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第二章大气的热能和温度第一节太阳辐射第二节地面辐射和大气辐射第三节地球热量平衡第四节大气的增温和冷却第五节大气温度随时间的变化第六节大气温度的空间分布一、辐射的基本知识(一)辐射(二)辐射光谱(三)辐射差额﹙R﹚二、太阳辐射(一)辐射以电磁波的形式向外不停地放出能量,这种传递能量的方式叫辐射,而传递出来的能量称为辐射能。太阳、地面和大气间能量交换的波长范围 0.15 - 120 μm。太阳辐射波长范围很广,但其能量的绝大部份集中在 0.15 -4μm 之间,习惯称短波辐射。地面、大气间(简称地-气系统)波长 3- 120 μm, 习惯称长波辐射。(气象上通常以 4μm 作为长短波的界限) (二)辐射光谱表示辐射能随波长的分布。(三)辐射差额﹙R﹚在某一段时间内物体的辐射收支差值,称为辐射差额。当物体的: 收入大于支出,辐射差额为正,物体温度升高; 收入小于支出,辐射差额为负,温度降低。收入等于支出,差额为零,温度无变化。此时为辐射平衡状态。二、太阳辐射太阳辐射光谱和太阳常数太阳辐射在大气中的减弱到达地面的太阳辐射地面对太阳辐射的反射(一)太阳辐射光谱太阳辐射中的辐射能随波长的分布称为太阳辐射光谱。(二)太阳常数在日地平均距离( 1.5 亿 km ) 处的大气上界、垂直于太阳光线的平面、每分钟每平方厘米面积上得到的太阳辐射能量值,该数值称为太阳常数,用 I 。表示。据测算: I0=1367W/ ㎡(三)太阳辐射在大气中的减弱大气的吸收作用大气的散射作用云层对太阳辐射的反射(四)到达地表的太阳辐射经大气削减后到达地表的太阳短波辐射由直接辐射和散射辐射两部分组成。二者之和为到达地表的太阳辐射总量,常称为太阳总辐射。直接辐射由平行光形式直接投射到地面上的太阳辐射。影响直接辐射值大小、强弱的两个最主要因素: 大气透明度和太阳高度角( h⊙)。大气透明度好,到达地表的直接辐射量多,反之则少。太阳高度角( h⊙)愈小,太阳辐射强度愈弱,单位时间、单位面积地表上获得太阳辐射热能(直接辐射)愈少;相反愈多。全球赤道地区地表获得的辐射热能最多,极地最少,其它纬度介于两者之间。全年夏季直接辐射最强,冬季最弱。散射辐射概念——经大气散射后从天空投射到地表的太阳辐射。影响散射辐射值大小、强弱的两个主要因素: 太阳高度角和大气透明度。 1 、太阳高度角愈大,散射辐射值愈大,相反愈小。 2 、大气透明度小时,散射作用强,反之则弱。一天内,中午前后散射辐射最强。一年内,夏季最强。总辐射一般情况下,总辐射随纬度减小而增大。一年中总辐射冬季最小,夏季最大。(在影响总辐射的大小变化时,直接辐射所占的比重大于散射辐射) 有效总辐射最大值在 20oN 附近。气候上称该纬度为热赤道。(五)地面对太阳辐射的反射反射率愈大,地表吸收的辐射热能愈少,地表温度愈低;反之则愈高。地表状况不同决定着反照(射)率值的大小,它是决定地表温度分布不均一的重要原因。第二节地面辐射和大气辐射一、地面辐射、大气辐射和地面有效辐射(一)地面辐射是指地面向大气放出的长波辐射。(二)大气辐射指大气向外放出的长波辐射。大气的辐射特点: ﹙1 ﹚大气对短波辐射吸收很少,能让大量的太阳短波透射到达地面,而对地面辐射是极少能透射的。大气在整个长波辐射段,除8~ 12μm 段外, 其余的吸收率基本都接近 1。8~ 12μm处透射率最大,所以这一波段被称为“大气窗口”。这个波段的辐射,正好位于地面辐射能力最强处,所以地面辐射有 20% 的能量透过这一窗口射向宇宙空间。﹙2 ﹚大气辐射一部分逸到宇宙中, 大约有 62~ 64% 投向地面, 投向地面的这部分大气辐射称为大气逆辐射。(三)有效辐射(地面有效辐射) 地面有效辐射( F0) 等于地面辐射( Eg )和地面所吸收的大气逆辐射( δ Ea )之差。 F0= Eg -δ Ea 当 F0&0 时,地面通过长波辐射损失热量。当 F0&0 时,地面通过长波辐射获得热量。通常, T 地面&T 大气, F0&0。即:地面经常由长波辐射失去热量。可以说, F0 是表示地面真正失去热量多少的物理量。