第二章第二节 本节内容要点：太阳辐射、大气成分对太阳辐射的吸收、地球与大气的能量平衡、主要温室气体等。 1)太阳辐射 入射到地球表面的阳光可看成是平行光束，入射到地球大气层外界的阳光总强度用太阳常数表示。太 阳常数定义为：在与光传播方向垂直的平而上单位面积接受到光的总量，其平均值为1368W/m乙. 太阳的表面温度大约为6000K,高温炽热气体以电磁辐射的形式放射出能量。太阳光谱几乎包括 整个电碰波谱，其中红外部分占总能量的50%，可见光部分约占41%，X射线、Y-射线和紫外线大约占 9%.根据Wein位移定律，黑体最大辐射能力所对应的波长m与绝对温度T成反比，其数学表达式为： 入m=2897T。如上所述，太阳的表面温度为6000K,地球表面的温度为285300K,由此可以算得 地球的m约为10um,而太阳的m为483nm。图2-3表示太阳辐射和地球辐射的光谱分布 投射到地球表面的 强 太阳辐射光谱(m=483m） 地球辐射光谱(Am”10000m) 00 A/nn 图2-3太阳和地球的辐射光谱 2)大气成分对太阳辐射的吸收 太阳光在穿过大气时，由于大气对其的吸收和散射作用而减弱，使投射到大气上界的辐射不能全部到 达地面。太阳辐射通过大气层到达地面的过程中，大气组分如N2、O2、O3、H20和C02等能吸收一定波 长的太阳辐射。波长小于290nm的太阳辐射被2、02、0分子吸收，并使其解离： <120nm N2+hv N+N 240 nm 2+hy +0+0 220nm<A<240nm O+hv +0+02
第二章 第二节 本节内容要点：太阳辐射、大气成分对太阳辐射的吸收、地球与大气的能量平衡、主要温室气体等。 1）太阳辐射 入射到地球表面的阳光可看成是平行光束，入射到地球大气层外界的阳光总强度用太阳常数表示。太 阳常数定义为：在与光传播方向垂直的平面上单位面积接受到光的总量，其平均值为 1368 W/m2。 太阳的表面温度大约为 6000 K，高温炽热气体以电磁辐射的形式放射出能量。太阳光谱几乎包括了 整个电磁波谱，其中红外部分占总能量的 50%，可见光部分约占 41%，X 射线、γ-射线和紫外线大约占 9%。根据 Wein 位移定律，黑体最大辐射能力所对应的波长 λm 与绝对温度 T 成反比，其数学表达式为： λm=2897/T。如上所述，太阳的表面温度为 6000 K，地球表面的温度为 285～300 K，由此可以算得： 地球的 λm 约为 10 μm，而太阳的 λm 为 483 nm。图 2-3 表示太阳辐射和地球辐射的光谱分布。 图 2-3 太阳和地球的辐射光谱 2）大气成分对太阳辐射的吸收 太阳光在穿过大气时，由于大气对其的吸收和散射作用而减弱，使投射到大气上界的辐射 不能全部到 达地面。太阳辐射通过大气层到达地面的过程中，大气组分如 N2、O2、O3、H2O 和 CO2等能吸收一定波 长的太阳辐射。波长小于 290 nm 的太阳辐射被 N2、O2、O3分子吸收，并使其解离：
故波长小于290nm的太阳辐射不能到达地面而800一2000nm的长波辐射则几乎都被水分子利 二氧化碳所吸收。因此，只有被长为300800m的可见光能透过大气到达地面，这部分约占太阳光总 能量的41%。 云对太阳辐射产生反射作用，云越厚侧反射率越大：云的全球平均反射率约为20%。由于大气的吸 收、反射、散射作用，太阳辐射只有部分到达地面。经过大气减弱后的太阳辐射到达地面后，并不全部祓 地球吸收，而要被地面反射一部分。反射率取决于地表的性质和状态。例如，森林的反射率为15%，耕地 为20%，沙漠为28%，雪地为80%海洋为6%：地球的平均反射率为29%~34% 3)地球与大气的能量平衡 地球吸收了太阳辐射能量，为保持其热平衡，必须将这部分能量辐射回太空，这一过程称为地球轺射 地球辐射波长都在4μm以上，辐射极大值位于10μm处，即主要是红外长波辐射。地球表面辐射的能量 主要被低层大气中的C02和水汽吸收，地球辐射的波长在4~8μm和13~20um部分能量很容易被大气 中水汽和二氧化碳所吸收：而8一13μm的辐射被吸收很少，这种现象称为大气窗 (atmospheric window),这部分长波辐射可以穿过大气到达字宙空间， CO2和H0吸收地面辐射的能量后，又以长波辐射的形式将能量放出。这种辐射是向四面八方的， 而在垂直方向上则有向上和向下两部分，向下的部分因与地面辐射方向相反，称为”大气逆辐射”。由于大 气逆辐射的作用。 一部分地球辐射又被返国地面，使实际损失的热量比它们长波辐射放出的热量少。因此 大气对地表保持在适宜的温度范围起了重要作用。 由于在很长时明内地面的平均温度基本上维持不变，因此可以认为入射的太阳辐射和地球的长波细 射收支是基本平衡的，见图2-4 由此可见，发生于地球和大气间的能量得失过程与化学物种的光化学、光吸收作用密切相关，尤其 是O3、水汽和CO2等。所以，大气中这些成分的变化会对地球的能量平衡产生很大的影响。如近地面大 气中水汽和C02量增加，它们会吸收地而长波辐射，在近地面与大气层间形成绝热层，使近地而热量得以 保持，并导致全球气温升高，直接影响人类的生活和安全.这就是所谓的"温室效应"(greenhouse effect), 太空 入射阳光帮射 长波 气 反 被水汽、0 四净放射三 尘吸牧16 3 被云吸收 色表反射地面净长 感热通量 海洋、陆地 51 21 723 图2-4地球的能量平衡
