[农学]第2章--辐射ppt课件

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第2章辐射本章主要内容：辐射的基本知识太阳辐射地面辐射差额太阳辐射与农业生产1\n2.1辐射的基本知识基本概念辐射：自然界中任何物体在绝对零度以上都能以电磁波或粒子的形式向外放射能量，这种传送能量的方式称为辐射。辐射的特点：辐射要有温度；辐射是一种物质运动，具有能量、质量；辐射可以产生热效应；辐射具有二象性。即波动性和粒子性。2\n2.1辐射的基本知识辐射的特性辐射的波动性：用λ·ƒ表示，且λ·ƒ=ν电磁波谱：将各种不同辐射的波长（或频率）从小到大依次排列成一个谱叫电磁波谱。光合辐射：可见光、红外线、紫外线三部分光谱。光合辐射：太阳辐射红外线、可见光、紫外线三部分光谱成分。3\n2.1辐射的基本知识辐射的粒子性辐射的粒子学说：电磁辐射是由具有一定质量、能量和动量的微粒子（量子）流组成，每个量子的能量为：E=hƒ=hc/λh=6.626×10-34J·s光合有效辐射：太阳辐射中对合植物光合作用有效的光谱成分，其光谱为0.38～0.71um。4\n物体对辐射的吸收、反射和透射吸收率(a)：a=Qa/Q (0≤a≤1)反射率(r)：r=Qr/Q (0≤r≤1)透射率(d)：t=Qt/Q (0≤t≤1)2.1辐射的基本知识根据能量守恒原理得：Q=Qa+Qr+Qt所以：a+r+t=1（透明物体）a+r=1（不透明物体）5\n2.1辐射的基本知识黑体：对所有波长的入射辐射的a=1。常把a=0.97～0.99的物体近似看作黑体灰体：对所有波长的入射辐射的a＜1，且吸收率不随波长而改变。白体：对所有波长的入射辐射的r＝1。现实中，白体也不存在，如表面磨光的铜反射率r＝0.97，被视为白体。6\n2.1辐射的基本知识透热体：对入射辐射的t=1。固体和液体一般是不透热的。气体对热辐射几乎没有反射能力，在一般温度下的单原子和对称双原子气体可视为透热体，多原子气体在特定波长范围内具有相当大的吸收能力。影响固体表面的吸收和反射性质的，主要是表面状况和颜色，表面状况的影响往往比颜色更大。7\n2.1辐射的基本知识辐射能量的基本单位辐射通量：单位时间内通过任一表面的辐射能，单位为W或J/s。辐射通量密度：单位时间内通过单位面积的辐射能，单位为W/m2。辐射强度：单位时间内与辐射能流方向相垂直的单位面积上的辐射通量密度（W/m2）。光通量：单位时间内通过任一表面的光能，单位为流明(Lm)。光通量密度：入射到单位面积上的光通量，单位为勒克斯(Lx)。8\n2.1辐射的基本知识辐射的基本定律基尔荷夫定律在一定温度下，任何物体对于某一波长的放射能力(eλ,T)与物体对该波长的吸收率(aλ,T)的比值，只是温度和波长的函数，而与物体的其它性质无关。即:9\n2.1辐射的基本知识基尔荷夫定律得出的结论：对于不同性质的物体，当它的放射能力较强时，其吸收能力也较强；放射能力较弱时，其吸收能力也较弱。对于同一物质，如果在温度为T时放射某一波长的辐射，那么在同一温度下，它也吸收这一波长的辐射。解释：1、夏季不宜穿深色衣服。2、为什么冬季化雪融冰要往地上撒一些土？10\n2.1辐射的基本知识斯蒂芬——波尔兹曼定律黑体总的放射能力与它本射绝对温度的四次方成正比。即ET=δT4(δ=5.67×10-8w/m2·K)不同温度下黑体辐射强度与温度的关系11\n2.1辐射的基本知识维恩位移定律黑体最大放射能力所对应的波长（λm）与其绝对温度成反比即：λm·T=2897um·K不同温度下黑体辐射强度与温度的关系12\n2.2太阳辐射日地关系地球的公转：地球绕着太阳公转， 公转轨道为椭圆，公转一周时间为365d5h48m46s，产生了四季。