第五节 辐射能与温度

太阳辐射以光速（c=3×10⁸ 米／秒）射向地球，同时它具有微粒和波动这二者的特性。我们特别要提到这些，是因为在自然地理系统中，对于辐射能的接受和贮存，都离不开辐射能的这些特性。如绿色植物进行光合作用， 所吸收的能量就是以光量子的形式进行的。正是由于辐射能的这种量子特性，因此量子能量的大小取决于波长和频率：

e = hγ = hc

λ

(4.8)

e 为量子的能量；h 为普朗克常数，它等于 6.63×10^-34 焦耳／秒；γ为频率；λ为波长；c 是光速。量子能一般使用电子伏特的单位来表示，也可以换算成其它相应的能量单位。由上式说明，频率越高，或者说波长越小， 则量子能越大。在此只需强调的是，这类基本知识在分析自然地理系统时是必不可少的，特别对于有机界来说，更是如此。后面在有关生物部分的那一章里将要加以进一步地说明。

为了便于掌握有关太阳辐射能的要点，可以规定如下几个术语：1．吸收率：被物体所吸收的入射辐射比率；2．发射率：被物体所发射的相应波长的辐射比率；3．反射率：被表面反射的入射辐射比率；4．透射率：被物体所透过的入射辐射比率；5．辐射通量：单位时间所发射的、透射的或吸收的辐射数量；6．辐射通量密度：单位面积上的辐射通量。通常所指的辐射，就是指在一个表面上入射的辐射通量密度。

一个表面所接受的辐射，取决于该表面对着辐射束的方向如何。倘若这一束辐射通量不变，可是它所占据的表面积越来越大时，则随着表面积的增大，此表面上的辐射通量密度就越来越小了。（见图 4．7）这可以由兰勃脱

（Lambert）余弦定理作定量的表达：

Q＝Qdcosθ (4．9)

此处的 Qd 标志着当表面垂直于辐射束时的辐射通量密度；而 Q 代表实际表面上的辐射通量密度；θ则是光线与表面的法线之间的角度。该定律可以用来计算粗略自然地理面中各种坡度时所入射的太阳直接辐射。由于θ的变化十分复杂，因此实际运用时，还必须作更为复杂的推导。

进入自然地理面的太阳辐射能，由两部分组成，一个是上述的直接辐射， 另一部分则是散射辐射。它们各自的测定方法与计算方法已如上述，都是比较成熟的，但仍要针对各种不同的地形、高度、下垫面状况、不同天气条件等加以具体化。

平行的单色的辐射在通过一个均匀介质时将要发生衰减，这可由下边的公式来描述：

Q=Q0e^-kx (4．10)

Q0 在此代表未衰减时的辐射通量密度； X 为辐射束在介质中走过的路径；K 为介质的消弱系数。这个定律，经过不同形式的变换，用来表达辐射能通过大气时的衰减，也用来表达在通过植物冠丛和水体时的辐射衰减状况。

地表面十分近似于一个“黑体”，因此它也具有类似于黑体发射时那样的规律。知道这种特性，对于了解自然地理系统中的能量转换，对于遥感技

术的应用，是至为必要的。一个黑体的单位面积上所发射的辐射能，是由斯特藩-波尔兹曼定律来描述的，即

QB=σT⁴ (4．11)

此处的 QB 为理想黑体所发射的能量，T 是用开氏温标表达时的绝对温度数值；σ为斯特藩-波尔兹曼常数，可以用已经制定好的表，查出在不同温度T 时 QB 的数值。地球表面的平均温度大致为 15℃，（按绝对温度计是 288°K），它发射的平均能量为 390 瓦／平方米；而太阳表面的发射相当于黑体在 6000

°K 时的状况，因而它所发射的能量为每平方米 7.3×10⁷ 瓦。至于非黑体所发射的能量可按下式去计算：

Q=∈σT⁴ (4．12)

Q 代表该物体所发射的能量；∈为该物体的表面发射率（对于黑体来说，

∈=1，而一切非黑体的发射率均小于 1）。绝大多数自然表面的长波发射率都介于 0.90—0.98 之间。

随着研究的深入以及实际的需要，人们逐渐不满足于只知道整个辐射能的总量，进而关注到辐射能的光谱分配。黑体上的辐射能光谱状况是由普朗克定律阐明的，这里不再加以引录，只是由此出发，必须明白另一个有关的定律，那就是维恩（Wien）定律，它是为了说明峰值发射的波长和温度关系的一个定律。

至于反射率的基本状况，已在前边作了介绍，就不予赘述了。

一旦掌握了上述各项指标后，即能比较容易地建立能量平衡方程。

在分析自然地理的过程和状态时，经常引用一个最为人们所熟知的参数

——温度。由于使用方便、易于取得的原故，它已成为相当广泛使用的指标之一。在一个封闭系统中，温度是一个状态函数，它是分子运动平均动能水平的表征。我们假设近地面空气层（高度为 0—2 米），在定压条件下，而且暂时排除了对流热交换、不考虑风的扰动、没有平流热交换，而且空气本身是干洁的等，这时系统中内能的变化（因吸收了太阳辐射能，致使内能增加）， 主要用来增温（ΔT）和由于气体分子的膨胀所做的功（ΔA），这是热力学中的一条基本定律：

ΔE=ΔT+ΔA (4．13)

ΔE 就是系统的内能增加。在真实的地表面能量分配中，净辐射值（R）， 主要地消耗在水分蒸发（潜热）、乱流扩散（显热）、地中热交换和植物光合作用等项。不太严格的说，如有近似于上述的假设条件，而且水分蒸发和除乱流扩散值外的其它各项均处理为常量时，则使得实际上的乱流扩散值相当于式（4．13）中的ΔE，（特别注意，我们所选择的条件是尽量逼近着假设条件的）。一般认为在一个比较均一的大面积中，在空气相当稳定时，气体分子膨胀所做的功ΔA，亦被视作常数。这样，气温的变化与乱流扩散值的变化，二者之间应当呈现简单的线性关系。这个线性关系（或近似于线性关系的其它类型函数关系）就把温度与能量二者清楚地显现出来，它说明了温度的变化反映着能量的变化。为了证实在自然地理面中这个结论的真确性， 我们再举出一个具体的例子：

1963 年在我国石家庄地区的田间测试中，曾经选取了一组典型的资料如下，（选取资料的标准，依据上述的假设条件或尽可能接近于这些假设条件），它是由中国科学院地理研究所热量水分平衡组观测的。试验地是棉田，测定

数据是在刚刚灌溉后的充分湿润地面上进行的，现于表 4．6 中，列出 7 月29 日至 7 月 30 日的连续资料：

表 4 ．6 气温变化与乱流扩散值变化

[注：表中气温差与乱流扩散差栏目中，数值前面的正负号，表示着后一时段与前一时段 相比是增加（+）还是减少（-）。]

在应用该表资料的同时，还采纳了其它类似的测定资料。它们之间的图

象形式如图 4．8。

由上述的资料和图可知，正是因为温度正确地反映了能量的状况，所以在实际上才得到了广泛的应用。能量与温度的关系是肯定的，但由于自然地理面的复杂性，加上热只是能量传递和转换的一种形式，因此要正确地辨识能量、热量、温度之间的联系与区别，是很有必要的。在使用时，除了审慎地查明所处的具体条件外，还必须对于实际状况所引起

的差异加以合理的订正，才能帮助我们得出好的分析结果。过去一段时间使用了“积温”的概念，近年来西方多用“度天”的概念，无非就是利用温度与能量之间的确定关系，借温度的指标去表达能量水平的一些方法而已。