第11章辐射基本知识

(2) 灰体：灰体是当所有辐射照射时，吸收率 a 为常数（0～1）的假想物体。
(3) 选择性辐射体：如果物体的吸收率（或发 射率）随波长而变，则这物体就称为选择性辐 射体。
4、反射体 理想的反射体有镜面和朗伯反射体
一般反射：双向反射函数（BRDF）
反射辐射亮度与入射辐射通量密度的比值
朗伯体：
5、局地热力学平衡 物质系统：能级满足玻尔茨曼统计分布，靠频 繁碰撞，
第 11 章 辐射基本知识
为什么要研究辐射？
辐射与天气、气候
辐射与遥感
红外窗区 10.3～11.3m
红外水汽 6.3～7.6m
可见、近红外 0.55～0.99m
FY2D 图像（2009 年 4 月 17 日 07:30 UTC）
内容
一．物理量 二．辐射与物体 三．基本定律 四．太阳辐射与地球辐射
一．物理量
以电磁波形式传播的能量：电磁辐射，简称辐射。 温度大于 0 K 的任何物体，都以电磁波形式放射和接 收电磁波。
1864 年，麦克斯韦理论预言电磁波。 1888 年，赫兹振荡电偶极子实验，证实电磁波存在。
电磁波谱
频率 f、波长、波数 和波速 c
，
电磁波谱中不同波段的参量和单位比较
紫外 可见 红外 微波
(2) 若以温度 T = 288K 代表地面和大气，则能 量集中在 3.5～83.3m，极值波长 10.062m；
以 4m 为分界
称太阳辐射为短波辐射，以可见光与近红外为主， 称地球和大气辐射为长波辐射或地球辐射或热红外 辐射，以红外波段为主。
max：黑体辐射最大值时对应的波长（m）
b：常数，2897.9 mK T：K。 颜色温度（或色温）： 这是光谱学方法测温的基础。 1895 年，维恩等人创造了一个带有小孔的空 腔，验证了上述三个定律。
4、普朗克定律（或普朗克函数、或普朗克公 式）：1900 年，黑体
C1=2hc2=3.7427×108 Wm4m2 为第一辐射常数 C2=hc/k=14388mK 为第二辐射常数 光速 c=2.99793×108 ms1 普朗克常数 h=6.6262×1034 Js 玻尔兹曼常数 k=1.3806×1023 JK1
等效黑体温度（或亮度温度）
这是遥感测温的基础。
地球大气和太阳典型温度下黑体辐射曲线
四、太阳辐射与地球辐射
绝对黑体通用光谱曲线
令
，
xy 的关系可根据普朗克函数得到，即
辐射能量集中在 1000～24000mK，占 99%以 上。
(1) 若以温度 T = 6000K 代表太阳，则能量集 中在 0.17～4.0 m，极值波长 0.483m；
2、辐射与物体的相互作用
吸收率：a = Fa /F； 反照率：r = Fr /F（也称为反射率） 透过率：t = Ft /F（也称为透射率）
发射率： = a，是温度为 T 的物体的发射功率
与服从普朗克黑体定律的物体的发射功率之 比。
谱（或单色、分光）吸收率、反射率、透射率 和发射率；波段的吸收率、反射率和透射率。
来自
平行辐射的辐亮度
，在
方向上
和
狄拉克 函数
当
时，
当
时，
的单位都是 。
，挑选性
(2) 面辐射源（面源） 它可以向 2 立体角中发射辐射能
(3) 朗伯源 在各向同性辐射情况下，辐射亮度 I 大小与方
向无关的辐射体：朗伯体、朗伯面、朗伯源。 辐射功率依赖于角度，
辐射源也称为余弦发射体，这个关系称朗伯余 弦定律。 对半球空间积分
基尔霍夫定律也写为
历史上首先关注黑体 因为黑体完全吸收所有入射辐射（因此说黑） 在所有波长和所有方向上有最大放射辐射 朗伯体
2、斯特藩玻尔兹曼定律：1879 年，黑体
F：Wm2
：斯特藩玻尔兹曼常数，5.6696×108 Wm2K4
T：K
有效温度（不局限黑体）
这是使用辐射测物体温度的方法。
3、维恩定律：1893 .1 3×1015 4×105 0.4 7.5×1014 2×103 20 1.5×1013
0.1 103 3×1011
GHz (109Hz)
300
cm1
500 10
表征辐射场的物理量：辐射度学单位制 1. 辐射能：Q，单位为 J 2. 辐射通量（radiant flux），也称为辐射功率，
吸收光谱或辐射光谱
吸收光谱：吸收率或吸收辐射（如辐射通量密 度等）随波长（或频率、波数）的变化关系 辐射光谱也类似。 如果把这些关系绘制成曲线，就是吸收光谱曲 线和辐射光谱曲线。
3、辐射体
(1) 黑体：a = =1，r = 0，t = 0 。若 a = 1，
则该物体对这一波长为黑体。
密闭空腔，r = 0.1，四次，a = 1-(0.1)4=0.9999
1 sr：以单位半径球体的球心为顶点的锥体在球面上所截取的单位面积（即单位半径为边长的正方形面积）
5. 辐射能密度：单位为 Jm3 对空间所有方向进行积分 空间平均辐射亮度为
辐射通量密度与辐射亮度的关系 普遍关系式 球面极坐标：z 轴垂直于表面
关于亮度的定理
在一透明介质中，沿辐射方向辐射亮度保持不变。
辐射系统：满足普朗克 函数
局地热力平衡达到的 时间远小于辐射衰减 的生命时间
辐射时间常数（Radiative time constant）
达到新平衡态所需要的时间 开始
现在温度变化，确定新的平衡 在某一大气层
， ，
三．平衡辐射的基本定律 1、基尔霍夫定律：1859 年，任何物体
=F(, T)，FB (, T)黑体的辐出度。
谱（或单色、分光）辐射量
单位波长（或频率、波数）间隔内的辐射能 ，单位为 Wm2m1
总辐射通量密度：
某一波段1～2：
单色辐射量的转换：根据能量守恒
1、辐射源
二．辐射与物体
(1) 点源 点源为中心、半径为 r 的球表面上的辐照度为
平行辐射：离点辐射源距离相当大并且在讨论 相对比较小范围中的问题
太阳直接辐射：
，单位为 W 或 Js1。 3. 辐射通量密度（radiant flux density）：也称 为辐射出射度（辐出度，emittance）和辐射照 度（辐照度，irradiance）
，单位为 Wm2
4. 辐射亮度（radiance） 单位为 Wsr1m2
立体角（单位：球面度 sr）的概念
球坐标（r，，）