太陽輻射
太陽向宇宙空間發射的電磁波和粒子流。地球所接受到的太陽輻射能量僅為太陽向宇宙空間放射的總輻射能量的二十億分之一,但卻是地球大氣運動的主要能量源泉。到達地球大氣上界的太陽輻射能量稱為天文太陽輻射量。在地球位於日地平均距離處時,地球大氣上界垂直於太陽光線的單位面積在單位時間內所受到的太陽輻射的全譜總能量,稱為太陽常數。太陽常數的常用單位為瓦/米2。因觀測方法和技術不同,得到的太陽常數值不同。世界氣象組織(WMO)1981年公佈的太陽常數值是1368瓦/米2。地球大氣上界的太陽輻射光譜的99%以上在波長 0.15~4.0微米之間。大約50%的太陽輻射能量在可見光譜區(波長0.4~0.76微米),7%在紫外光譜區(波長0.76微米),最大能量在波長0.475微米處。由於太陽輻射波長較地面和大氣輻射波長(約3~120微米)小得多,所以通常又稱太陽輻射為短波輻射,稱地面和大氣輻射為長波輻射。太陽活動和日地距離的變化等會引起地球大氣上界太陽輻射能量的變化太陽輻射通過大氣,一部分到達地面,稱為直接太陽輻射;另一部分為大氣的分子、大氣中的微塵、水汽等吸收、散射和反射。被散射的太陽輻射一部分返回宇宙空間,另一部分到達地面,到達地面的這部分稱為散射太陽輻射。到達地面的散射太陽輻射和直接太陽輻射之和稱為總輻射。太陽輻射通過大氣後,其強度和光譜能量分佈都發生變化。到達地面的太陽輻射能量比大氣上界小得多,在太陽光譜上能量分佈在紫外光譜區幾乎絕跡,在可見光譜區減少至40%,而在紅外光譜區增至60%。
天文輻射的時空變化特點是:①全年以赤道獲得的輻射最多,極地最少。這種熱量不均勻分佈,必然導致地表各緯度的氣溫產生差異,在地球表面出現熱帶、溫帶和寒帶氣候;②天文輻射夏大冬小,它導致夏季溫高冬季溫低。大氣對太陽輻射的削弱作用包括大氣對太陽輻射的吸收、散射和反射。太陽輻射經過整層大氣時,0.29μm以下的紫外線幾乎全部被吸收,在可見光區大氣吸收很少。在紅外區有很強的吸收帶。大氣中吸收太陽輻射的物質主要有氧、臭氧、水汽和液態水,其次有二氧化碳、甲烷、一氧化二氮和塵埃等。雲層能強烈吸收和散射太陽輻射,同時還強烈吸收地面反射的太陽輻射。雲的平均反射率為0.50~0.55。經過大氣削弱之後到達地面的太陽直接輻射和散射輻射之和稱為太陽總輻射。就全球平均而言,太陽總輻射只佔到達大氣上界太陽輻射的45%。總輻射量隨緯度升高而減小,隨高度升高而增大。一天內中午前後最大,夜間為0;一年內夏大冬小。
電磁輻射
電磁波(又稱電磁輻射)是由同相振盪且互相垂直的電場與磁場在空間中以波的形式移動,其傳播方向垂直於電場與磁場構成的平面,有效的傳遞能量和動量。電磁輻射可以按照頻率分類,從低頻率到高頻率,包括無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和伽馬射線等等。人眼可接收到的電磁輻射,波長大約在380至780納米之間,稱為可見光。只要是本身溫度大於絕對零度的物體,都可以發射電磁輻射,而世界上並不存在溫度等於或低於絕對零度的物體。因此,人們周邊所有的物體時刻都在進行電磁輻射。儘管如此,只有處於可見光頻域以內的電磁波,才是可以被人們看到的。電磁波不需要依靠介質傳播,各種電磁波在真空中速率固定,速度為光速。
1.常見的電磁輻射源 :一般來說,雷達系統、電視、手機和廣播發射系統、射頻感應及介質加熱設備、射頻及微波醫療設備、各種電加工設備、通信發射臺站、衛星地球通信站、大型電力發電站、輸變電設備、高壓及超高壓輸電線、地鐵列車及電氣火車以及大多數家用電器等都是可以產生各種形式、不同頻率、不同強度的電磁輻射源。
2.電磁
輻射場區的劃分:電磁輻射場區一般分為遠區場和近區場。
