[优质]农业气象学第二章辐射课件.ppt

1、 辐射是以电磁波的形式向外放散的。是以波动的形式传播能量。2.1辐射的基本知识 1、辐射的基本概念 自然界中的一切物体,只要温度在绝对温度零度以上,都以电磁波的形式时刻不停地向外传送热量,这种传送能量的方式称为辐射。物体通过辐射所放出的能量，称为辐射能，简称辐射。第二章 辐 射c 波！2、光谱短波波长0.13.0m，长波3.0+。投射于物体表面的辐射物体吸收的辐射投射于物体表面的辐射物体反射的辐射投射于物体表面的辐射透过物体的辐射t 吸收率(absorptivity)：反射率(reflectivity)：透射率(transmissivity)：其中，1t如物体不透明则13.自然界物体辐射特性

2、下垫面下垫面 短波短波 长波长波短波反射率短波反射率 长波吸收率长波吸收率aL 长波反射率长波反射率L 土壤土壤0.050.40 0.900.98 0.10.02 作物植被作物植被0.150.25 0.900.99 0.10.01 新雪新雪0.95 0.99 0.01旧雪旧雪0.40.7 0.99 0.01金属铝箔金属铝箔0.95 0.10 0.90关于黑体(a=1)和灰体(a 1)1a1a 物体在单位面积上单位时间内发射或吸收、反射、透射的辐射能量，单位W/m2或J.m-2.s-1。辐射通量密度(radiation)：黑度:同一温度下，实际物体的辐射能力恒小于同温度下黑体的辐射能力。不同物体

3、的辐射能力差别较大，用黑度e表示物体的辐射能力：b体的辐实际物体辐射能力EE射能力 黑度表示实际物体接近黑体的程度。黑度是物体的一种性质，只与物体本身的情况有关，与外界因素无关，其值可实验测定。例：0.4m是可见光中的蓝紫光，它的每个光量子所含能量是多少？/hce 二、基本定律普朗克第一定律：其中：h普兰克常数,它等于6.6310-34J.S，c光速=3108m/s，波长(m)。从公式看出：波长越短,e就越大，即：波长超短，每个光量子所带的能量越多。Gamma刀可作脑手术、X光照片等，因其波长短，能量很大。越长,e越小,携带的能量越少。e=hc/=6.6310-34J.S3.0108m/s/0

4、.4106m =4.9710-19J E(J)E值（kJ)E/J（1J能量含几个爱因斯坦）0.44.9710-19 299.23.3410-6(个爱因斯坦光量子群)0.53.97239.44.18.0.63.31199.55.01.0.72.87171.05.85.0.82.49149.96.67.爱因斯坦和爱因斯坦值：从上面看到每一个光量子所含能量太小,使用很不方便。采用爱因斯坦值“E”作为光量子所携带的能量，即1mol光量子，也叫1个爱因斯坦（6.021023个光量子）所携带的能量E=e6.021023。1个爱因斯坦指的是6.021023个光量子数。光合有效辐射（PAR）太阳辐射中对植物光

5、合作用有效的光谱成分称为光合有效辐射。PAR是Photosynthetically Active Radiation 的英文缩写。PAR的波长范围在0.40.7m,与可见光基本重合。在光合有效辐射波长范围内，决定植物光化学反应的不是叶片吸收了多少辐射能量，而是吸收了多少辐射光量子个数Ei或Ei。按光化学原理，一个分子吸收一个光量子，可以引起一个分子的化学反应。即要使1 mol的化合物起反应，则需要吸收1 Ei（爱因斯坦）的光量子。因此，在研究辐射与植物光合作用的关系时，实验所用观测仪器宜采用光量子辐射仪，其单位宜采用光量子通量密度较合理。近年来一些学者作了大量的有关“不同波长光量子光合产量测定

6、”的科学实验，并从量子理论的角度加以证明后，建议采用光合光量子通量密度（Ei/(m2s)或Ei/(m2s）表示被植物光合作用利用的辐射光量子数。2.普兰克第二定律1exp252KThchcEB 式中：h是普兰克常数6.6310-34（J.s），c是光速3108m/s，K是波尔兹曼常数1.3810-23(J/k)。任何高于-273的物体都会向外发射辐射，那么，物体发射辐射的波长和能量是多少呢？发射辐射又要受哪些因子影响呢？黑体发射辐射分布定律1）T越高，曲线下面积越大，发出的总辐射就越多；从右图可看出：2）发射辐射波长峰值（即在这一波长发出的辐射通量密度最大）随T下降向右偏移，即随温度降低，发射

