大气对太阳辐射吸收与散射
地球大气上界太阳辐射的分布规律及原因
地球大气上界太阳辐射的分布规律及原因地球大气上界太阳辐射的分布规律及原因地球大气上界太阳辐射是太阳辐射通过大气层穿过到达地表的辐射。
它是一种重要的热量输送方式，可以改变气候状况，并影响地表物质的结构及流动。
本文将对其分布规律及原因作出详细说明。
太阳辐射是由太阳发出的光线和热辐射构成的，主要有可见光和紫外线两部分组成，而紫外线又可分为近紫外线、中紫外线、远紫外线三部分。
太阳辐射穿过大气层时，会受到大气层中的气体种类、大气层厚度及大气层温度等因素的影响，从而产生不同的穿透率，使太阳辐射的分布呈现出一定的规律性。
太阳辐射的分布规律如下：1.光谱分布：太阳辐射的光谱分布主要为可见光和紫外线，其中可见光占主要部分，紫外线则占次要部分。
2.穿透率分布：太阳辐射的穿透率随波长的增加而逐渐减小，穿透率最大的波长为0∙4μm,穿透率最小的波长为IOUnb大气中间波长处的穿透率最小。
3.大气层分布：太阳辐射的大气层分布随着大气层深度的增加而减小，大气层的下界处的太阳辐射穿透率最小，大气层的上界处的太阳辐射穿透率最大。
太阳辐射的分布规律主要是由于大气层的存在所导致的，主要有以下三个原因：1.气体吸收效应：由于大气中含有水汽、二氧化碳、硫化物等气体，它们会吸收入射光的能量，从而降低太阳辐射的穿透率，也就是造成太阳辐射的穿透率随着大气层深度的增加而减小。
2.散射效应：大气中气体会反射一些太阳辐射，使它们不能穿透到地表，从而降低太阳辐射的穿透率，也就是造成太阳辐射的穿透率随着大气层深度的增加而减小。
3.透过效应：大气中气体会吸收一些太阳辐射，使它们不能穿透到地表，从而降低太阳辐射的穿透率，也就是造成太阳辐射的穿透率随着大气层深度的增加而减小。
以上就是关于“地球大气上界太阳辐射的分布规律及原因”的详细说明，由此可见，太阳辐射的分布规律主要是由于大气层的存在所导致的，其中气体的吸收、散射以及透过等原因都可以影响太阳辐射的穿透率，从而影响其分布情况。
大气对太阳辐射吸收与散射
光学质量optical mass
• 辐射束沿传输路径在单位截面气柱内所吸收 或散射的气体质量u
• 一般光学厚度可以写成
P k k0, ( P0
T0 )n T
(P P0
T0 )n 订正因子 T
n与气体成分和波长有关，当
P0=1000hPa,T0=300K,可取n=1/2.
如果k0,不随L而变，则
L
•实际应用中,做一些合理假定,得出各种 光谱对应的吸收率公式.
a,太阳和地球的黑体辐射,b 整层大气的吸收谱,c,11km以上 大气吸收谱,d,整层大气中不同气体成分的吸收谱
紫外波段的主要吸收气体是：氧气、臭氧。
平流层臭氧能吸收掉30%太阳紫外辐射，全 部太阳辐射能的2%。氧气和臭氧几乎能吸收 掉0.3µm以下的全部太阳紫外辐射,地面基本 观测不到该波段辐射.
电磁波谱
转动光谱，波长较长， Q 较小；电子能级跃迁所对应 的光谱在可见光和紫外区，电子能级跃迁的 Q 大。
原子辐射 (发射紫外和可见光)
• 每个原子可具有许多运动状态，每个运 动态有确定的能量值，每个能量值称为 能级。
• 原子能量从一个状态变到另一个状态， 有能级跃迁。
• 能级间距的大小决定了发射或吸收谱线 的位置.
F,l
F,0e
F ek0,u ,0
当δ=1单位光学厚度时,辐射能削减 为原值的1/e.
指数削弱规律是研究太阳直接辐射 削弱的基础。
2 大气对太阳辐射的散射
• 散射:散射不发生能量交换. 散射是指每一个散射分子 或散射质点将入射辐射重 新向各方辐射出去的一种 现象.