地球的自转：地球自转一周时间为23h56m04s，即产生了昼夜交替。13\n2.2太阳辐射太阳高度角太阳光线与地平面之间的夹角称太阳高度角。h=0-90°太阳高度角的计算：Sinh=SinφSinδ+CosφCosδCosωφ为纬度：北半球取正值，南半球为取负值。ω为时角：时角与时间的关系：ω=(t-12)×15°上午为负，下午为正δ为赤纬角：太阳直射点所在地的地理纬度叫赤纬，用δ表示，–23.5°≤δ≤23.5°14\n2.2太阳辐射15\n2.2太阳辐射正午时刻太阳高度角：ω=0，h=900－φ+δ特殊日期正午时刻太阳高度角的计算：夏至日太阳高度角：h=900－φ+23.5°冬至日太阳高度角：h=900－φ－23.5°春、秋分太阳高度角：h=900－φ太阳高度角的变化：日变化：日出、日落，h=0；正午，h=90°年变化：北半球：夏季太阳高度角大，冬季小16\n2.2太阳辐射太阳方位角太阳光线在水平面上的投影与当地子午线间的夹角。计算公式：日出日没方位角公式：取值规定：正南为0°，正西为+90°，正北为±180°，正东为-90°。17\n2.2太阳辐射讨论春秋分日出正东、日没正西(春分、秋分日的赤纬为0°)夏半年日出东偏北、日没西偏北。冬半年日出东偏南、日没西偏南。18\n2.2太阳辐射昼夜的形成：地球绕着地轴旋转，称自转。地球自转一周时间为23h56m04s，即产生了昼夜交替。19\n2.2太阳辐射可照时数（昼长）的变化定义从日出到日没的时间间隔，称为可照时数（昼长）日出日没时角的计算：全天可照时间（t）为:20\n21\n2.2太阳辐射可照时间随纬度、季节变化规律：春、秋分日全球昼夜平分，可照时间为12h。夏半年北半球各地可照时间长于12h，越向北昼长越长。冬半年北半球各地可照时间短于12h，越向北昼长越短。赤道地区全年昼夜平分，可照时间为12h。22\n2.2太阳辐射太阳辐射波谱大气上界太阳辐射能主要集中在0.15～4.0μm之间，占太阳总辐射能的99％。最大放射能波长λm=0.475um，相当于青光。23\n2.2太阳辐射太阳辐射强度太阳常数(S0)：在大气上界，日地平均距离（约为1.496×108km）上投射到垂直于太阳光线平面上的太阳辐射强度。1981年10月世界气象组织推荐S0=1367w/m2,其最大偏差为±7%24\n2.2太阳辐射大气对太阳辐射减弱选择性吸收N2：几乎不吸收太阳辐射；O2：吸收0.15-0.2um的紫外线；O3：吸收0.2-0.32um的紫外线；CO2：吸收1.46-2.78um的红外线；水汽：在可见光、红外线区都有吸收带，但主要吸收外0.93～2.85μm的红外线；水滴和尘埃：能吸收0.59um及3um附近的太阳辐射，但吸收作用较弱。25\n2.2太阳辐射散射作用气体分子散射当散射质点的直径小于入射光波长时，散射具有选择性，选择短波辐射散射，对可见光来说，则选择蓝紫光散射。此定律可解释下列现象：晴天的中午天空呈现蔚蓝色？日出、日落前太阳的颜色呈红色？高山上的植株相对矮小？26\n2.2太阳辐射粗粒散射（漫射）当散射质点的直径大于入射光波长时，散射不具有选择性，不同波长的辐射同等程度的被散射。此定律可解释下列现象：阴雨天气天空呈现乳白色？空气污染严重时，天空呈灰白色的？27\n反射作用大气对太阳辐射的反射作用主要是云层的反射，平均反射率为50%左右2.2太阳辐射太阳辐射100%太阳辐射在大气中减弱28\n2.2太阳辐射减弱因素大气量（m）常用太阳光线通过大气的实际射程与大气垂直厚度的比表示。当h=90°时，即m=1，且当太阳高度角为h时，m=1/sinh当h＞60°时，准确度可达0.01;当h＜30°时，误差较大。