7、辐射的波长峰值就越长。普朗克定律说明：某物体，当温度一定(如：太阳6000K，地球平均为288K)，它是可以发出不同波长的辐射的；当给定一个波长后，就可计算出此物体在这个温度下，所发出的这个波长的能量是多少。思考和讨论：太阳和地球的辐射光谱曲线关系如何？讨论并判断：(1).太阳辐射是短波辐射，地球辐射是长波辐射。地球发射的0.1 3.0 m的短波辐射Ee(2）.太阳发出的长波辐射比地球的长波辐射少。0TTa俄国科学家基尔霍夫（Kirchhoff）发现：在自然界中，在一定温度下，物体对某波长的吸收率等于该物体在同温度下对该波长的发射率。3.基尔霍夫定律黑体吸收能力最强，那么它的反射能力就解释：为

8、什么冬季化雪融冰要往地上一些撤土？最弱。物体所发出的所有波长的能量进行积分就得到物体在一定温度下发出的总辐射能量。即dKThchcETB0521exp2积分结果：4.斯第芬波尔兹曼定律：是斯第芬波尔兹曼常数5.6710-8J/(m2.s.k4)。EBT=T4作业1：求太阳和地球发射的辐射通量密度(W/m2）？ET的单位为W/m2，是辐射通量密度单位。如物体是灰体，则公式前加得：ET=T4已知：太阳半径696105Km，T=6000K，1.0；地球平均半径6.37103Km，T=288K，0.95。太阳：ET=T4=5.6710-8（6 103）47.35 107（W/m2）地球：ET=T4=0

9、.95 5.6710-8 28843.7 102（W/m2）即当 时，有极大值出现。5.维恩位移定律：用高等数学中求到极大值的方法，对求导，T的单位用K，得到max单位为m。0ddEB并得到公式：max=2897/T作业2：求人体发射辐射的波长峰值？T=273+32Kmax=2897/T 9.48m为远红外（长波）太阳发射辐射峰值：max=0.48 m 短波地球发射辐射峰值：max=10.06 m 长波作业 1：分别求算太阳和地球发射辐射的波长峰值？2.2 太阳辐射一、太阳和地球太阳：恒星，是炽热气体球，半径=696105Km，是地球半径的109倍，表面温度为6000 K地球：行星，扁球体，表

10、面平均温度288 K左右,赤道半径6378.140公里,极半径6356.755公里 平均半径6371.004公里二、日地关系地球绕太阳公转，公转轨道（即黄道）近日点=1470万公里（1月3日）远日点=1520万公里（7月4日）平均距离=1496万公里（4月3日，10月5日）地球只接收到太阳辐射极窄一束光，所以投射到整个地球上的太阳辐射，可以近似作平行光处理？（这点很重要！）关于24节气及公历的由来三、四季的形成地球围绕太阳公转时地轴始终和公转轨道（黄道）平面保持66.33的倾角，所以地球始终斜着自转,因而一年中太阳有时直射北半球有时直射南半球。太阳直射点在南北纬度23.5之间变化，南北23.5

11、的纬圈叫南北回归线。地球上太阳直射点所处纬度叫赤纬，并用表示，所以太阳赤纬在南北23.5上变化。在北半球取正值，南半球为负。如夏至6月22日（北）=+23.5,冬至12月22日（南）=-23.5，春分3月21日和秋分9月23日太阳直射赤道，则=0 地球上某地获得的太阳辐射能与什么有关？如何确定？1、有关：a)与太阳高度角h b)与太阳照射时间长短 a)太阳高度角h ：指太阳能入射方向与地平面间夹角。直射时90，斜射90。直射时单位地表面积所获辐射能最多。（日变化，自转，年变化，公转）入射角与太阳高度角差别；直射与斜射关系：）sinh=sinsin+coscoscos15(t-12)纬度 太阳赤

12、纬 t地方时（正午为12，124h）tgtgcos b)太阳照射时间 可照时数：即白昼时间。昼越长获得的太阳辐射就越多。A.大气上界所获得的天文辐射按所收到天文辐射多少，形成因纬度而异的七个带:赤道带、热带、副热带、温带、副寒带、寒带、极地带B.地面实际得到的太阳辐射 由于海陆分布、大气状况及环流、下垫面性质、人类活动，地面实际收到的太阳辐射及其再分配极为复杂。到达地面的辐射包括两部分：RS=RSb+RSd四、太阳辐射RS (Solar Radiation）0.154 m占全部发射总能量的99%，属短波辐射。其中，光合有效辐射（PAR，0.40.7 m)占太阳总辐射的50%。(1)太阳常数RS