• 大气向上射向太空的散射 就是大气对太阳辐射的反 射.天空任何角度射向地面 观测者的散射就是蓝色的 天空辐射.
大气吸收作用
大气吸收作用
大气吸收作用是指太阳辐射穿过大气时受到多种大气成分的吸收，从而导致辐射能量的衰减。
在紫外、红外及微波波段，大气吸收是引起电磁辐射能量衰减的主要原因。
臭氧、二氧化碳和水汽是三种最主要的吸收太阳辐射能量的大气成分。
瑞利散射的强度与波长的四次方成反比，波长越短散射越强。
当大气粒子的直径约等于入射波长时，出现米氏散射。
米氏散射是由大气中的尘埃、花粉、烟雾、水汽等气溶胶引起的，与瑞利散射相比，这种散射通常会影响比可见光更长的红外线波段。
当大气粒子的直径远大于入射波长时，出现无选择性散射。
大气中的水滴、大的尘埃粒子所引起的散射多属无选择性散射。
辐射指的是由场源发出的电磁能量中一部分脱离场源向远处传播，而后不再返回场源的现象，能量以电磁波或粒子（如阿尔法粒子、贝塔粒子等）的形式向外扩散。
自然界中的一切物体，只要温度在绝对温度零度（-273.15摄氏度）以上，都以电磁波和粒子的形式时刻不停地向外传送热量，这种传送能量的方式被称为辐射。
辐射之能量从辐射源向外所有方向直线放射。
物体通过辐射所放出的能量，称为辐射能。
辐射按伦琴 /小时(R)计算。
辐射有一个重要特点，就是它是“对等的”。
不论物体（气体）温度高低都向外辐射，甲物体可以向乙物体辐射，同
时乙也可向甲辐射。
一般普遍将这个名词用在电离辐射。
辐射本身是中性词，但某些物质的辐射可能会带来危害。
大气对太阳辐射的削弱作用体现在哪些方面
大气对太阳辐射的削弱作用体现在以下几方面。
工具/原料
太阳
大气
方法/步骤
1. 1
总体上大气通过吸收反射和散射三种途径削弱太阳辐射。
2. 2
吸收作用：大气平流层中的臭氧（O3）吸收太阳辐射里的紫外线（uv），而对流层里面的大量水气和二氧化碳CO2吸收太阳辐射中红外线。
大气吸收占比约19%。
3. 3
反射作用：通过云层反射削弱，云层越厚则反射越强烈。
此外，在地面也会被地面、水面、叶面等反射损失。
4. 4
散射作用：空中弥散大量微小尘埃和空气分子选择性吸收可见光中的蓝紫光。
较大颗粒的尘埃通过无选择散射削弱太阳辐射。
上述反射和散射贡献占比约34%。
5. 5
地面吸收太阳辐射，占比大概47%。
END
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大气对太阳辐射的散射
大气对太阳辐射的散射
大气对太阳辐射有两种主要的散射方式：雷利散射和密歇散射。
1. 雷利散射：当太阳辐射通过大气层时，与气体分子的尺寸相比较小的波长的光会发生雷利散射。
这种散射是非选择性的，即不受波长的影响。
雷利散射使得太阳光中的一部分能量散射到周围的各个方向，包括散射到地球表面上。
2. 密歇散射：相较于雷利散射，密歇散射是指太阳辐射与大气层中的气溶胶或云滴等较大的悬浮物质相互作用后发生的散射。
这种散射与波长有关，在可见光范围内，蓝光的波长较短，因此相对于其他波长的光，蓝光更容易被散射。
这就是为什么天空呈现出蓝色的原因。
由于密歇散射会将太阳光中的一部分能量散射到各个方向，这也会导致太阳在公认的位置附近产生光晕和彩虹等现象。
总体来说，大气层中的散射会导致太阳辐射的一部分能量在任意方向上进行散射，这就是为什么我们能够感受到来自各个方向的太阳辐射。
同样地，散射也会使得地球表面接收到来自不同角度的太阳辐射，从而影响地球的能量平衡和气候。