故波长小于 290 nm 的太阳辐射不能到达地面，而 800～2000 nm 的长波辐射则几乎都被水分子和 二氧化碳所吸收。因此，只有波长为 300～800 nm 的可见光能透过大气到达地面，这部分约占太阳光总 能量的 41%。 云对太阳辐射产生反射作用，云越厚则反射率越大；云的全球平均反射率约为 20%。由于大气的吸 收、反射、散射作用，太阳辐射只有部分到达地面。经过大气减弱后的太阳辐射到达地面后，并不全部被 地球吸收，而要被地面反射一部分。反射率取决于地表的性质和状态。例如，森林的反射率为 15%，耕地 为 20%，沙漠为 28%，雪 地为 80%，海洋为 6%；地球的平均反射率为 29%～34%。 3）地球与大气的能量平衡 地球吸收了太阳辐射能量，为保持其热平衡，必须将这部分能量辐射回太空，这一过程称为地球辐射。 地球辐射波长都在 4μm 以上，辐射极大值位于 10μm 处，即主要是红外长波辐射。地球表面辐射的能量 主要被低层大气中的 CO2和水汽吸收。地球辐射的波长在 4～8μm 和 13～20μm 部分能量很容易被大气 中水汽和二氧化碳所吸收；而 8～13μm 的辐射被吸收很少，这种现象称为“大气窗” （atmospheric window），这部分长波辐射可以穿过大气到达宇宙空间。 CO2和 H2O 吸收地面辐射的能量后，又以长波辐射的形式将能量放出。这种辐射是向四面八方的， 而在垂直方向上则有向上和向下两部分，向下的部分因与地面辐射方向相反，称为“大气逆辐射”。由于大 气逆辐射的作用，一部分地球辐射又被返回地面，使实际损失的热量比它们长波辐射放出的热量少。因此， 大气对地表保持在适宜的温度范围起了重要作用。 由于在很长时期内地面的平均温度基本上维持不变，因此可以认为入射的太阳辐射和地球的长波辐 射收支是基本平衡的，见图 2-4。 由此可见，发生于地球和大气间的能量得失过程与化学物种的光化学、光吸收作用密切相关，尤其 是 O3、水汽和 CO2等。所以，大气中这些成分的变化会对地球的能量平衡产生很大的影响。如近地面大 气中水汽和 CO2量增加，它们会吸收地面长波辐射，在近地面与大气层间形成绝热层，使近地面热量得以 保持，并导致全球气温升高，直接影响人类的生活和安全。这就是所谓的“温室效应”（greenhouse effect）。 图 2-4 地球的能量平衡
4)主要温室气体 引起温室效应的物质主要有CO02、CH4、NzO、CFC。其中CO2和水对红外辐射的吸收波长范围见 图2-5。 ·大气中CH主要米源自湿地、牛群、稻田等，浓度仅次于C02,其温室效应比C02大20-30倍 ·我国农田土壤排放C02、CH4、N20分别为260×106t、17.5×105t和9.6×105t,分别占 总挂放量的8%、50%、10%。 ·CFC也是温室气体，对温室效应的贡献率占25%。CFC-11、CFC-12主要吸收800-2000 cm-1之间的辐射：每个CFC-12分子产生的温室效应相当于15000个C02分子. ·新发现温室效应最强的物质CF3SF5,1个CF3SF5分子产生温室效应相当于105个C02。 大气中具有温室效应的气体 气体浓度（μLm3)年均增长率(%） C02 340000 0.4 a 1650 1.0 co 304 0.25 CHaCla 0.13 7.0 03 CFC-11 0.23 50 CFC-12 04 5.0 0.125 0 H0吸收光谱 C0,吸收光谱 公大气留 吸收 8 12 162024 波长A加m 国2-5水和二氧化碳对红外辐射的吸收
4）主要温室气体 引起温室效应的物质主要有 CO2、CH4、N2O、CFCs。其中 CO2和水对红外辐射的吸收波长范围见 图 2-5。 ● 大气中 CH4主要来源自湿地、牛群、稻田等，浓度仅次于 CO2，其温室效应比 CO2大 20-30 倍。 ● 我国农田土壤排放 CO2、CH4、N2O 分别为 260×106 t、17.5×106 t 和 9.6×106 t，分别占 总排放量的 8%、50%、10%。 ● CFC 也是温室气体，对温室效应的贡献率占 25%。CFC-11、 CFC-12 主要吸收 800-2000 cm-1 之间的辐射；每个 CFC-12 分子产生的温室效应相当于 15000 个 CO2分子 。 ● 新发现温室效应最强的物质 CF3SF5，1 个 CF3SF5分子产生温室效应相当于 105个 CO2 。 图 2-5 水和二氧化碳对红外辐射的吸收