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大气辐射学

大气辐射学

大气辐射学是研究辐射能在地球大气内的传输和转换过程的学科。属大气物理学的一个分支。太阳辐射是大气运动的能源,辐射过程是地-气系统中能量交换的主要形式(见大气环流的能量平衡和转换)。因此,大气辐射学是天气学、气候学、动力气象学、应用气象学和大气遥感等学科的理论基础之一。

目录

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1 简史
2 内容
3 动向
4 相关学科
5 参考资料

大气辐射学 - 简史

有云且不考虑大气衰减时到达卫星的辐射
从大气科学研究的初始阶段起,大气辐射学就受到人们的重视,历来被认为是气候和大气环流研究的基础。20世纪20年代,有人根据很简单的假定,计算了地-气系统的辐射收支;30年代提出了辐射传输的基本原理;1950年,美籍巴基斯坦学者S.昌德拉塞卡写了《辐射传输》一书,总结了他在恒星和行星大气辐射传输理论方面的主要工作,对辐射传输的理论和研究方法作出了重要贡献。60年代,英国R·谷迪和苏联К·я·孔德拉季耶夫等人在行星大气中的辐射传输方面,也作了许多工作,对大气辐射学的研究,起了一定的促进作用。电子计算机和红外分光技术的发展,使大气透过率(见大气消光)的计算更加精确,气象卫星及其他探测手段的迅速发展和广泛应用,又获得了大量的全球范围的大气辐射资料,这些都更加促进了大气辐射学的发展。

大气辐射学 - 内容

大气辐射学的内容有以下几方面:

太阳辐射在大气中的衰减

①地-气系统辐射传输的基本物理过程和规律,包括太阳辐射(97%的能量在0.3~3微米波段内,辐射最强的波长在0.5微米附近),地-气系统辐射(绝大部分能量在4~80微米波段内,辐射最强波长在10微米附近),以及不同地表状态、云、气溶胶、水汽、臭氧、二氧化碳等对辐射传输的影响(见反射率、大气吸收光谱、大气散射、大气臭氧层、温室效应)。

从非发光体表面反射的辐射与入射到该表面的总辐射之比,它是表征物体表面反射能力的物理量。绝对黑体的反射率为0,纯白物体的反射率为1,实际物体的反射率介于0与1之间,可用小数或百分数表示。地-气系统的反射率,它包括地面、云和各种大气成分对太阳辐射的反射能力及其总和。这些反射率决定着地-气系统吸收太阳辐射的百分数。 物体对太阳辐射的反射能力。

大气辐射学

根据气象卫星的观测结果,整个地-气系统的反射率约为30%,即约有30%的太阳辐射能被反射回太空,其中三分之二是云反射的,其余部分则被地面反射和被各种大气成分所散射(见大气环流的能量平衡和转换)。云的反射率同云型和云层厚度有关,约在20~70%之间。陆面、土壤的性质和植被类型不同,也能使反射率改变,但这些差异一般不超过10~20%。而冰和雪的覆盖状况能引起反射率显著变化。例如,陆地被雪覆盖或洋面结冰时,将使其反射率增大30~40%,新雪面更可使反射率增大60%左右。原先无雪的地区如有积雪,则因反射率增大,将使太阳辐射能量的收入大约减小60%。这种影响随季节和纬度而不同,尤其明显的是,北纬50°以南的地区,当春季出现积雪时,上空平均将减少大约150卡/(厘米2·天)的热量收入。这样的热量收支变化,将产生明显的气候效应。

在极冰对气候影响的机制研究中,有人认为:冰雪-反射率-温度之间还存在“正反馈过程”,即冰雪的覆盖增大地表的反射率,使地-气系统吸收的辐射减少,从而降低气温,而降温又将进一步使冰雪面积扩展,反射率继续增大,造成温度越来越低的现象。在这个正反馈过程的基础上建立的气候模式(见气候模拟),已用于解释古代冰期的形成和对未来气候趋势的推测。也有人认为:在实际大气中,还存在着“负反馈过程”,它使气候具有稳定化的趋势(见极地气象学)。