影响太阳辐射强弱的因素分析
影响太阳辐射强弱的因素分析JGSLJZ【知识归纳】太阳辐射强度是指到达地面的太阳辐射的强弱。
大气对太阳辐射的吸收、反射、散射作用，大大削弱了到达地面的太阳辐射。
但尚有诸多因素影响太阳辐射的强弱，使到达不同地区的太阳辐射的多少不同。
影响太阳辐射强弱的因素主要有以下四个因素。
1．纬度位置纬度低则正午太阳高度角大，太阳辐射经过大气的路程短，被大气削弱得少，到达地面的太阳辐射就多；反之，则少。
这是太阳辐射从低纬向高纬递减的主要原因。
2．天气状况晴朗的天气，由于云层少且薄，大气对太阳辐射的削弱作用弱，到达地面的太阳辐射就强；阴雨的天气，由于云层厚且多，大气对太阳辐射的削弱作用强，到达地面的太阳辐射就弱。
如赤道地区被赤道低压带控制，多对流雨，而副热带地区被副高控制，多晴朗天气，所以赤道地区的太阳辐射要弱于副热带地区。
3．海拔高低海拔高，空气稀薄，大气对太阳辐射的削弱作用弱，到达地面的太阳辐射就强；反之，则弱。
如青藏高原成为我国太阳辐射最强的地区，主要就是这个原因。
如青藏高原成为我国太阳辐射最强的地区，主要就是这个原因。
4．日照长短日照时间长，获得太阳辐射强；日照时间短，获得太阳辐射弱。
如我国夏季南北普遍高温，温差不大，是因为纬度越高的地区，白昼时间长，弥补了因太阳高度角低损失的能量。
【典例精析】1.读“太阳辐射光谱示意图”，下列因素中与A区（大气上界太阳辐射与地球表面太阳辐射差值）多少无关的是（）A．云层的厚薄B．大气污染程度C．大气密度D．气温【解析】云层的厚薄、大气污染程度以及大气密度都会影响大气透明度进而影响到达地面的太阳辐射的多少。
【答案】D2.辐射差额是指在某一段时间内物体能量收支的差值。
读“不同纬度辐射差额的变化示意图”，若只考虑纬度因素，则a、b、c三地纬度由高到低的排列顺序为（）A．abc B．bca C．cba D．bac【解析】由于太阳辐射从低纬向两极递减，因此纬度越高辐射差额为正值的数值越小，时间越短。
影响地面辐射的因素
影响地面辐射的因素
影响地面辐射的因素有：
1. 太阳活动：太阳辐射是地球辐射的主要来源。
太阳活动的变化，如太阳黑子的数量、太阳耀斑、太阳风等，都会对地球辐射产生影响。
2. 大气层的透明性：大气层对太阳辐射的吸收和散射会影响到地面接收到的辐射量。
例如，在雾、云层和空气污染重的地区，太阳辐射会被阻挡或散射，从而减少地面辐射。
3. 地面的反射和吸收能力：地表的不同材料具有不同的反射和吸收特性，会影响地面辐射的分布。
例如，水体和草地对太阳辐射的吸收较高，而沙漠和冰雪覆盖的地区则对太阳辐射的反射较高。
4. 地理位置和季节：地理位置和季节也会影响地面辐射的强度和分布。
赤道地区接收到的太阳辐射相对较大，而极地地区则相对较小。
同时，夏季地面辐射多于冬季，因为夏季太阳高度较大，太阳直射地面的角度更大。
5. 大气温度和湿度：大气温度和湿度对地面辐射的分布也起着重要影响。
较高的大气温度会增加大气中的水蒸气含量，从而增加大气对短波辐射的吸收。
此外，大气中水蒸气的含量也会影响到地面辐射的长波辐射损失。
6. 云量和云类型：云层的存在会对地面辐射产生显著影响。
云
层可以阻挡太阳辐射，并增加大气对地面辐射的散射。
不同类型的云层会对辐射的散射和吸收产生不同影响，如白云对太阳辐射的反射较高，而层云则对长波辐射的吸收较高。
总的来说，地面辐射受到太阳活动、大气透明性、地表特性、地理位置和季节、大气温度和湿度、以及云量和云类型等多个因素的综合影响。