13、c（Solar constant）P33。RSC13677W/m2以平行光形式投射到地面上的太阳辐射。是地球表面获取太阳辐射最主要来源(b-beam)。1、太阳直接辐射RSb：RSb=am.RSc.Sinh(2)a是大气透明系数(atmospheric transmission coefficient)无污染，a=o.9 污染严重，a=0.6 一般地，a=0.84 气压越高，说明空气有堆积，所以大气质量数就大;太阳高度角越小，相对射程越远，大气质量数相对就越大。(3)m是大气质量数(air-mass number)什么是一个大气质量数?P38m与什么有关呢？sinh0PPm 太阳光垂直到达海平

14、面时所穿过的大气厚度定为1(即m=1)，斜穿大气层时m1。定义m=1时有纬度要求吗？2、太阳散射辐射RSd：diffuse 书P35 (1)雷利散射，(2)米氏散射，解释：为什么雨后天晴时，天空是湛蓝色的？而空气污染严重时，天空呈灰白色的？对流层以上看到的天空是什么颜色？RSb=am.RSc.Sinh 请问：m与RSb 是正比还是反比关系？（m越大，空气质量数越大，被空气质点吸收、反射、散射的太阳辐射量就越多，太阳辐射被削减得越多。）散射辐射：RSd=0.5RSc(1-am)sinh太阳辐射：RS=RSb+RSd=0.5 RSc(1+am)sinh 一、地球辐射 又称地球长波辐射（Length

15、），它包括地面长波辐射和大气长波辐射，记作RLd和Rlu。2.3 地球辐射与辐射平衡2、RLd大气辐射：大气吸收辐射的主要成分,“大气天窗”814m1、RLu地面辐射：发射辐射量:3.地面有效辐射 RLn=RLU-RLd白天进多出少，夜间进少出多；夏季进多，冬季出多。Rn=RS(1-)+RLd RLu二、辐射平衡1.地面净辐射 地面由于吸收太阳辐射和大气辐射而获得热量，同时又不断向外发出辐射而失去热量。单位时间、单位面积地面吸收和发射辐射能量的差叫地面净辐射（net）或辐射平衡。取地面获得辐射为“+”，失去“-”。辐射平衡公式为什么日出后和日落前净辐射已是负值？2.地球大气系统内的辐射平衡 R

16、n=H+LE+G (能量平衡公式)1、地面：47（短波）+（-114+96）（长波）=+292、大气：25（短波）+（-163+109）（长波）=-29存在“地球大气”系统内的热交换！3、热量输送：LE=24 （H+G）=52.4辐射与农业 一、光谱成分与农业生产 不同光谱成份对植物的作用是不同的。各种波长对植物的作用如下：1).波长1.0m的辐射，被植物吸收转化为热能，影响植物体温和蒸腾，可促进干物质积累，不参加光合作用。2).1.00.7m的辐射，只对植物伸长起作用，其中0.700.80m称远红外光，控制开花与果实的颜色。3).0.70.6m的红光、橙光可被叶绿素强烈吸收，光合作用最强。4

17、).0.60.5m的光,主要为绿光,低光合作用与弱成形作用。森林反射绿光而呈绿色。5).0.50.4m的光主要为蓝、紫光，被叶绿素和黑色素强烈吸收，次强光合作用。6)波长0.400.32m的紫外辐射起成形和着色作用，如使植物变矮、颜色变深、叶片变厚等。7).波长0.320.28m紫外线对大多数植物有害。8).0.28m的远紫外辐射可立即杀死植物。2.光合有效辐射PAR 光合有效辐射占太阳直接辐射的比例随太阳高度角的增加而增加，最高可达45%。而在散射辐射中，光合有效辐射的比例可达60%70%之多，所以多云天反而提高了PAR的比例。光合有效辐射平均约占太阳总辐射的50%。在光合有效辐射波长范围内

18、，决定植物光化学反应的不是叶片吸收了多少辐射能量，而是吸收了多少辐射光量子个数。因此，在研究辐射与植物光合作用的关系时，实验所用观测仪器宜采用光量子辐射仪，其单位宜采用光量子通量密度较合理。太阳辐射到达作物叶片后，一部分被反射，一部分被透射，剩下部分被吸收。作物群体内的光照分为两部分：一是穿过上部叶片间隙的直射光，呈“光斑”；另一种是透过叶片以后的透射光和部分散射光，呈“阴影”。两部分光照的强度和光谱成分均不同，对光合作用的效应也不同，起作用的主要靠光斑部分。因此，在研究作物群体光合作用时，建议把植被分成全光照区(光斑部分)、全阴区(阴影部分)和半阴区(介于两者之间)三部分来研究。二、光照时间

