Question

太阳辐射和大地辐射

Answer 1

当把太阳(表面温度约为5900K)辐射和地球(地表温度为290K)辐射近似看成是黑体辐射时,光谱辐射通量的密度的分布曲线如图2-5所示。由图可见,太阳辐射最大值在可见光谱段,其峰值波长为0.47μm,而地球辐射则位于热红外区。

太阳辐射在大气上界处的垂直入射辐射通量密度称为太阳常数值,平均太阳常数值是1400W/m²,而通过大气到达地面的有效辐射通量密度为913W/m²,只占太阳直接辐射于大气上界的64.5%。图2-6给出了大气上界辐照度,海平面上太阳辐照度的分布曲线。该图给出的是平均日地距离上的太阳辐照度分布曲线。太阳常数值是有年周期变化的,近日点时,太阳常数值达到1438W/m²;远日点时,太阳常数值达到1345W/m²。由此可见,由日地距离引起的太阳辐射通量密度的年内变化,可达7%。

地面或海面在接受太阳辐照度时,还因太阳高度角的变化而变化,太阳高度角大时,穿过的大气层薄;太阳高度角小时,穿过的大气层厚。事实上,太阳辐射在地面上的辐照度还因纬度与高度不同而变化。这需要进行专门的太阳辐射测量。

图2-5 太阳和地球表面温度近似为5900K和290K绝对黑体时光谱辐射通量密度曲线

图2-6 大气上界(实线)和海平面(点线)的太阳辐照度分布曲线

太阳辐射能量绝大部分分布在0.2μm到3.0μm的范围内,因此遥感技术常用的波段为0.32-1.1μm,其辐射通量密度占总辐射通量密度的85%以上。但是随着对地物光谱的深入研究,发现1.55μm及2.10μm附近,各类岩石有较明显的区别,因此占总辐射通量密度8%的1.4-2.5μm波段巳成为极其重要的遥感波段。

地球辐射的能量来源主要为太阳的短波辐射和地球内部的热能,而与地球辐射直接相关联的则是地表的热平衡。这种热平衡一方面因太阳辐射引起地表增温,热能从地表向地壳一定深度传导;另一方面,地球内部的热能也要通过地壳传递到地表上来,两者在地表下一定深度处达到热量平衡。在平衡线以上主要受太阳辐射影响,地温随地球的自转与公转发生日变化与年变化;在平衡线以下的部位主要受地球内部热能分布的影响。因此,地球的长波辐射主要是由太阳短波辐射转化而来。

平衡线在地球上各处的深度是不同的。局部地区,地内热对流使地表温度急增,形成地热异常区,与周围地表的热辐射有很大差异,主要受地球内部热能的变化所控制。利用地热异常区在热红外的波谱特征,可用热红外遥感来研究地热。

海水的温度变化比大地复杂得多,因为海洋中有大、中、小不同尺度的涡流,还有海流、洋流等对流作用,因此海面的辐射研究更有其特殊的意义。

大地的温度是有变化的,温度变化时,其辐射的分布曲线各不相同。由图2-5可知大地辐射的能量分布在从近红外到微波段这一很宽的范围内(其峰值波长为9.7μm),但大部分能量集中在8-14μm之间。

遥感常用波段范围为8-14μm,这波段的辐射能量占大地总辐射能量的50%;而3-5μm,仅占总辐射量的1.0%以下;由于波长14-30微米波段的辐射量占总辐射量的30%,所以近几年来对这个波段在正加紧研究用于遥感的可能性。1mm以上的微波波段,虽然所占能量很有限,但探测器的接收灵敏度高,因此被动式微波遥感也是广泛使用的一种遥感方式。