大气颗粒物对全球辐射平衡的影响分析
大气颗粒物对全球辐射平衡的影响分析大气颗粒物，也被称为气溶胶，是指在大气中悬浮的微小颗粒状物质，包括尘埃、烟雾、水蒸气和化学气体等。
这些颗粒物对全球辐射平衡产生了深远的影响，对气候变化和生态系统健康起到举足轻重的作用。
首先，大气颗粒物通过散射和吸收太阳辐射，直接影响着地球表面的能量分布。
当太阳辐射进入大气层时，颗粒物会发生散射，一部分光线会被散射到不同的方向，使得地球表面接收到的太阳辐射减少。
此外，大气颗粒物还能吸收一部分太阳辐射，将其转化为热能。
这些过程导致地球表面接收到的太阳辐射减少，进而影响气温分布和能量循环。
其次，大气颗粒物通过影响云的形成和特性，进一步改变了全球辐射平衡。
云是大气中的水蒸气凝结所形成的液态或固态水微滴，是大气中的重要辐射调节器。
大气颗粒物可以作为云凝结核，促进云的形成。
云中的水滴和冰晶可以散射和吸收太阳辐射，同时也能散射和吸收地球辐射。
因此，大气颗粒物对云的种类、云滴大小以及云的变化都有着重要的影响。
这进一步改变了云对辐射的反射和吸收作用，对全球辐射平衡产生了重要的影响。
此外，大气颗粒物还会影响地球辐射平衡的时空分布。
大气颗粒物不仅存在于地表附近，还存在于高层大气中，甚至分布在全球范围内。
不同颗粒物的分布和浓度会导致地球各个地区的辐射平衡存在差异。
例如，工业化地区的大气颗粒物浓度较高，会导致太阳辐射的散射和吸收增强，进而降低地表的辐射接收。
这会影响温室效应和地球能量平衡，进而对地球气候产生深远的影响。
最后，大气颗粒物对全球辐射平衡的影响还涉及气溶胶的光学性质。
不同化学成分和粒径的颗粒物对光的散射和吸收具有不同的特性。
例如，硫酸盐气溶胶主要表现为吸收性，而有机碳气溶胶则更容易发生散射。
这些气溶胶的光学特性会影响辐射的传输和反射，进而改变全球辐射平衡。
了解这些特性不仅对预测和模拟气候变化具有重要意义，还有助于制定适当的环境保护政策。
综上所述，大气颗粒物对全球辐射平衡有着重要的影响。
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标准状态下
整层瑞利散 R,(0) 0.00824 或
射系数:
R,(0) 0.00884.05
对于可见光中的绿色光=0.52m,则 δR,(0)=0.112。所以对于绿光，整层大 气的垂直透射率为 F e0.1120.894
F,0
这表明可见光的透明度是很大的.
如果地面气压为P,则其垂直光学厚度
δR,为
8 34N 3 (n21)2
• 对空气而言，在标准状态下， N正 正0比比=2，，.68所有3以1N019正/cm比3,于而N且，知而道N（又n与-1密)与度N成成
N0 0
00为时标的0准削为状弱常态系数下数。的和空气0，密有度。空气密0度, 为0 ，
• 当 则在表单示位单面位积容的积光的柱散中射，削经弱过系dl后数，时平，行 辐射（太阳直接辐射）散射削弱为
很多气体的吸收谱线已经编成程序 -----LOWTRAN
大气吸收光谱
大气中含量最多的是N2和O2，由于是对称的电 荷分布，没有振动或转动谱，它们的吸收谱由 电子跃迁造成，因而位于紫外和可见光区。 吸收太阳短波辐射的主要气体：氧气、臭氧。
吸收太阳红外辐射的主要气体：水。（P77 表）。 大气对太阳辐射的吸收有明显的选择性。吸收 带都位于太阳辐射光谱两端能量较小区域。
散射辐射(次生电磁波)波长与原始波相同, 与原始波有固定位相关系.