3.1.近區場及特點:以場源為中心,在一個波長範圍內的區域,通常稱為近區場,也可稱為感應場。近區場通常具有如下特點:近區場內,電場強度與磁場強度的大小沒有確定的比例關係。即:E¹377H。一般情況下,對於電壓高電流小的場源(如發射天線、饋線等),電場要比磁場強得多,對於電壓低電流大的場源(如某些感應加熱設備的模具),磁場要比電場大得多。近區場的電磁場強度比遠區場大得多。從這個角度上說,電磁防護的重點應該在近區場。近區場 的電磁場強度隨距離的變化比較快,在此空間內的不均勻度較大。
3.2遠區場及特點在以場源為中心,半徑為一個波長之外的空間範圍稱為遠區場,也可稱為輻射場。遠區場的主要特點如下:在遠區場中,所有的電磁能量基本上均以電磁波形式輻射傳播,這種場輻射強度的衰減要比感應場慢得多。 在遠區場,電場強度與磁場強度有如下關係:在國際單位制中,E=377H,電場與磁場的運行方向互相垂直,並都垂直於電磁波的傳播方向。遠區場為弱場,其電磁場強度均較小。
3.3近區場與遠區場劃分的意義:通常,對於一個固定的可以產生一定強度的電磁輻射源來說,近區場輻射的電磁場強度較大,所以,我們應該格外注意對電磁輻射近區場的防護。另外,應該有對近區場一個概念,對我們最經常接觸的從短波段30MHz到微波段的3000MHz的頻段範圍,其波長範圍從10米到0.1米。
熱輻射
熱輻射,是一種物體用電磁輻射的形式把熱能向外散發的熱傳方式。它不依賴任何外界條件而進行。它是熱的三種主要傳導方式之一。
任何物體在發出輻射能的同時,也不斷吸收周圍物體發來的輻射能。一物體輻射出的能量與吸收的能量之差,就是它傳遞出去的淨能量。物體的輻射能力(即單位時間內單位表面向外輻射的能量),隨溫度的升高增加很快。
輻射能被物體吸收時發生熱的效應,物體吸收的輻射能不同,所產生的溫度也不同。因此,輻射是能量轉換為熱量的重要方式。輻射傳熱(radiant heat transfer)指依靠電磁波輻射實現熱冷物體間熱量傳遞的過程,是一種非接觸式傳熱,在真空中也能進行。物體發出的電磁波,理論上是在整個波譜範圍內分佈,但在工業上所遇到的溫度範圍內,有實際意義的是波長位於0.38~1000μm之間的熱輻射,而且大部分位於紅外線(又稱熱射線)區段中0.76~20μm的範圍內。所謂紅外線加熱,就是利用這一區段的熱輻射。研究熱輻射規律,對於爐內傳熱的合理設計十分重要,對於高溫爐操作工的勞動保護也有積極意義。當某系統需要保溫時,即使此係統的溫度不高,輻射傳熱的影響也不能忽視。如保溫瓶膽鍍銀,就是為了減少由輻射傳熱造成的熱損失。
一般說來,當一物體受到其他物體投來的輻射(能量為Q)時,其中被吸收轉為熱能的部分為QA,被反射的部分為QR,透過物體的部分為QD,顯然這些部分與總能量之間有下式所示的關係:
QA+QR+QD=Q如果把A=QA/Q稱為吸收率,R=QR/Q稱為反射率,D=QD/Q稱為穿透率,
則有: A+R+D=1若物體的A=1,R=D=0,即到達該物體表面的熱輻射的能量完全被吸收,此物體稱為絕對黑體,簡稱黑體。
若R=1,A=D=0,即到達該物體表面的熱輻射的能量全部被反射;
當這種反射是規則的,此物體稱為鏡體;如果是亂反射,則稱為絕對白體。
若D=1,A=R=0,即到達物體表面的熱輻射的能量全部透過物體,此物體稱為透熱體。
實際上沒有絕對黑體和絕對白體,僅有些物體接近絕對黑體或絕對白體。
例如:沒有光澤的黑漆表面接近於黑體,其吸收率為0.97~0.98;磨光的銅表面接近於白體,其反射率可達0.97。
影響固體表面的吸收和反射性質的,主要是表面狀況和顏色,表面狀況的影響往往比顏色更大。固體和液體一般是不透熱的。熱輻射的能量穿過固體或液體的表面後只經過很短的距離(一般小於1mm,穿過金屬表面後只經過1μm),就被完全吸收。氣體對熱輻射能幾乎沒有反射能力,在一般溫度下的單原子和對稱雙原子氣體(如 Ar、He、H2.N2.O2等),可視為透熱體,多原子氣體(如CO2、H2O、SO2、NH3、CH4等)在特定波長範圍內具有相當大的吸收能力。