29\n2.2太阳辐射大气透明度（P）大气透明系数：太阳光线通过一个大气量以后的辐射强度(S1)与投射前的辐射强度(S0)之比，即：P=S1/S0(0＜P＜1)。影响因素：水汽、水滴、尘埃；云雾；辐射波长。30\n2.2太阳辐射到达地面的太阳辐射波谱直接辐射波谱随着h增大，波长较长的红外线和红橙光所占比例递减，波长较短的紫外线、紫光所占比例递增。散射辐射波谱随着h增大，波长较长的红外线和红橙光递减，波长较短的紫外线递增，可见光变化不大结论：波长越长，其在大气中的透射率越大；波长越短，其在大气中的透射率越小。31\n2.2太阳辐射下垫面对太阳辐射的吸收、反射和透射选择性吸收绿叶对红橙光、蓝紫光、紫外线吸收较高，对0.72～1.00um几乎不吸收，波长超过1.00um后，叶片的吸收率又有所增加（水分吸收），波长超过3.00um后，叶片几乎变成黑体。32\n2.2太阳辐射下垫面对太阳辐射的反射地面的干燥度越大，则r增大；地面的粗糙度越大，则r减小；地面的颜色越深，则r减小；太阳高度角越大，则r减小33\n2.3地面辐射平衡地面辐射定义：地球表面按其自身温度不断向外发射的长波辐射，称为地面辐射。波谱：地面放射能量的波长绝大部分集中在3um-80um之间，能量最大的波长在10um处，为红外线光谱区，具有热效应。方向：向上。地面辐射是低层大气的直接热源。34\n大气辐射定义：大气按其自身温度不断向外发射的长波辐射。波谱：大气放射能量的波长绝大部分集中在4um-120um之间，能量最大的波长在15um处，为红外线光谱区，具有热效应。方向：向上：加热上层空气。向下：称为大气逆辐射。对地面保温。2.3地面辐射平衡35\n2.3地面辐射平衡地面有效辐射（E0）定义：地面放射辐射与地面吸收的大气逆辐射之差。影响地面有效辐射的因素：空气湿度：空气湿度增大则E0减小；风：风速增大则E0减小；地--气温差：增大则E0增大；地面性质：①地表面积越大，则E0增大；②地面粗糙度，越粗糙则E0越大海拔高度：高则E0增大；36\n2.3地面辐射平衡地面辐射差额定义：在单位时间内，地面吸收的辐射与地面放射的辐射之差，称为地面辐射差额（也称净辐射或辐射平衡）。表达式：晴天：R=(Sm′+i)-(Sm′+i)a-Ee+δEa=(Sm′+i)(1-a)-E0阴天：R=(Sm′+i)(1-a)-E0夜间：R=-E037\n2.3地面辐射平衡地面辐射差额的变化日变化：白天辐射差额为正值，晚上为负值；日出后1～1.5h由负值转为正值，日落前1～1.5h由正值转为负值。年变化：地面净辐射年变化基本上取决于太阳高度角的变化。最大值6月出现，最小值12月出现。38\n2.3地面辐射平衡随纬度变化纬度愈低，地面辐射差额保持正值的月份愈长；反之，保持负值月份愈长以北半球而言，大约在北纬39°处，年地面净辐射为0，即R＝0。北纬39°以南R＞0，地面热量有盈余；以北R＜0，地面热量有亏损。39\n2.4太阳辐射与农业生产太阳辐射波谱与农业生产植物吸收最多的是红橙光，其次是蓝紫光和紫外线；植物吸收最少的是绿光；对0.72～1.00um几乎不吸收，波长超过1.00um后，叶片的吸收率又有所增加（水分吸收），波长超过3.00um后，叶片几乎变成黑体。40\n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＞1.0μm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)1.0～0.7μm的辐射，只对植物伸长起作用，其中0.70～0.80μm称远红外光，控制开花与果实的颜色。3)0.7～0.6μm的红光、橙光可被叶绿素强烈吸收，光合作用最强。