19、与植物生长1.光照时间 光照时间=可照时数+曙暮光 一般民用曙暮光是指太阳在地平线以下06的一段时间内。曙暮光持续时间长短因季节和纬度而异，全年以夏季最长，冬季最短，高纬地区长于低纬地区。赤道上曙暮光持续时间变化于2446min；纬度30地区冬夏曙暮光的变化为5256min；纬度50地区冬夏曙暮光的变化为7690min；纬度60地区夏季曙暮光长达3.5h，冬季也有1.5h。2.植物的感光性 昼夜交替及其延续时间长度不仅影响作物开花，也影响落叶、休眠和地下块茎等营养贮藏器官的形成。植物对昼夜长短的这些反应，称为光周期现象(photoperiodism)。按植物对光周期的反应分为三类：短日照植物、

20、长日照植物和中性植物。短日照植物：只有在光照长度小于某一时数才能开花，如果延长光照时数，就不开花结实，例如水稻、大豆、玉米、高粱、棉花、甘薯等原产于热带、亚热带的植物属于此类。长日照植物：只有在光照长度大于某一时数后才能开花，如果缩短光照时数就不开花结实，如小麦、大麦、燕麦、亚麻、油菜、甜菜、胡萝卜、菠菜等原产高纬度的植物属于此类。中性植物：这类植物开花不受光照长度的影响，在长短不同的任何光照下都能正常开花结实。例如西红柿、水稻及大豆的某些特早熟品种等都属于此类。也有人试验证明许多棉花品种属于中性植物。3.光照时间与作物引种 不同地区之间的引种工作中，应注意作物与地区之间光照时间的供求对应关系

21、。一般引种工作中，应从光照时间和温度差异上来考虑：1)对短日照作物来说，南种北引，由于北方生长季内日照时间长，将使作物生育期延长，严重的甚至不能抽穗与开花结实。为了使其能及时成熟，宜引用早熟的品种，或感光性较弱的品种；反之，北种南引，由于南方春夏生长季内日照时间较短，使作物加速发育，缩短生育期。如果生育期缩得太短，过多地影响了营养体的生长，将减低作物产量。因此北种南引时，宜选用迟熟与感光性弱的品种。2)对长日照作物来说，北种南引，由于日照时间短，将延迟发育与成熟，南种北引则反之。从实际情况看，长日照作物的引种比短日照作物遇到的困难少。因为如果不考虑地势影响，中国南方温度一般比北方高，长日照植物

22、由北南引，温度高使之加快发育，光照短使之延迟发育，所以光、温对发育速度的影响有“互相抵偿”的作用，南种北引类似。反之，短日照作物之南北引种，光、温对发育速度的影响有“互相叠加”的作用，因而增加了南北引种的困难。3)纬度相近地区之间，因光照时间相近，引种成功的可能性较大。但应注意，从相同纬度来说，同一日期，两地光照时数应相等，但通常东西两地温度并不相同，如我国东部濒海地区春温比内地低，较低的温度会使作物发育延迟，使后来两地作物的相同发育期出现于不同日期，由于日期前后相错，所遇到的日照时数自然有了差异。例如，如果两地某发育期出现时间前后错开5d，其所遇到的日照时数的差异，约相当于纬度相差34的日照

23、差异，这就必然使两地作物后来各发育期受到不同的光照时数的影响而出现不同的反应。三、光照强度与作物生产 1.光饱和点和光补偿点 在一定的光照强度范围内，光合作用随光照强度的增加而增加，但超过一定的光照强度以后，光合作用便保持一定的水平而不再增加了，这种现象称为光饱和现象，这个光照强度就是临界点，称为光饱和点，在光饱和点以上的光照强度对光合作用不再起作用。1883年德国J.赖因克首先发现植物的光饱和现象，并指出：光饱和点取决于所研究的对象。光补偿点 在光饱和点以下，当光照强度降低时，光合作用也随之降低，当植物通过光合作用制造的有机物质与呼吸作用消耗的物质相平衡时的光照强度称为光补偿点。低于光补偿点

