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電磁波中電場能量和磁場能量的總和叫做電磁波的能量,也稱為輻射能。太陽輻射以光速(c=3×10^8米/秒)射向地球,同時它具有微粒和波動這二者的特性。在自然地理系統中,對於輻射能的接受和貯存,都離不開這些特性。如綠色植物進行光合作用,所吸收的能量就是以光量子的形式進行的。正是由於輻射能的這種量子特性,因此量子能量的大小取決于波長和頻率。

1單位

e為量子的能量;h為普朗克常數,它等於6.63×10-34焦耳/秒;γ為頻率;λ為波長;c是光速。量子能一般使用電子伏特的單位來表示,也可以換算成其它相應的能量單位。由上式說明,頻率越高,或者說波長越小,則量子能越大。在此只需強調的是,這類基本知識在分析自然地理系統時是必不可少的,特別對於有機界來說,更是如此。後面在有關生物部分的那一章里將要加以進一步地說明。

2術語

為了便於掌握有關太陽輻射能的要點,可以規定如下幾個術語:1.吸收率:被物體所吸收的入射輻射比率;2.發射率:被物體所發射的相應波長的輻射比率;3.反射率:被表面反射的入射輻射比率;4.透射率:被物體所透過的入射輻射比率;5.輻射通量:單位時間所發射的、透射的或吸收的輻射數量;6.輻射通量密度:單位面積上的輻射通量。通常所指的輻射,就是指在一個表面上入射的輻射通量密度。

3定理

一個表面所接受的輻射,取決於該表面對著輻射束的方向如何。倘若這一束輻射通量不變,可是它所佔據的表面積越來越大時,則隨著表面積的增大,此表面上的輻射通量密度就越來越小了。(見圖4.7)這可以由蘭勃脫(Lambert)餘弦定理作定量的表達:
Q=Qdcosθ (4.9)
此處的Qd標誌著當表面垂直於輻射束時的輻射通量密度;而Q代表實際表面上的輻射通量密度;θ則是光線與表面的法線之間的角度。該定律可以用來計算粗略自然地理面中各種坡度時所入射的太陽直接輻射。由於θ的變化十分複雜,因此實際運用時,還必須作更為複雜的推導。
進入自然地理面的太陽輻射能,由兩部分組成,一個是上述的直接輻射,另一部分則是散射輻射。它們各自的測定方法與計算方法已如上述,都是比較成熟的,但仍要針對各種不同的地形、高度、下墊面狀況、不同天氣條件等加以具體化。
平行的單色的輻射在通過一個均勻介質時將要發生衰減,這可由下邊的公式來描述:
Q=Q0e-kx (4.10)
Q0在此代表未衰減時的輻射通量密度;X為輻射束在介質中走過的路徑;K為介質的消弱係數。這個定律,經過不同形式的變換,用來表達輻射能通過大氣時的衰減,也用來表達在通過植物冠叢和水體時的輻射衰減狀況。
地表面十分近似於一個「黑體」,因此它也具有類似於黑體發射時那樣的規律。知道這種特性,對於了解自然地理系統中的能量轉換,對於遙感技術的應用,是至為必要的。一個黑體的單位面積上所發射的輻射能,是由斯特藩-波爾茲曼定律來描述的,即
QB=σT4 (4.11)
此處的QB為理想黑體所發射的能量,T是用開氏溫標表達時的絕對溫度數值;σ為斯特藩-波爾茲曼常數,可以用已經制定好的表,查出在不同溫度T時QB的數值。地球表面的平均溫度大致為15℃,(按絕對溫度計是288°K),它發射的平均能量為390瓦/平方米;而太陽表面的發射相當於黑體在5727℃,(按絕對溫度計是6000°K)時的狀況,因而它所發射的能量為每平方米7.3×107瓦。至於非黑體所發射的能量可按下式去計算:
Q=∈σT4 (4.12)
Q代表該物體所發射的能量;∈為該物體的表面發射率(對於黑體來說,∈=1,而一切非黑體的發射率均小於1)。絕大多數自然表面的長波發射率都介於0.90—0.98之間。

4應用

主要可用於膛火焰圖像處理、紡織染整工業、粒子加速器、熱處理生產、輻射探測等生產活動中。
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