4)0.6～0.5μm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)0.5～0.4μm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0.40～0.32μm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0.32～0.28μm紫外线对大多数植物有害。8)＜0.28μm的远紫外辐射可立即杀死植物。41\n2.4太阳辐射与农业生产结论：1）紫外线被植物吸收后起化学效应，在生产中起植株定型的作用。2）可见光被植物吸收后起光效应，在生产中起光合作用。3）红外线被植物吸收后具有热效应，具有促进果实成熟的作用，不参与光合作用。光合有效辐射：太阳辐射中对合植物光合作用有效的光谱成分，其光谱为0.38～0.71um。生理辐射：凡被绿色植物吸收以进行光合作用的辐射42\n2.4太阳辐射与农业生产光照强度与植物的生长发育影响植物的生育进程，即影响生长发育营养生长需要相对的弱光（开花前）；繁殖器官生长需要强光（开花后）。43\n2.4太阳辐射与农业生产影响植物的光合作用，即影响产量光合作用强度单位时间内单位叶面积上合成有机物量或同化CO2的量，称为光合作用强度。光饱和点太阳辐射强度增加到一定程度时，光合作用强度不再增加，这时的光照强度称为光饱和点。44\n2.4太阳辐射与农业生产影响作物的品质强光照射有利于糖类、淀粉、蛋白质的形成。光补偿点太阳辐射强度减弱到一定程度时，光合作用产物与呼吸消耗量相等，这时的光照强度称为光补偿点。作物的光饱和点高、光补偿点低，对光能的利用就越充分，在其它条件也满足时，作物的产量就高45\n2.4太阳辐射与农业生产光照时间对植物生长发育的影响植物的光周期现象植物在长期的生长发育过程中，对昼夜长短产生反应，诱导植物一系列生长发育过程，这种现象称为植物的光周期现象。46\n2.4太阳辐射与农业生产植物分类（根据植物光周期现象分）长日性植物：只有光照时间长于某一时数（一般12～14小时）才能开花。减少光照时间，延迟开花或不开花；延长光照时间，提前开花。常在春末、夏初开花，原产于高纬地区。紫罗兰绣球花金鱼草47\n2.4太阳辐射与农业生产短日性植物：只有光照时间小于某一时数才能开花结果的植物。延长光照时间，植物延迟开花或不开花；缩短光照时间，提前开花。原产于低纬地区（热带或亚热带）。蟹爪兰菊花一品红48\n2.4太阳辐射与农业生产中间性植物：植物开花不受光照时间长短影响。只要生长正常，在任何光照条件下均能正常开花。石竹仙客来月季天竺葵中日性植物：只有光照时间在某一时数范围内才能开花。延长或减少光照时间，均不能正常开花。如甘蔗12～12.5h49\n2.4太阳辐射与农业生产光照时间与植物引种纬度相同地区之间，因光照时间相近，引种易成功长日性植物：南种北引：生育期缩短，应引迟熟种北种南引：生育期延长，应引早熟种短日性植物：南种北引：生育期延长，应引早熟种北种南引：生育期缩短，应引迟熟种以收获营养体为目的的引种（如短日性植物麻类、烟草），从热带、亚热带地区引种到温带时，要提前播种，利用夏季的长日照条件，抑制其转向生殖生长，以获得高产。50\n光能利用率概念光能利用率是指单位面积土地上作物收获物中包含的能量与同期投射到该单位面积土地上的太阳辐射能或光合有效辐射的百分数。光能利用率的计算2.4太阳辐射与农业生产51\n2.4太阳辐射与农业生产提高光能利用率的途径优化耕作制度，充分利用生长季；采用合适的栽培、管理技术措施，合理密植，构成最有利的叶面积系数；选育高光效品种；及时预测和防治病虫害及其它自然灾害；生物能力的利用，即对光合作用副产品种的利用。光合作用存在有光合放氢现象，但目前尚未充分利用这一副产品。52