大气吸收光谱

②辐射传输方程的求解。辐射传输方程是描述辐射传播通过介质时与介质发生相互作用(吸收、散射、发射等)而使辐射能按一定规律传输的方程,在地球大气条件下,求解非常复杂,只能在一些假定下求得解析解,因此辐射传输方程的求解,一直是大气辐射学研究的重要内容。

当温度不是绝对零度时,大气中的气体(主要是氧和水汽)、水滴(云、雨和雾)和冰滴(主要在冰云中)均会辐射电磁能,并产生热辐射噪声。在微波波段,这种热辐射噪声的特性通常用亮度温度来表征,亮度温度与热力学温度之比称为发射率。

分子中的电子从高能态跃迁到低能态时放出电磁能,形成辐射。分子吸收入射电磁能,使电子从低能态跃迁到高能态,形成吸收。一种分子具有的能态数是一定的。因此,它的辐射频谱和吸收频谱相同。根据基尔霍夫定律,发射率等于吸收系数。在气体中,分子密度小,碰撞只使谱线加宽,仍是离散的。但在固体或液体中,分子密度很大,碰撞使谱线混在一起而形成连续谱,在所有的频率上均有吸收和辐射。

在实际的大气传输过程中,因吸收和散射而损失一部分能量;另一方面,大气辐射又使总能量增加。求解描述这个过程的传输方程(忽略散射),即可得到观测点上的亮度温度T

式中光学厚度T()和α()分别为沿路径点上的温度和吸收系数。在散射影响可忽略的情况下,只要T()和α()采用相应的具体数值,大气气体、雨、云和雾的亮度温度均可采用上式求得。晴天时α()是气体和水汽吸收系数之和;其他天气时,α()是气体吸收系数与云、雨或雾的吸收系数之和。当波长较短或水滴较大时,则不可忽略散射的影响。这时,计算云和雨亮度温度的公式复杂得多。

假若大气是球面分层,用Tm代替T(),则在天顶角θ方向上的亮度温度可简化为

TTm【1-exp(-τ0
secθ)】

式中为天顶方向上的光学厚度;Tm为平均辐射温度。亮度温度的一般变化规律是:当 τ0一定时,天顶方向上T 最小,水平方向上T 最大;τ0增大时,T值也增大,但T 值不会超过Tm值。晴天和天顶角不太大时,均可看到在氧和水汽谱线附近出现亮度温度的峰值。

大气辐射噪声会对接收系统,特别是对噪声系数很低的系统造成有害的影响。但在大气无源微波遥感中,却能利用大气辐射噪声的各种特性,测量大气的温度分布、水汽密度分布和云中含水量等大气参数。

③辐射与天气、气候关系的研究。它从地—气系统辐射收支的角度来研究天气和气候的形成以及气候变迁问题(见辐射差额)。

大气辐射学 - 动向

大气辐射学的研究,有两个引人注目的动向:

①许多复杂的物理动力气候学问题中,涉及到海洋、极冰、陆地表面的辐射和热状况,大气中的云、气溶胶、二氧化碳等因子在辐射过程中对气候所造成的影响,以及这些过程和大气辐射过程之间复杂的相互作用和反馈关系。

②随着大气遥感技术的迅速发展,对红外辐射吸收带的研究和计算的要求很高;在辐射传输问题中,云(特别是卷云)的透过率变化很大,对辐射有很大的影响,也需要解决。这两方面都是大气辐射学今后研究的课题。

大气辐射学 - 相关学科

大气科学、气候学、物候学、古气候学、年轮气候学、大气化学、动力气象学、大气物理学、大气边界层物理、云和降水物理学、云和降水微物理学、云动力学、雷达气象学、无线电气象学、大气辐射学、大气光学、大气电学、平流层大气物理学、大气声学、天气学、热带气象学、极地气象学、卫星气象学、生物气象学、农业气象学、森林气象学、医疗气象学、水文气象学、建筑气象学、航海气象学、航空气象学、军事气象学、空气污染气象学。

大气辐射学 - 参考资料

大科普网 http://www.ikepu.com/geography/atmospheric/branch/atmospheric_radiation_total.htm
泽泽网 http://www.zzgwu.com/wiki/index.php?doc-view-12171

大唐资料库网 http://info.datang.net/G/G1094.htm

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