1 太阳辐射与大气削弱作用～结合相关高考真题-【超前培优】备战2023年高考地理之探讨大学地理知识

太阳辐射与大气削弱作用～结合相关高考真题 大气内部始终存在着冷与暖、干与湿、高气压与低气压三对基本矛盾。其中冷与暖这对矛盾所表现出来的地球及大气的热状况、温度的分布和变化，制约着大气运动状态，影响着云和降水的形成。 因此，大气的热能和温度成了天气变化的一个基本因素，同时也是气候系统状态及演变的主要控制因子。 长期观测实践表明，大气的冷暖变化，不仅在空间分布上是很不均衡的，在时间上也有周期性变化和非周期性变化。那么，这种变化是怎样形成的？能量来自何处？下面将介绍地球上热量的基本来源是太阳辐射，并着重分析太阳辐射通过下垫面引起大气增温、冷却的物理过程。 在此基础上，再讨论大气温度随时间变化和空间分布的一般规律。 地球大气中的一切物理过程都伴随着能量的转换，而辐射能，尤其是太阳辐射能是地球大气最重要的能量来源。 一年中整个地球可以由太阳获得5.44×10²⁴J的辐射能量。地球和大气的其它能量来源同来自太阳的辐射能相比是极其微小的。比如来自宇宙中其它星体的辐射能仅是来自太阳辐射能的亿分之一。从地球内部传递到地面上的能量也仅是来自太阳辐射能的万分之一。 一、辐射的基本知识 (一)辐射与辐射能 自然界中的一切物体都以电磁波的方式向四周放射能量，这种传播能量的方式称为辐射。 通过辐射传播的能量称为辐射能，也简称为辐射。辐射是能量传播方式之一，也是太阳能传输到地球的唯一途径。 辐射能是通过电磁波的方式传输的。电磁波的波长范围很广，从波长10⁻¹⁰μm的宇宙射线，到波长达几千米的无线电波。肉眼看得见的是从0.4—0.76μm的波长，这部分称为可见光。 可见光经三棱镜分光后，成为一条由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各种颜色组成的光带，其中红光波长最长，紫光波长最短。其它各色光的波长则依次介于其间。 波长长于红色光波的，有红外线和无线电波；波长短于紫色光波的，有紫外线、X射线、γ射线等，这些射线虽然不能为肉眼看见，但是用仪器可以测量出来（图2·1）。 太阳直射地面时，辐射通量密度=有效辐射。 气象学着重研究的是太阳、地球和大气的热辐射。它们的波长范围大约在0.15一120μm之间。 在气象学中，通常以焦耳(J)作为辐射能的单位。单位时间内通过单位面积的辐射能量称辐射通量密度(E)，单位是W/m²。 辐射通量密度没有限定辐射方向，辐射接受面可以垂直于射线或与之成某一角度。 如果指的是投射来的辐射，则称入射辐射通量密度；如果指的是自物体表面射出的辐射，则称放射辐射通量密度。其数值的大小反映物体放射能力的强弱，故称之为辐射能力或放射能力。 地面和大气单位时间内，通过垂直于选定方向上的单位面积（对球面坐标系，即单位立体角）的辐射能，称为辐射强度(I)。其单位是W/m²或W/sr，读作瓦[特]每球面度，即Watt per steradian。 辐射强度与辐射通量密度有密切关系，在平行光辐射的特殊情况下，辐射强度I与辐射通量密度E的关系为 I=E/cosθ 式中θ为辐射体表面的法线方向与选定方向间的夹角。 (二)辐射光谱 为准确描述辐射能的性质，需要引入一个能确定辐射能按波长分布的函数，以便进一步确定物体的辐射特性。 设一物体的辐射出射度为F(W/m²)，在波长λ至λ+d间的辐射能为dF，则 dF=Fλ×dλ 或Fλ=dF÷dλ 式中Fλ是单位波长间隔内的辐射出射度，Fλ是波长的函数，称为分光辐射出射度，或单色辐射通量密度。 因Fλ是随波长而变的函数，所以又称为辐射能随波长的分布函数。 它不仅取决于物体的性质，而且还取决于物体所处的状态。Fλ随波长λ的变化可以用图形来表示，如图2·2所示。图中Fλ随λ的变化曲线称为辐射光谱曲线。 纵轴单色辐射通量密度，横轴单色波长，波长×密度=辐射能。 因此波长λ₁—λ₂间的辐射F₁ ₂，可由积分算出。 在图上相当于λ₁到λ₂间光谱曲线下的面积。若对所有波长积分，就得到总辐射能。 全波长总的辐射能力在图中为光谱曲线与横坐标所包围的面积。 (三)物体对辐射的吸收、反射和透射 不论何种物体，在它向外放出辐射的同时，必然会接受到周围物体向它投射过来的辐射，但投射到物体上的辐射并不能全部被吸收，其中一部分被反射，一部分可能透过物体（图2·3）。 设投射到物体上的总辐射能为Q，被吸收的为Qa，被反射的为Qr，透过的为Qd。根据能量守恒原理 Qa+Qr+Qd=Q 再将上式等号两边除以Q 得： Qa/Q+Qr/Q+Qd/Q=1 式中左边第一项为物体吸收的辐射与投射于其上的辐射之比，称为吸收率(a)；第二项为物体反射的辐射与投射于其上的辐射之比，称为反射率(r)；第三项为透过物体的辐射与投射于其上的辐射之比，称为透射率(d),则 a+r+d=1 a、r、d都是0—1之间变