二、地面、大气及地- 气系统的辐射差额(一)地面的辐射差额( Rg ) Rg =(Q+q)(1- α)- F0 地面得到的净辐射由总辐射和地面有效辐射决定。 Rg 的日变化: 白天 Rg &0 ,夜晚 Rg &0 。意即:白天热量盈余,夜间热量亏损。 Rg 的符号改变:一般在日出后一小时和日没前一小时 Rg 的年变化: 夏季 Rg 大, 冬季 Rg 小。纬度越高, 保持正值的月份越少。年振幅随着地理纬度的增加而增大。 Rg&0 (全球平均) 说明地球表面通过辐射方式获得能量。(二)大气辐射差额﹙ Ra ﹚ Ra=qa + F0-F∞通常情况,F∞& F0, 表示大气以长波损失热量。此外, qa&F∞-F0 , 表示长波损失大于短波吸收。所以, Ra &0 ,大气损失热量,温度降低。大气通过辐射方式失去热量。大气的热平衡不仅靠辐射,还有对流、潜热等方式交换热量。(三)地- 气系统辐射差额( Rs) Rs=(Q+q)(1- α)+qa-F∞ 35°N、 35°S 附近辐射差额=0 ; 35° 之间低纬, 辐射差额&0 ,热量盈余,温度上升; 35oN 以北、 35°S 以南中高纬度地区辐射差额&0 ,热量亏损,温度下降。 Rs=0 (就全球平均而言)表明地球大气多年平均温度没有变化。辐射差额的分布现状是产生大气环流( 空气运动) 和洋流( 水流运动) 的根本原因, 并使全球辐射的热能和温度常年保持近于平衡状态。第三节地球热量平衡一、地面热量平衡热量平衡( 能量平衡) —就是辐射差额与其转变为其它能量消耗或补偿之间的平衡。 Rg + LE + Qp +A=0 Rg —地面辐射差额 LE —潜热交换项 Qp —感热交换项(乱流交换项) A—与下层面交换项二、全球能量平衡模式第四节大气的增温和冷却一、海陆增温和冷却的差异差异表现在: 同样的太阳辐射强度之下,海洋所吸收的太阳能多于陆地。反射率陆地吸收的太阳能主要集中于陆地表面,而海洋可把它藏于深处。透明度、传热方式海面的气温不易降低,水温不易升高。而陆地情况正相反。蒸发及凝结在一定的热量条件下,陆地较海洋温度升高得多。比热结果导致: 大陆受热快,冷却也快,升降温度变化大。海洋较陆地和缓,位相滞后 1~2 个月。冬季大陆为冷源、海洋为热源;夏季大陆则为热源、海洋为冷源。二、空气的增温和冷却引起空气的内能变化有两种作用: —非绝热交换,这种交换过程称为非绝热变化过程。—绝热交换,而这种过程称为绝热变化过程。(一)气温的非绝热变化传导:在近地层由于温度直减率大,空气密度也较大,热传导作用较为明显。辐射:空气和地面交换热量主要依靠这种方式。蒸发和凝结:地面与大气之间进行的潜热交换。对流:是对流层中气层之间热量交换的重要方式乱流(湍流) :是摩擦层中气层、气团之间热量交换的重要方式。(二)气温的绝热变化绝热系统:当系统与外界没有热量的交换,那么这个系统是绝热的。绝热过程:在绝热的1
内容来自淘豆网转载请标明出处.D；A．随着低温技术的发展，我们可以使温度逐渐降低，并最终达到绝对零度B．用手捏面包，面包体积会缩小，说明分子之间有间隙C．分子间的距离r存在某一值r0，当r大于r0时，分子间斥力大于引力；当r小于r0时分子间斥力小于引力D．由于液体表面分子间距离大于液体内部分子间的距离，液面分子间表现为引力，所以液体表面具有收缩的趋势（2）如图1所示，一定质量的理想气体发生如图所示的状态变化，状态A与状态B&的体积关系为VA小于VB（选填“大于”、“小于”或“等于”）；&若从A状态到C状态的过程中气体对外做了100J的功，则此过程中吸热（选填“吸热”或“放热”）（3）冬天到了，很多同学用热水袋取暖．现有某一热水袋内水的体积约为400cm3，它所包含的水分子数目约为多少个？（计算结果保留1位有效数字，已知1mol水的质量约为18g，阿伏伽德罗常数取6.0×1023mol-1）．B．（选修模块3-4）（1）下列说法中正确的是CA．光的偏振现象证明了光波是纵波B．在发射无线电波时，需要进行调谐和解调C．在白炽灯的照射下从两块捏紧的玻璃板表面看到彩色条纹，这是光的干涉现象D．