南京大学国际地球系统科学研究所 遥感物理讲座-5地物热辐射特性.pptVIP

《遥感物理》课程讲座-5----地物热辐射特性 田 庆 久 南京大学国际地球系统科学研究所 2005年3月23日 * * --- 南京大学硕士研究生课程--- 内 容 引 言 绝对黑体 与基尔霍夫定律 绝对黑体的辐射定律 维恩位移定律 斯忒藩—玻耳兹曼定律 色温-辐射温度-亮温 比辐射率-发射率 热惯量 一、引 言 物体只要不处于绝对零度（-273°C），组成它的原子、分子等微粒就在不停地做热运动，从而发射出电磁辐射。 处于不同温度的物体，发出的电磁辐射的强弱及其按波长的分布是不相同的。通常将这种辐射强弱及其按波长的分布，都决定于物体温度的辐射，称为热辐射。也称为温度辐射。 如果物体因热辐射消耗掉的能量，等于从外界获取的能量，物体的热辐射过程达到平衡，称为平衡热辐射。这种状态下，物体的温度为一个确定的值。 通常讨论的遥感热辐射问题限于平衡热辐射。 宇宙中的各种物体，如太阳、各种星体、一定厚度的大气层、人造飞行器、地球及地球上各种生物、非生物都是热辐射源 二、绝对黑体与基尔霍夫定律 绝对黑体的定义为：在任何温度下，对任何波长的入射辐射的吸收系数（率） 恒等于l， 即 ==1的物体称为绝对黑体。显然，绝对黑体的反射率r=0，透射率 ＝0。 如果物体对各种波长的吸收率小于l，又近似地为一常数（即没有选择吸收），则该种物体称为灰体。 物体热辐射现象中，存在着不同物体在相同温度下，它们的辐射出射度随波长的分布而不同的现象。 基尔霍夫已发现物体的热辐射出射度与吸收率之间的内在联系，即“良吸收体也是良发射体”。总结了物体的热辐射出射度M（λ，T）与吸收率 之间的定量关系为： f(λ,T)是一个与物体性质无关的普适函数，它只与温度、波长有关。对于绝对黑体，它的吸收率与温度T、波长λ无关，恒等于1，则上式为： 即： 说明绝对黑体的辐射出射度 ，就是普适函数f(λ,T)。因而 ： 基尔霍夫定律，即物体的光谱辐射出射度M（λ,T）与吸收系数(率)的比值，和物体的性质无关，该比值等于绝对黑体的辐射出射Mb(λ,T)。 基尔霍夫定律的函义： (1) 温度相同的甲乙两物体，对于某波长的辐射，如果甲比乙吸收得多，则甲比乙发射得也多。 (2) 物体不吸收某波长的辐射，也就不发射该波长的辐射。 (3) 一般物体的热辐射出射度 M（λ,T）＝ Mb(λ,T))小于同温度的绝对黑体的辐射出射度。 为了解一般物体的热辐射性质，需确定绝对黑体的辐射出射度Mb(λ,T)的数学表达式。 图 光谱辐射出射度随波长变化曲线 图 光谱发射率随波长变化曲线 三、绝对黑体的辐射定律 图 绝对黑体的模型 图 不同温度的绝对黑体的辐射光谱曲线 对应于每一种温度，绝对黑体的光谱出射度随波长的分布曲线只有一个峰值，而且该峰值别应的波长Lmax，随着温度的升高，向短波方向迁移。一条曲线所包围的面积，是绝对黑体在0--∞波长范围的辐射出射度，只与温度有关。 图 中的曲线反映了绝对黑体的辐射出射度Mb(λ,T)与波长λ、温度T的关系。 普朗克公式： 式中c是光速，K是玻耳兹曼恒量，e是自然对数的底，h是普朗克常数，量值为：h=6.627*10-34J·S 能量子假说 ：物体带电的线性谐振子(如分子、原子振动可视作线性谐振于)，由于带电的关系，线性谐振子能够和周围的电磁场交换能量，这些谐振子只可能处于某些特殊的分立的状态，在这些状态中，相应的能量是某一最小能量ε （ε叫作能量子）的整数倍，即 ε，2ε，3ε，4ε…，nε， n为正整数。对频率为v的谐振子来说，最小能量为 ε=hv。h就是普朗克恒量。在辐射或吸收能量时，振子从这些状态中之一，跃迁到其他的一个状态。 能量是不连续的，存在能量最小单元。 简化普朗克公式： 式中C1=3．7418×]0-16w·m2，C2＝1．4388×10-2m·K，λ的单位是m，T的单位是K。 由于绝对黑体是朗伯体，因此绝对黑体的光谱辐亮度Lb等于Mb／π，即： L b（λ，T)的单位是W·s-3·sr。 如果以每秒辐射的光子数来表示光谱辐亮度，由于nb (λ，T)＝L b(λ，T)/hv，则： n b(λ，T)的单位是光子数／m 3·sr ·s。 σ’=1.52*1015m-2s-1T-3，故黑体每秒辐射光子的光子数随其绝对温度的三次方变化。对于T=300K的黑体，辐射的光子数目是4*1022个光子/m2/s。 四、维恩位移定律 为确定绝对黑体的最大出射度对应的