•非均匀介质中，次生电磁波波位相不规则。 传播方向会改变,使原传输方向的辐射能衰 减,发生散射. •散射质点大小对波长是有选择性的。 •引进尺度α=2r/, r为散射质点半径.
• Rayleigh 散射（1871年）,α<0.1 (r<<), 无方向 性
散射截面 s
• 单个散射质点向整个空间的总散射辐 射通量与入射辐射通量密度之比。
F,ssFr2d020Fr2sinddF,0132845a2F,0s
s 132845a2F F,,0 s
F,s单位是W,F,0单位是W/m2,因此s 具有面积的量纲,称为散射截面.
• 散射截面表示一个粒子的散射能力,其值 代表入射辐射的能量由于一次散射在入 射方向上移去的量，被移去的能量以散 射元为中心向四面八方散射。
对于水滴(云雾雨滴), Q(α)近似曲线形式如 图5.10,P80
• 当α增大时,Q值趋近于常数2,不再与波长 的4次方成反比.α越大，近乎与波长无 关．
a. 当θ=0° 和θ=180° 时，F值最大。即前向和后
向散射辐射最强，且二者数值相等。
b. 当θ=90° 和θ=270° 时，F值最小。即垂直于入
射辐射方向的平面内的散射最弱，只有前、后 向散射的一半。
c. 散射辐射通量密度与波长的四次方成反比，因 此由于分子散射导致的短波辐射衰减特别强。
天空是蓝色的？ 日出日落时的太阳是红色的？
R,
P P0
R,(0)
有可能计算整层大气任何角度的光学 厚度值，从而计算任何角度入射的 太阳直接辐射。
大气中瑞利散射总是存在的。 大气分子对可见光、地球辐射的散射都 属于瑞利散射，但对后者的散射太小了， 可以忽略不记——波长增加10倍，散射 缩小104倍。
太阳光经过Rayleigh 散射后，衰减10% 左右。
•大气中各种成分的吸收能力,理论上可 用吸收系数k来定量确定.
•但在红外波段,水汽及CO2等重要吸收物 质的k随波长变化极大,吸收带是由许多 谱线叠加而成.
•往往在一个小测量波段内，就有许多条 谱线，很难测准单一波长的吸收系数.
•实际应用中,做一些合理假定,得出各种 光谱对应的吸收率公式.
a,太阳和地球的黑体辐射,b 整层大气的吸收谱,c,11km以上 大气吸收谱,d,整层大气中不同气体成分的吸收谱
辐F 射通F 量,密0(2 度F)4a r2 2(1c2o2s)
a=(3/4N)*(n2-1)/(n2+2),
F ,0 入射辐射通量密度 F 某方向散射辐射通量密度 n 空气分子折射率,约等于１.0003 r 观测地距分子的距离
N为单位体积中分子数,为入射辐射与散射 辐射之间的夹角,称为散射角
FF,0(2)4a r2 2(1c2o2s)
• 产生原因：
• 自然增宽
测不准原理
• 压力增宽
碰撞增宽
• 多普勒增宽
辐射源和观测接收
装置之间有相对运动。
谱线线型函数
线型函数是描述一条谱线的吸收系数随波 数（或波长、频率）变化的函数。
• 自然增宽型 • 压力增宽——Lorenz 型 • Doppler 型 • 混合型——Voigot 型
自然增宽型和Lorenz 型
• Mie 散射 (1908年),0.1<α<50, 前向散射 • α>50(r>>)属于几何光学范围
1) Rayleigh 散射
尺度数
2r
• 辐射波长
• 球形粒子半径 r
α<0.1(r<<) 大气分子 对可见光的散射
104102m
101 m
尘埃质点(0.1m)对地球辐射(10m)
按照Maxwell电磁理论在距离为r处的散射
k dl
0
δ称为光学厚度.定义:沿辐射传输 路径,单位截面上所有吸收和散射物
质产生的总削弱,是量纲一的量.
