射，一面以它自身的温度向宇宙空间发射辐射。其热量平衡关系应当有这里，S0 为达到地球大气上界的太阳辐射通量，T 为辐射平衡温度，为地球大气系统对太阳辐射的反射率。,R,23,地球接收太阳的短波辐射，放出红外长波辐射,24,地球表面的温度,根据目前测量得到的数据，S0=1376 w/m2(+3.4%-3.5%)=0.3 R=6370 km计算得到 T=2550K（-180C）它远低于地球表面的实际平均温度 150C问题出在那里呢？就是大气中温室气体的温室效应，它使地面的平均温度上升了 330C，从 180C 变为 150C
12、。,25,4、大气的温室效应(Greenhouse Effect),物质对辐射具有选择性吸收（物质的吸收性质取决于物质的分子结构）。如H20、CO2、CH4、CFCs、N2O等很少吸收太阳的短波辐射，但它们对红外长波辐射的吸收很强。O3既吸收太阳的紫外辐射，也吸收红外长辐射。右图给出的是大气成分分的吸收波谱。,26,温室气体的吸收谱,作为温室气体，它们在太阳辐射的主要波段必需透明，即很少吸收太阳辐射。温室气体应当对地球辐射的波段有较强的吸收。但注意，没有一种气体对所有的长波辐射都完全吸收，只是对其中某些波段有吸收。由于地面发射的长波辐射的峰值波长是 10 m，因此，如果哪种气体对 10 m附近
13、有强的吸收，它引起温室效应的效应就比较高。主要的温室气体有：H2O、CO2、O3、N2O、CH4、CFCs,27,大气的温室效应,温室效应来自地球大气中某些气体的选择吸收特性。这些温室气体对太阳的短波辐射几乎没有吸收，让它达到并加热地面，而对长波辐射则有很强的吸收，使地面发出的长波辐射无法完全离开地球大气。其总的效果是使对面温度升高。,28,温室效应(Greenhouse Effect),29,温室效应,温室气体的辐射效果很象温室的玻璃，它允许太阳光通过，但不让红外辐射通过（玻璃对红外辐射的吸收系数很大）。温室内的温度就要比温室外高好多度。大气的温室效应与温室玻璃有着根本的区别，温室玻璃不让红
14、外辐射通过，这与温室气体的温室效应相同。但是，温室玻璃还隔绝了温室内外的热对流和热交换，这一保温作用甚至比其不让红外辐射透过的作用更强。相比之下，大气的温室效应并不隔绝热对流和热交换。所以，我们应从物理上理解它们的不同之处。法国科学家Jean-Baptiste Fourier 于1827 年首先提出了大气温室效应的概念，并使用了这一名词。,30,5、对太阳辐射的散射、反射,太阳短波辐射射到地球大气里以后，它要和大气和地面作用。地球大气中有空气分子和气溶胶粒子，它们会散射和吸收短波辐射。地面对短波辐射也会反射和吸收。云对太阳辐射也有反射和吸收作用。其结果是一部分辐射能被反射回宇宙空间(30%)，
15、一部分辐射能被大气吸收(19%)，一部分辐射能被地面吸收(51%)。,散射,地球大气中有空气分子、云滴、雨滴和各种气溶胶粒子，当电磁波辐射在大气中遇到这些粒子后，会产生散射现象，入射到大气粒子的辐射改变方向，向各个方向的散射，原入射方向上的能量因此被削弱。,散射,吸收,太阳辐射光谱,地面观测的太阳光谱,散射与波长和粒子的大小有关,研究表明粒子散射的强弱与电磁波波长（）和大气粒子的相对大小有关。如果一个圆形离子的半径用r表示，该粒子的周长与电磁波波长的比率称为粒子的尺度参数，,瑞利散射,当空气粒子远小于某一辐射波长时（x1或者r时），空气粒子对该波长的散射称为瑞利散射。因为空气分子的大小约为10
16、-4 m，而可见光波长在0.5 m，所以，空气分子对太阳辐射的散射属于瑞利散射；瑞利（Lord Rayleigh(John William Strutt)，18421919）：英国物理学家，对物理学的许多领域都作出了杰出的贡献，如光学、声学、流体力学、电动力学等。1904年获得诺贝尔物理学奖。他早年在剑桥大学学习，后来在那里工作。,米散射,当空气粒子的大小与某一辐射波长相当时（0.1x50，r），散射称为米2散射。因为大气气溶胶粒子的直径大约在0.110 m，它们对可见光的散射属于米散射。云滴的直径一般在几个微米左右，它们对太阳光的散射也属于米散射。但是，气溶胶和云滴对红外和微波的散射则属于瑞
