辐射能

电磁波中电场能量和磁场能量的总和

辐射能，是指电磁波中电场能量和磁场能量的总和，也叫做电磁波的能量。太阳辐射以光速（c=3×10^8米/秒）射向地球，同时它具有微粒和波动这二者的特性。在自然地理系统中，对于辐射能的接受和贮存，都离不开这些特性。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。

概念释义

太阳以辐射形式不断向周围空间释放能量，这种能量叫做辐射能。太阳辐射能的主要形式是光和热。

太阳每秒钟发出的太阳能为3.86×1026焦耳而到达地球的却只占太阳能的22亿分之一。每秒到达地球的太阳能为多少焦耳？1.75×1017焦耳，相当于一年中全球总发电量的86000倍多。

太阳的热辐射

物体的吸热本领与物体表面颜色有关：白色物体不易吸收热辐射，黑色物体容易吸收太阳热辐射。

定义

物体以电磁波或粒子的形式射或输送能量的过程。

波动性

电磁波谱

电磁波按波长不同顺序排列，称为电磁波谱。

λ · ν = 3×108ms-1

粒子性

粒子（量子）的概念：微观世界的某些物理量不能连续变化而只能以某一最小单位的整数倍发生变化，这些最小单位就称为该量的量子。

如电子是量子，每个量子的能量为：

E = h · ν

h为普朗克常数，h =6.626×10-34J·s=6.63×10-27尔格·秒

1焦耳（J）=107尔格

度量和单位

辐射通量（F）、辐射通量密度（E）

辐射通量：单位时间通过任意面积上的辐射能量。

单位：J·s-1 或 W 或 (μmol s-1)

辐射通量密度（E）及单位

定义：单位面积上的辐射通量。

单位： J·s-1·m-2或W·m-2或μmol m-2 s-1

辐射通量密度又被称为辐射强度、辐射能力或放射能力。

光通量及单位

定义：表征辐射通量而产生光感觉的量。

单位：流明（lm）

光通量密度及单位

定义：单位面积上的光通量。

单位：流明/米2（lm·m-2）

照度及单位

定义：单位面积上接受的光通量。

单位： lx，音译为勒克斯，1 lx=1 lm·m-2

相关计算

物体对辐射的吸收、反射和透射能力，分别以吸收率a、反射率 r 、和透射率 t 来表示。

根据能量守恒原理：

可得出 a + r + t = 1

吸收率(a) ： a=Qa/Q

反射率(r) ： r=Qr/Q

透射率(d) ： d=Qd/Q

（1）a + r + t = 1 给出了物体的吸收率a、反射率 r 、和透射率 t 之间的定量关系，而且, 0≤ a ≤1， 0≤ r ≤1， 0≤ t ≤1

（2）不同的物体，其a、 r、 t 各不相同，它们分别随物体性质的改变而变化。

（3）同一物质，对不同波长的辐射，其 a、r、 t 也各不相同，这种性质，称为物体对辐射的选择性吸收、反射和透射。

基本定律

定义：a= 1 的物体为黑体，a= const< 1 的物体为灰体。

斯蒂芬——波尔兹曼定律

E = σT4

σ = 5.67 × 10-5尔格.厘米-2 .开-4

意义：黑体表面的辐射强度E，与其表面绝对温度 T的4次方成正比。

维恩位移定律

λmax= c/T

C=2.898×10-1 厘米·开

意义：物体的温度愈高，它向外放出辐射光谱中具有最大能量所对应的波长愈短。

物体的温度愈高，放射能量最大值的波长愈短，随着物体温度不断增高，最大辐射波长由长向短位移。

定理

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。这可以由兰勃脱（Lambert）余弦定理作定量的表达：

Q=Qdcosθ

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

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

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5727℃，（按绝对温度计是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

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。

辐射能应用

植物的光合作用

光合作用（Photosynthesis），即光能合成作用，是指含有叶绿体绿色植物和某些细菌，在可见光的照射下，经过光反应和碳反应（旧称暗反应），利用光合色素，将二氧化碳（或硫化氢）和水转化为有机物，并释放出氧气（或氢气）的生化过程。同时也有将光能转变为有机物中化学能的能量转化过程。

光合作用是一系列复杂的代谢反应的总和，是生物界赖以生存的基础，也是地球碳-氧平衡的重要媒介。光合作用可分为产氧光合作用（oxygenic photosynthesis）和不产氧光合作用（anoxygenic photosynthesis）。是绿色植物、和某些细菌利用叶绿素，在可见光的照射下，将二氧化碳和水转化为有机物（主要是淀粉），并释放出氧气的生化过程。对于生物界的几乎所有生物来说，这个过程是他们赖以生存的关键，而地球上的碳氧循环，光合作用是必不可少的。

太阳能光伏发电

光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。主要由太阳电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，主要部件由电子元器件构成。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。

太阳能热水器

太阳能热水器是将太阳光能转化为热能的加热装置，将水从低温加热到高温，以满足人们在生活、生产中的热水使用。太阳能热水器按结构形式分为真空管式太阳能热水器和平板式太阳能热水器，主要以真空管式太阳能热水器为主，占据国内95%的市场份额。真空管式家用太阳能热水器是由集热管、储水箱及支架等相关零配件组成，把太阳能转换成热能主要依靠真空集热管，真空集热管利用热水上浮冷水下沉的原理，使水产生微循环而得到所需热水

其他领域

还可用于膛火焰图像处理、纺织染整工业、粒子加速器、热处理生产、辐射探测等生产活动中。

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