第 8 章。地球的能量
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1. 太阳辐射能
2. 太阳和地面辐射
3. 地球的热量预算
4. 地球内部能量
1.太阳辐射能
⑴ 光与能源
① 电磁波
○ 通过空间电场和磁场的振动传播的波
○ 包括伽马射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、无线电波
○ 真空中速度 3 × 10^8 m/s
② 辐射能
○ 电磁波传播的能量
○ 被物质吸收并转化为热能
⑵ 日照（入射太阳辐射）
①太阳常数：在地球大气层上边界垂直于太阳光线的表面1 cm^2上入射1分钟的能量，通常为2 cal/cm^2·min
② 地球接收到的太阳辐射能量： 如果πR^2I的总太阳辐射能量入射到地球上，那么如果均匀分布在整个地球表面，则入射到地球表面单位面积上的太阳辐射能量为
○ 其中I为太阳常数，2.0 cal/cm^2·min
2.太阳和地面辐射
⑴（参考）【黑体辐射】(https://jb243.github.io/pages/750)
①定义：所有具有能量的物体都会发光的现象
② 黑体 ： 吸收所有入射能量并完全发射所有吸收能量的物体
③ 波的状态数（模式数）
○ 基于【普通模式】(https://jb243.github.io/pages/740)
○ 一维简正模态 : 对于长度为 L 的波，存在各种简正振动模态，具体取决于状态数 n（其中 n 是自然数）
○ 3D 普通模式 : 各种波（在本例中为光）基于波的状态向量 (l, m, n) 存在，其中 l, m, n 是整数
○ 状态向量可以对应正交坐标 : 考虑到 l、m、n 为正整数而产生的八分圆
○ 波的状态数 : 设以原点为中心、半径为 p 的 1/8 球体中的网格点数为 N*(p)，
○ 状态数（N*）与频率（ν）的关系
○ 该方程没有考虑相同状态计数下可以存在两个相位相反的波
○ 结论：体积V = L^3，单位体积的状态数N = N* / V，
④ 瑞利-金斯定律
○ 概述 : 在用波分析黑体辐射时，必须观察紫外线灾难
○ 【热力学】中系统的平均振动能(https://jb243.github.io/pages/1344)
○ 频率ν下单位体积的平均辐射能
○ 紫外线灾难 : 黑体辐射发出非常接近波长 0 的光的现象
○ 实际上，波长接近0的光会收敛到零强度
⑤ 普朗克定律
○ 马克斯·普朗克引入量子概念并假设E = hν，于1900年成功解释
○ 单光子能量
○ 具有频率为 ν 的 n 个光子的概率 : 受到 Maxwell-Boltzmann Distribution 中指数分布的启发
○ 系统平均能量
○ 频率ν下单位体积的平均辐射能
○ 普朗克曲线 : 黑体发射的辐射能基于波长的分布。黑体的辐射能分布仅取决于温度
图。 1. 普朗克曲线» ○ 系统单位体积总能量
○ 光子通量
⑥ 斯特凡-玻尔兹曼定律 ： 黑体单位时间内单位面积辐射的能量与黑体绝对温度 T(K) 的四次方成正比
○ 通常通过在方程中引入发射率 ε 来针对实际物体进行修改
○ 其中 σ : Stefan-Boltzmann 常数, 8.22 × 10^-11
⑦ 维恩位移定律 ： 发射最大辐射能量时的波长 λmax (μm) 与黑体的绝对温度 T(K) 成反比
○ 其中 α : 维恩常数, 2.89 × 10^3
⑧ 泡利不相容原理
○ 定义 ： 单一轨道上的同一量子态中不能存在两个或多个相同的电子
○ 普朗克曲线连续图的原因
○ 许多原子聚集，能级略有重叠，导致能级连续出现
稍微移动
图。 2. 由于轨道重叠导致的能级分裂
图。 3. 由于轨道重叠而形成能带
⑵ 太阳辐射
① 太阳辐射曲线与5,800 K黑体的辐射曲线相似
②太阳最大辐射波长：0.47μm——可见光（短波辐射）
③太阳总辐射能量的95%分布在0.25~2.5μm的波长范围内