17、利散射；,34,米（Gustav Mie，18681957）：德国物理学家。对电磁散射理论作出了杰出的贡献。,几何散射,当空气粒子远大于某一波长时，散射属于几何散射的范围。几何散射指的是粒子对太阳光产生折射和反射，这些属于几何光学的范围。雨滴和冰晶的大小在几个微米和几十微米之间，光它们对太阳产生折射和反射，形成雨虹和日晕等光学现象，这些都属于几何散射。,35,瑞利散射和米散射的差异,瑞利散射和米散射之间的差别可以下图看出。入射光经过瑞利散后，光线并不完全在原来的方向传播，而是被散射向各个方向。但是，散射并非是各向同性的，与入射光平行的方向上的散射（前向和后向散射）较强，与入射光垂直方向上的散射
18、则相对较弱。米散射也导致光线朝着各个方向发射，但与瑞利散射不同的是，在米散射过程中光线更倾向于前向散射，在其它方向上则较弱。随着粒子尺寸的变大，米散射过程中的前向散射更强，如图c。,入射光线的方向射,散射的本质,简单地讲，散射可以看成是光子与粒子之间的弹性碰撞，光子被碰撞后改变传播方向而向各个方向散射，但光子的能量并不改变，这与前面的太阳辐射被空气分子和粒子吸收不同。在散射过程中，虽然总的辐射不变，但由于辐射被散射各个方向，所以，在原传播方向的辐射强度被削弱。,37,米散射,米散射的强弱不仅与入射辐射的波长有关，还与散射粒子的折射率有关，这可以通过散射系数与折射指数来解释。折射系数是一个稍微有
19、些复杂的复数，m=mr+imi。它的实部mr是粒子的折射率，虚部mi与粒子的吸收性能有关，mi=0表示粒子对辐射没有吸收。,米散射,右图给出的是折射率mr=1.5时的散射消光系数与尺度参数x的关系，消光系数先是随x的增大而增加，在x=4附近达到最大值，然后变小，说明大气中的粒子对波长接近于其半径（r）的电磁波散射最强，这一结论在实际应用中非常重要。气溶胶粒子的半径大约是r0.1 m，接近于可见光波长，所以，对太阳光的散射属于米散射。因为气溶胶主要散射红黄光，所以，在空气污染较严重时，日落或日出时的太阳比空气清洁时更红。随着x的增大，散射系数呈波动变化，并逐渐衰减和趋近于一个定常值2，意味着当粒
20、子半径比入射波长大得多时，粒子对电磁波的散射强度与波长无关。云滴的半径大约是10 m，对应的尺度参数是x100，这时，云滴对各种波长可见光的散射是相同的，所以，云看起来呈白色。大的气溶胶粒子对太阳光的散射效应与云滴类似，所以，有时天空虽然没有云，但严重的空气污染也会使天空呈白色。,空气粒子对辐射的吸收和散射,大气粒子不仅散射太阳辐射，也吸收太阳辐射，这两者其实是联系在一起的。从上图可以看出，吸收性较强的粒子的散射系数较小，随着粒子尺度的增加，散射系数趋近于1；而吸收性较弱的大气粒子的散射系数较大，随着粒子尺度的增加，散射系数趋近于2。粒子的吸收和散射性质通常用所谓的单一散射反照率来衡量，,单次
21、散射反照率,单次散射反照率然反映的是大气粒子散射和吸收的相对重要性。对于无吸收的粒子，的值等于1；对于吸收性较强的粒子，吸收系数可以小于0.5。气溶胶粒子对可见光的散射较强，其的值通常比较大。一般认为气溶胶的散射会增加地气系统对太阳辐射的反照率，减少到达地面的太阳辐射能量，其结果使系统温度下降。但也有些气溶胶对太阳辐射的吸收性较强，如炭黑，它们的吸收作用可以超过散射的作用，可以使地气系统升温。,42,大气的散射和吸收,空气分子的散射相对来说是比较简单的，但它也有一个多次散射的问题，即散射光射到其它分子上还可以再一次散射，从地面反射上来的光射到其它分子上也可以再一次散射，因此问题就变得十分复杂。
22、气溶胶散射的问题就比较复杂，关键是气溶胶的含量和特性的变化太大。一般认为气溶胶的反射会增加地气系统对太阳辐射的反射，减少了系统输入的能量，其结果使系统温度下降，但若气溶胶对太阳辐射的吸收能力很强，则吸收的作用可以超过散射的作用，这时，可以使地气系统降温。,43,云的反射和吸收,云对太阳辐射的反射和吸收对地气系统的能量平衡有很大的作用，但它也是一个很不确定的量。云量的多少，云的特性都有极大的空间和时间变化。一般来说，低层云反射太阳短波辐射的强度大于它对红外长波的吸收强度；而高层云正好相反。早期的卫星大多用来研究云量及其分布，近年来新的卫星资料还可以进一步研究云的微物理特性，包括相态，粒子大小和浓