考虑相对论效应，一条沿自身长度方向运动的杆其长度总比杆静止时的长度长（2）如图2所示为一列简谐横波t=0时刻的波动图象，已知波沿x轴正方向传播，波速大小为0.4m/s．则在图示时刻质点a、b所受的回复力大小之比为2：1，此时刻起，质点c的振动方程是：y=15cos10πtcm．（3）如图3所示的装置可以测量棱镜的折射率，ABC表示待测直角棱镜的横截面，棱镜的顶角为α，紧贴直角边AC是一块平面镜，一光线SO射到棱镜的AB面上，适当调整SO的方向，当SO与AB成β角时，从AB面射出的光线与SO重合，在这种情况下仅需则棱镜的折射率n为多少？C．（选修模块3-5）（1）下面核反应中X代表电子的是CA．e→&178O+XB．e+&2713Al→&3015P+XC．D．（2）从某金属表面逸出光电子的最大初动能EK与入射光的频率ν的图象如图4所示，则这种金属的截止频率是4.3×1014HZ；普朗克常量是6.6×10-34Js．（3）一个静止的铀核（原子质量为232.0372u）放出一个α粒子（原子质量为4.0026u）后衰变成钍核（原子质量为228.0287u）．（已知：原子质量单位1u=1.67×10-27kg，1u相当于931MeV）①算出该核衰变反应中释放出的核能？②假设反应中释放出的核能全部转化为钍核和α粒子的动能，则钍核获得的动能与α粒子的动能之比为多少？
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第一章 热力学的基本规律习题1.1 试求理想气体的体胀系数,压强系数和等温压缩系数.解:由所以, 习题1.2 试证明任何一种具有两个独立参量的物质,其物态方程可由实验测得的体胀系数及等温压缩系数,根据下述积分求得:如果 ,试求物态方程.解: 因为,所以,我们可写成,由此,, 因为所以, 所以, ,当.习题1.3测得一块铜块的体胀系数和等温压缩系数分别为和,可近似看作常量,今使铜块加热至10°C.问(1压强要增加多少才能使铜块体积不变?(2若压强增加100,铜块的体积改多少解:分别设为,由定义得:所以,习题1.4描述金属丝的几何参量是长度,力学参量是张力,物态方程是实验通常在下进行,其体积变化可忽略.线胀系数定义为等杨氏摸量定义为其中是金属丝的截面积,一般说来,和是的函数,对仅有微弱的依赖关系,如果温度变化范不大,可看作常数.假设金属丝两端固定.试证明,当温度由降时,其张力的增加为解:所以, 因所以, 习题1.7在下,压强在0至1000之间,测得水的体积如果保持温度不变,将1mol的水从1加压至1000,求外界所做的功.解:外界对水做功:习题1.8解:外界所作的功:习题1.10抽成真空的小匣带有活门,打开活门让气体充入.当压强达到外界压强p0时将活门关上.试证明:小匣内的空气在没有与外界交换热量之前,它的内能与原来大气中的之差为,其中是它原来在大气中的体积.若气体是理想气体,求它的温度和体积.解:假设先前的气体状态是(P0,dV0,T0)内能是u0,当把这些气体充入一个盒子时,状态为(P0,dV,T)这时的内能为u,压缩气体所做的功为: ,依绝热过程的热力学第一定律, 得积分得对于理想气体,上式变为故有所以对于等压过程习题1.15热泵的作用是通过一个循环过程将热量从温度较低的环境传送扫温度较高的物体上去.如果以理想气体的逆卡诺循环作为热泵的循环过程,热泵的效率可以定义为传送到高温物体的热量与外界所作的功的比值.试求热泵的效率.如果将功直接转化为热量而令高温物体吸收,则"效率"为何?解:A→B 等温过程B→C 绝热过程C→D 等温吸热D→A 绝热, 由绝热过程泊松方程: ;∴; ∴将功A直接转化为热量,令高温物体吸收.有A=Q1 ∴.习题1.16假设理想气体的Cp和CV之比是温度的函数,试求在准静态绝热过程中T和V的关系.该关系试中要用到一个函数F(T),其表达式为:解:准静态绝热过程中:1)对于理想气体,由焦耳定律知内能的全微分为(2)物态方程 (3)(2),(3)代入(1)得:其中)关系式为T的函数 ∴V-1为T的函数.∴ ....更多内容请下载word文档查看。
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