○ 可见光： 波长0.4~0.7μm，约占太阳辐射能量的45%
○ 紫外线 ： 波长0.15 ~ 0.4 μm，约占太阳辐射能量的9%
○ 红外线 ： 波长0.7 ~ 4.0 μm，约占太阳辐射能量的46%
④ 太阳辐射的散射
○ 分类1.弹性散射：散射过程中能量没有变化，入射和散射波长相同
○ 瑞利散射
○ 当波长远大于颗粒尺寸时
○ 波长越短，散射越强
○ 天空呈现蓝色的原因
○ 米氏散射 : 当波长与颗粒尺寸相似时
○ 分类2.非弹性散射：散射过程中发生能量变化，入射和散射波长不同
○ 也称为拉曼散射
○ 如果物质获得能量，则称为斯托克斯散射
○ 如果物质失去能量，则称为反斯托克斯散射
⑶ 地面辐射
① 地面辐射=地表辐射+大气辐射
② 地球表面平均温度为288 K（15℃）
③ 最大地面辐射波长： 10 μm - 红外区（长波辐射）
④ 地面总辐射能量的95%分布在2.5~25μm的波长范围内
3.地球的热量收支
⑴ 被大气吸收
① X射线、伽马射线 → 被高层大气中的原子吸收
○ 0.2 μm 以下波长 : 氧、氮分子吸收
○ 波长0.24 ~ 0.30 μm : 臭氧吸收
○ 波长5 ~ 10 μm : 水蒸气吸收
○ 波长10 ~ 20 μm : 二氧化碳吸收
○ 波长超过 20 cm → 被电离层吸收
② 穿过大气层的电磁波
○ 太阳辐射能
○ 可见光 (0.3 ~ 1.2 μm) : 光学窗口
○ 无线电波 (1 mm ~ 20 m) : 无线电窗口
○ 地面辐射能
○ 红外辐射（8 ~ 13 μm） : 红外窗口（大气窗口）
③ 温室效应
○ 温室气体 ： 水蒸气、二氧化碳、甲烷、氟利昂气体等。
○ 温室效应 : 地球表面附近大气变暖的影响» ○ 原则 1. 温室气体不会吸收大量的太阳短波辐射
○ 原则 2. 温室气体吸收地球的大部分长波辐射
图。 4. 地球的能量平衡
⑵ 地球热平衡
① 地球辐射平衡
○ 定义： 地球温度保持在恒定水平的状态
○ 原因： 在很长一段时间内，入射的太阳辐射量和出射的地面辐射量达到几乎相等的平衡
○ 也称为热平衡或辐射平衡
② 反照率
○ 定义 ： 由太阳辐射引起的地球表面、云层、灰尘或空气颗粒反射或散射回太空的能量
○ 反射率 : 取决于光线照射物体时的入射角
○ 入射角小于60度时，96%的入射光透过物体
○ 地球的平均反照率为31%，而月球为12%
○ 沙漠 ＞ 森林 ＞ 反照率海洋
③ 热能预算
○ 太阳辐射 (100%) = 表面吸收 (50%) + 大气吸收 (20%) + 地球反射 (30%)
○ 日照： 0.5 cal / cm^2 · 分钟
○ 表面吸收： 0.25 cal / cm^2 · 分钟，重新发射到太空
○ 大气吸收： 0.1 cal / cm^2 · 分钟，重新发射到太空
○ 地球反射 : 0.15 cal / cm^2 · 分钟
⑶ 热收支和纬度热传输
① 按纬度划分的热预算
○ 低纬度 : 输入能量 > 输出能量 → 能量剩余
○ 中纬度 : 输入能量 ≒ 输出能量 → 能量平衡
○ 高纬度 : 输入能量 < 输出能量 → 能量赤字
② 热传输
○ 赤道海洋环流至中纬度
○ 中纬度大气环流至高纬度
○ 维持各纬度辐射平衡的结果
4.地球内部能量
⑴地温梯度：3℃/100m，地温梯度随深度增加而减小
⑵ 放射性衰变热
① 花岗岩（构成大陆地壳） ＞ 玄武岩（构成洋壳） ＞ 辉长岩（构成地幔）
⑶ 地热通量
① 单位面积、单位时间内从地球内部散发到地表的热能的量。
○ 受放射性衰变和火山活动影响
○ 全球平均值 : 1.5 HFU = 1.5 × 10^-6 cal / cm^2 · s
② 大陆地热通量： 主要是花岗岩中放射性同位素的衰变热
③ 海洋地热通量 : 从地球内部转移并释放的热量
○ 山脊 ＞ 海沟 ＞ 海山
○ 海底山脊、海山、岛弧和火山弧显示出高地热通量
○ 海底海沟、深海平原和稳定的大陆地区地热通量较低
输入： 2016.06.22 20:54
修改： 2022.09.12 19:34