首页 理论教育什么是均质大气?它的作用及意义是什么?

什么是均质大气?它的作用及意义是什么?

【摘要】:在这里需要引入“均质大气”的概念。根据式(2-7)可知,在密度ρ不变的情况下,某一海拔高度的均质大气高度与当地的气压成正比。将气温t0=0℃,重力加速度g0=9.806m/s2,气压b0=1.01325×105Pa条件下的均质大气,定为“标准均质大气”。因此,光子同空气分子碰撞的机会以及大气的消光作用都完全可以用气压相应的均质大气来表征。有关均质大气的意义及使用这一概念的合理性即在于此。

当辐射通过某种介质时,必然会由于受到介质的吸收和散射而减弱。辐射受介质衰减的一般规律,早在1729年就被法国物理学家布格尔(Bouguer)用实验的方法确定下来,它的数学表达式为

式中,ϕ0为初始的辐射通量;ϕ为通过介质后的辐射通量;L为介质的相对厚度;τ为介质的透射比,当L=1时,978-7-111-39898-1-Chapter03-5.jpg

1760年德国物理学家朗伯(Lambert)又进一步进行了研究,指出辐射通量的相对变量dϕ/ϕ应与吸收介质层的厚度dL成正比,即

式中,ϕ0为初始的辐射通量;ϕ为通过介质后的辐射通量;L为介质的相对厚度;τ为介质的透射比,当L=1时,978-7-111-39898-1-Chapter03-5.jpg

1760年德国物理学家朗伯(Lambert)又进一步进行了研究,指出辐射通量的相对变量dϕ/ϕ应与吸收介质层的厚度dL成正比,即

式中,μ线性衰减系数

将式(2-5)积分,当L=0时,ϕ=ϕ0,整理后可得

式中,μ为线性衰减系数。

将式(2-5)积分,当L=0时,ϕ=ϕ0,整理后可得

式(2-6)实际上就是式(2-4),因此通常称为布格尔-朗伯定律。

布格尔-朗伯定律是在均匀介质条件下得到的。这意味着,在气体介质中,各处的温度、湿度、气压等项参数都应是相同的。而这样的条件在实际大气中是无法满足的。为了说明布格尔-朗伯定律对地球大气的适用性,必须将实际上物理不均匀的大气看作是均质大气。

在这里需要引入“均质大气”的概念。所谓均质大气是有条件的大气,即大气中空气的密度到处都相同,成分也与实际大气无异,而当地的气压也与实际大气相同。均质大气与实际大气的区别仅在于,均质大气的高度是一个完全确定的数值,并满足下式:

式(2-6)实际上就是式(2-4),因此通常称为布格尔-朗伯定律。

布格尔-朗伯定律是在均匀介质条件下得到的。这意味着,在气体介质中,各处的温度、湿度、气压等项参数都应是相同的。而这样的条件在实际大气中是无法满足的。为了说明布格尔-朗伯定律对地球大气的适用性,必须将实际上物理不均匀的大气看作是均质大气。

在这里需要引入“均质大气”的概念。所谓均质大气是有条件的大气,即大气中空气的密度到处都相同,成分也与实际大气无异,而当地的气压也与实际大气相同。均质大气与实际大气的区别仅在于,均质大气的高度是一个完全确定的数值,并满足下式:

式中,H为大气离地面的高度(m);b为当地的气压(N/m2);ρ为大气中空气的密度(kg/m3);g重力加速度(m/s2)。

根据式(2-7)可知,在密度ρ不变的情况下,某一海拔高度的均质大气高度与当地的气压成正比。将气温t0=0℃,重力加速度g0=9.806m/s2(即纬度45°的海平面处),气压b0=1.01325×105Pa(1.01325×105N/m2)条件下的均质大气,定为“标准均质大气”。在上述条件下,空气密度ρ0=1.2923kg/m3。将各有关值代入式(2-7),求出H0=8km。

根据均质大气的定义可知,这种大气在单位面积上的垂直气柱内所包含的空气质量与实际大气完全一样,因此气体分子的数目也完全相同。实际上,在1cm2的面积上高度为H0的垂直气柱内共计有2.18×1025个空气分子,在这一方面与实际大气并无差别。因此,光子同空气分子碰撞的机会以及大气的消光作用都完全可以用气压相应的均质大气来表征。这种以有条件的均质大气来替换实际大气的方法,对于各种日射的计算结果并不会带来任何偏离,相反可使得各种计算大大简化。有关均质大气的意义及使用这一概念的合理性即在于此。

式中,H为大气离地面的高度(m);b为当地的气压(N/m2);ρ为大气中空气的密度(kg/m3);g为重力加速度(m/s2)。

根据式(2-7)可知,在密度ρ不变的情况下,某一海拔高度的均质大气高度与当地的气压成正比。将气温t0=0℃,重力加速度g0=9.806m/s2(即纬度45°的海平面处),气压b0=1.01325×105Pa(1.01325×105N/m2)条件下的均质大气,定为“标准均质大气”。在上述条件下,空气密度ρ0=1.2923kg/m3。将各有关值代入式(2-7),求出H0=8km。

根据均质大气的定义可知,这种大气在单位面积上的垂直气柱内所包含的空气质量与实际大气完全一样,因此气体分子的数目也完全相同。实际上,在1cm2的面积上高度为H0的垂直气柱内共计有2.18×1025个空气分子,在这一方面与实际大气并无差别。因此,光子同空气分子碰撞的机会以及大气的消光作用都完全可以用气压相应的均质大气来表征。这种以有条件的均质大气来替换实际大气的方法,对于各种日射的计算结果并不会带来任何偏离,相反可使得各种计算大大简化。有关均质大气的意义及使用这一概念的合理性即在于此。