24、时，植物的消耗将大于积累。2.光强与光能利用率 不同植物对光照强度的要求不同，光照过强或不足都会引起植物生长不良，产量降低，出现过热、灼伤、黄化、倒伏等，甚至导致死亡。因此，正确地调节光照强度以提高对太阳能的利用率，是作物栽培的重要课题之一。植物在进行光合作用的同时进行着光呼吸作用，这种“光呼吸”与一般呼吸作用不同，只有在光合作用下才发生，而这种光呼吸作用是不产生能量的，它消耗了光合作用生产的一部分有机物质（有时可高达1/3以上）。水稻、小麦、棉花、油菜等C3植物的光呼吸作用很强，因而光合效率大大降低了。玉米、高粱、甘蔗等C4植物的光呼吸作用却很弱，甚至没有光呼吸，因此在光、温、水、CO2、矿

25、物质营养适宜的条件下，将有利于创造高产。多数植物的光饱和点在5001000mol/(m2s)，但不同植物的光饱和点有很大差异，一般阳性植物高于阴性植物，C4植物高于C3植物。在一般阳光下，C4植物没有明显的光饱和现象，而C3植物仅为全光照的1/41/2。在光强超过光饱和点的晴天中午，C3植物都呈现光抑制，出现“光合午休”现象。这种午休现象可使光合生产损失30%。要想提高作物产量，从光量方面可考虑如何降低作物的光补偿点，而提高光饱和点，以最大限度地利用日光能。喜阴植物（深水藻或阴生叶片）在海平面全光照的1/10或更低时即达光饱和；喜阳植物，尤其是荒漠植物或高山植物，在中午直射光下还未达到光饱和。

26、对于水稻、小麦等C3植物，光饱和点为38万勒克斯。C4植物的光饱和点一般比C3植物高，有的C4植物在自然光强下甚至测不到光饱和点（如玉米的嫩叶）。作物群体的光饱和点较单叶为高，小麦单叶光饱和点为23万勒克斯，而群体在10万勒克斯下尚未达到饱和。这因为光照度增加时，群体的上层叶片虽已饱和，但下层叶片的光合强度仍随光照度的增加而提高，所以群体的总光合强度还在上升。1、辐射的基本知识和定律2、到达地面的太阳辐射时空差异的成因3、地球表面（下垫面）对太阳辐射的吸收、反射和透射特性4、光谱成分与农业生产5、光照时间与植物生长6、光照强度与作物生产学习重点 小 测 验一、名词解释：30分1、太阳常数、大气

27、质量数、太阳高度角2、地球辐射、太阳直接辐射，散射辐射二、计算题：40分1、如果把0.48m 作为太阳黑体辐射的发射峰值，求太阳发射的辐射通量密度是多少W/m2？如把0.72m 作为太阳黑体辐射的平均波长，求太阳发射的光量子通量密度是多少Ei/(m2.s)？2、某物体温度为20，发射率为0.93，同时物体受到辐射通量密度为320w/m2的大气长波辐照，用红外测温仪测此物体的温度时，误把它的发射率当作1.0处理，问红外测温仪测得的此物温度是多少？与此物实际温度相比，是偏低还是偏高？三、简答题：30分1.提高大田作物光能利用率的途径有哪 些？（如何提高大田作物光能利用率？）已知：max=0.48

28、m，求：辐射通量密度？解：由max=2897/T得：T=2897/max=2897/0.48=6035.42(K)E=T4=1 5.6710-8 6035.424=7.52 107(W/m2)已知 解：一个光量子携带的能量e=hc/=6.63 10-34 3 108/(0.72 10-6)=2.76 10-19(J)一个爱因斯坦值Ei=6.02 1023 2.76 10-19=1.66 105(J)光量子通量密度E/Ei=(7.52 107)/(1.66 105)=4.53 102(Ei/(m2.s)=4.53 108(Ei/(m2.s)答：略）（，求光量子通量密度smEi./?72.02已知：T实=20 ,实=0.93,RLd=320(W/m2),测1.0求：T测？，T=?解：物体实际发射的辐射通量密度E实 T4=0.93 5.6710-8 (273+20)4=388.6(W/m2)物体反射到达它表面的大气长波辐射通量密度E反 rRLd=(1-0.93)320=22.4(W/m2)红外测温仪测得的辐射通量密度E测=E实+E反=411(W/m2)由E测 测T测4=5.6710-8 T4=411(W/m2)得T测291.8（K）291.8-27318.8（）T=T测 T实18.8-20-1.2（）答：红外测温仪测得物体温度为18.8 ,比实际物体温度低，低1.2。