第五章地面和大气中的辐射过程2.pptx

大气中有各种气体成分以及水滴、尘埃等气溶胶颗粒,辐射在大气中传输时,要受到大气的影响,其强度、传输方向以及偏振状态都会发生变化。
这种作用主要有吸收、散射和折射。由于折射过程一般与能量收支问题关系较少,这里主要讲述吸收和散射的作用。
地球大气与辐射的相互作用
所谓吸收,就是指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。辐射在通过吸收介质向前传输时,能量就会不断被削弱,介质则由于吸收了辐射能而加热,温度升高。
大气中各种气体成分具有选择吸收的特性,这是由组成大气的分子和原子结构及其所处运动状态决定的。
吸收太阳短波辐射的主要气体是H2O,其次是O2和O3,CO2吸收的不多。
吸收长波辐射的主要是H2O,其次是CO2和O3
大气吸收光谱
整层大气和大气各气体成份的吸收光谱
(a)太阳(假定6000K)和地球(假定255K)的黑体辐射谱;(b)整层大气的吸收谱;(c)11km高度以上大气吸收谱;(d)整层大气中不同气体成分的吸收谱
从图(b)中可以看出,,吸收率等于1,。这一部份辐射的主要吸收气体是O2 , O和O3。它主要发生在平流层的中下部,这里紫外辐射导致氧分子的光分解产生原子氧并最后形成臭氧层,而臭氧对紫外辐射有强烈的吸收。
在可见光区(-),大气的吸收很少,只有不强的吸收带。
在近红外波段,开始有一些吸收带,主要是水汽的吸收。
波长再长一些,,H2O 和CO2有一个较强的吸收带,再往后,CH4也加入进来。
在红外波段,大气的吸收比较强,主要的吸收气体是H2O和CO2。
在 8 ~ 12 mm这一段,大气的吸收很弱,被称为大气的透明窗。,因为臭氧主要分布在高空,因此这一吸收带对高空的增温有很大作用。
大气窗区对地气系统的辐射平衡有十分重要的意义。因为地表的温度约300K,与这个温度相对应的黑体辐射能量主要集中在10μm这一范围,而大气对这一波长范围的辐射少有吸收,故地面发出的长波辐射透过这一窗口被发送到宇宙空间。
左表给出大气主要成份在近红外和红外区域主要的吸收带,它们在大气辐射平衡中有重要作用。
表中所说的强吸收和弱吸收是对每种气体相对而言的。
实际上,每种气体每个吸收波段的吸收对大气辐射平衡的重要性取决于二个因素,
一是吸收线的强度,
二是吸收气体的含量及其空间分布。
电磁辐射在遇到大气中的气体分子以及悬浮的尘埃、云滴、雨滴和冰粒、雪花等粒子时,会产生散射现象,使一部分入射波能量改变方向射向四面八方,而原方向的辐射能被削弱。
散射辐射的波长和原始波相同,并且与原始波有固定的位相关系。
大气对辐射的散射
太阳辐射经过大气到达地面时,由于散射作用,太阳的直接辐射比大气上界有一定程度的减弱,但同时却使整个大气层变得明亮,发出蔚兰色的散射光。
而在没有大气的外层空间,太阳本身虽光亮耀目,四周的天空却会是漆黑一片。