k称为质量吸收系数 cm2/g，意义 是单位质量的吸收物质（一平方厘 米气柱中）吸收原辐射能的份数。
光学质量optical mass
• 辐射束沿传输路径在单位截面气柱内所吸收 或散射的气体质量u
• dF = - Fdl, • 经整层大气柱的散射后到达地面的太阳
直接辐射为
dl F F,0e 0
太阳自天顶垂直入射时，整层大气柱的瑞 利散射光学厚度为
其中
R,
0
d lk0, 0 d lk0,0 pd gP k0,P g
k0,
0, 0
,dpgdl
K0,也是常数，在标准状态时， P=P0=1013.25 hPa, 将有关数值代入有
仅有电子能级跃迁，光谱波段：X射线、紫外、可见光 仅有振动能级跃迁，光谱波段：近红外 仅有转动能级跃迁，光谱波段：红外、微波 电子能级跃迁、分子的转动、振动跃迁常伴随发生，一个振动带 内有多条谱线，使谱带非常复杂。
大气吸收率计算方法
ν-20 ν-10ν ν10 ν20
•谱线汇编资料（NASA）
逐线计算
• 实验表明：薄层吸收的辐射能 dF 与入射
辐射的能量F、薄层的厚度dl、以及吸收
物质的密度成正比 dFkFdl
dF F
kdl
自0-L积分，得
L
F,l F,0exp[ kd]l 这是削弱规律的积分形式
令
0
L
k dl 则
0
光学厚度optical depth(thicL kness)
Fλ,l Fλ,0eλ
2) Mie 散射
对有很多分子组成的颗粒,在外电场的 激发下,每个分子都形成一个偶极子,向 外发射着子波,又因为粒子的尺度可与波 长相比拟,入射波的位相在粒子中是不均 匀的,造成了各子波在空间和时间上的位 相差.当子波叠加形成散射波时,由于位 相差造成子波的干涉.这种干涉取决于入 射光的波长,粒子的大小,折射率和散射 角.当粒子增大时,干涉作用也增大,使散 射过程变得极为复杂.
谱线位置
• 爱因斯坦公式： E hf
E E e E v E r
• 吸收线中心波长： hc E
• 从理论上可以由能级间的能量差计算出 来，但主要通过实验测，用光栅光谱仪
谱线宽度
k
K吸收系数，ν波数
0
ν
电子轨道、原子振动、分子转动的每一种可
能的组合，都对应于某一特定能级。
一定的能级跃迁、吸收或发出一定频率的辐 射，对应于一条光谱线。
1908年G.Mie给出了均匀球状粒子散射问题 的精确解,其散射有方向性
尺度参数:
2r
• 粒子尺度与入射波长相近时 0.1<α<50
• 大气分子对可见光、红外辐射 ╳
•某些气溶胶粒子对可见光、某些红外
辐射
√
若入射辐射为自然光,则在距离米散射质点 为r处的散射辐射能量密度为
FF,042 2r2[S1()2 2S2()2] 这里F,0为入射辐射通量密度,S1()和 S2()为两个复函数,是粒子折射率n,尺度 数X和参数=nX的函数.
紫外波段的主要吸收气体是：氧气、臭氧。
平流层臭氧能吸收掉30%太阳紫外辐射，全 部太阳辐射能的2%。氧气和臭氧几乎能吸收 掉0.3µm以下的全部太阳紫外辐射,地面基本 观测不到该波段辐射.
大气窗区:8-12μm的地球辐射.
大气窗:大气吸收较弱的波段。
• 整层大气约吸收掉 20% 的太阳短波辐射。
指数削弱规律(Beer 定律、布格-朗白定律）
Y L ln2 D
X vv0 ln2
D
t m v 2 kT
分子的能级跃迁与吸收线中心波长和波数EeEv NhomakorabeaEr
能量差/eV
1-20
0.05-1
10-4-0.05
吸收线中心波长
0 0.062-1.24μm 1.24-24.8 μm 24.8 μm -12.4cm
吸收线中心波数0 / cm1 161290-8086.5 8064.5-403.2 403.2-0.8064
k(v)S
L (vv0)2L2
L 是定值
S 可由谱线汇编资料查到
Doppler 型
k(v)k(v0)expln2vDv02
Dvc0
2m kTln23.5 81 07v0
T M
k(v0)
S
c v0
m
2kT
Voigot 型
Y et2
k(v)k(v0)