23、度，最好还能提供粒子的形状，但现在还没有办法。,44,海水的反射率非常低,地面对太阳辐射的反射只占4%，但它实际上对决定30%这个数值影响是很大的。地气系统的反射率只有30%很大程度上是由海水的低反射率造成的。清洁海洋的反射率小于5%，而且海洋占了地球表面的70%，因此，即使冰雪或云的反射率可大到90%，整个地球大气系统的反射率还只有30%。,45,地球大气系统的反射率,被地球和大气系统反射的比例称为地气系统反射率，它是一个非常重要的参数。因为它是决定地气系统到底接受了多少能量。目前测量结果是全球平均值是=30%。地气系统的反射是由三个过程组成的：空气分子和气溶胶的散射；云的反射；地面的反射。
24、,46,不同物体的反射率比较,47,地球大气系统的辐射平衡,48,6、外界强迫导致辐射收支不平衡,如果收支不平衡，事情会怎样呢？就地球大气系统整体而言，如果大气上界进入的能量增加了，地球大气系统要增温，反之要降温。近来，很多讨论集中于人类活动对气候的影响。也即讨论由于人类活动引起某种因子有变化，例如CO2的浓度增加了，或气溶胶的浓度增加了，它会对全球气候产生什么影响。这时，常常引用辐射强迫这个名词。,49,温室气体增加,讨论辐射强迫时先要确定一个参考时间，常用工业革命之前（1750年），假定这时候人类活动对自然界的影响不大，大气能量收支处于平衡状态。而现在CO2增加了，它增加了对地面发射的长波
25、辐射的吸收，从而减少了大气顶部向外辐射的长波辐射，因此使地面要增温。这是一个正的辐射强迫。气候模式计算表明，由于CO2浓度倍增，即比工业革命之前的浓度增加一倍（280 560ppm），大气顶出射的长波辐射要减少4w/m2，即辐射强迫为正的4w/m2。从1750 2000年，CO2变化从280 365ppm，辐射强迫约1.5w/m2。现在我们已经知道，许多温室气体的增加（CO2,H2O,CH4,N2O等）都有正的辐射强迫。,50,水汽对辐射的正反馈和负反馈,水汽是一种温室气体，它的增加导致温度升高，温度升高导致大气中含有更多的水汽，大气的温室效应更强，这是水汽对辐射的正反馈作用。当大气中的水汽增
26、多时，云量增加，云的增加对入射的太阳辐射产生反射，使地球大气系统收入的能量减少，这导致负的辐射强迫。,51,气溶胶的直接和间接辐射强迫,气溶胶的增加引起的辐射强迫就比较复杂，它有直接的辐射强迫和间接的辐射强迫。气溶胶的直接的辐射强迫：指气溶胶浓度增加后，它对太阳辐射的散射和吸收会增加，但散射作用会使地球大气系统反射太阳辐射增加，是一种负的辐射强迫；而吸收则使入射的太阳辐射增加，是一种正的辐射强迫。因此单就气溶胶的直接的辐射强迫而言，它到底是增温还是降温，还要看气溶胶的特性。总体而言，气溶胶增加导致太阳向地球的短波辐射减少和地面温度降低。气溶胶的间接的辐射强迫：气溶胶还是一种云凝结核。气溶胶的增
27、加有可能使云量增加，降水减少。这就使云对太阳入射辐射的反射增加，因此是一种种负的辐射强迫。,52,大气成分的变化造成地气系统辐射收支的改变,53,作业：,太阳表面的温度为6000K，计算太阳表面的辐射通量（6.4x107Wm-2），从上一章的讲义中找出水星、金星、地球和火星距太阳的距离，计算在没有温室效应的情况下，这些星球表面的温度。查出这些星球表面的实际温度，给出温室效应造成的温度变化。计算地球近日点和远日点地面温度的差别（不考虑大气的温室效应）。大气温室效应和玻璃温室效应的相同点和不同点分别是什么？什么是瑞利散射、米散射和几何散射？简述水汽对地面温度的正反馈和负反馈机制。,54,思考题：,1、根据Planck公式讨论在波长趋于无穷大和穷接近于0时 的形式分别是什么？（提示：它们应分别是前者为Rayleigh-Jeans辐射定律；后者为Wien辐射定律）2、当地轴的倾角是60而不是23.5时，地球接受太阳的总辐射能量会发生变化吗？赤道仍是地球上最热的地方吗？,
