太阳辐射

  太阳一刻也不停地向茫茫宇宙空间辐射着大量的电磁波。其中射向地球的那一部分,向地球输送了大量的光和热。据粗略估计,太阳每分钟向地球输送的热能大约是250亿亿卡,相当于燃烧4亿吨烟煤所产生的能量,这是非常可观的。地球在一年中从太阳获得的能量,相当于人类现有各种能源在同期内所提供的能量的上万倍。地球上的一些天然能源(如煤、石油等)可能有枯竭的那一天,而太阳能却是取之不尽,用之不竭的。太阳能是人类可以无限使用下去的一种巨大的天然能源。

    地球除了从太阳那里取得能源外,还可从其它天体,如月球等取得能量,但其数量是微不足道的。地球从月球等其它天体所得的辐射能,仅为太阳的亿分之一。而来自宇宙的辐射能也仅为太阳辐射能的20亿分之一;从地球内部传到每平方厘米地面上的热量,全年才为5.4卡,仅为来自太阳辐射能的万分之一。所以说,太阳是地球和大气能量的源泉。

太阳辐射光谱和太阳常数

(1)辐射光谱:太阳是个炽热的大火球,它的表面温度可达6000°K,它以辐射的方式不断地把巨大的能量传送到地球上来,哺育着万物的生长。

    太阳辐射的波长范围,大约在0.15-4微米之间。在这段波长范围内,又可分为三个主要区域,即波长较短的紫外光区、波长较长的红外光区和介于二者之间的可见光区。太阳辐射的能量主要分布在可见光区和红外区,前者占太阳辐射总量的50%,后者占43%。紫外区只占能量的7%。在波长0.48微米的地方,太阳辐射的能力达到最高值,数值约为3.0卡/cm2.分以上。

(2)太阳辐射强度和太阳常数:太阳辐射强度就是太阳在垂直照射情况下在单位时间(一分钟、一天、一个月或者一年)内,一平方厘米的面积上所得到的辐射能量。如果在特定的情况下测量太阳辐射强度,就叫做太阳常数。也就是说,必须是在日地平均距离的条件下,在地球大气上界,垂直于太阳光线的1平方厘米的面积上,在1分钟内所接受的太阳辐射能量,就称为太阳常数。它是用来表达太阳辐射能量的一个物理量。

这里需要解释几个概念:

①日地平均距离:太阳和地球的距离在天文学上称做“天文单位”,这是一个很重要的数字,很多天文数字都是以它为基础的。测量日地距离的方法有好几种,一种是利用金星凌日(即太阳、金星一地球刚好在一条直线上);另一种方法是利用小行星测量日地距离。历史上就是用前一种方法测出地球到太阳的距离的,也是这样算出日地平均距离的,即从地球上发出一束雷达波,打到金星上面,再从金星上反射回来。利用这种方法测出的日地平均距离为149,597,870公里,大约为15,000万公里。

②在大气上界:就是说不考虑大气对太阳辐射的影响,即在没有大气的情况下。太阳常数的数值,由于观测年代不同,以及观测方法和推算方法的不同,在不同的书籍和资料中,其数值常不一致,变动幅度在1.90-2.90卡厘米/2.分之间。1957年国际地球物理年决定采用1.98卡/厘米2.分。近年来,在宇航事业取得新资料的情况下,经过大量观测和分析,测得新的太阳常数为1.95卡/厘米2.分。据研究,太阳常数也有周期性的变化,这可能与太阳黑子的活动周期有关。因此,在长期气象预报过程中,常把太阳常数和太阳黑子的周期变化联系起来,分析气候长期变化的趋势,为国民经济计划服务。

③到达大气上界的太阳辐射:太阳常数在一定程度上代表了垂直到达大气上界的太阳辐射强度,但太阳常数到达水平面上的太阳辐射强度之间,存在着下面的数学关系式:

I=I0.sinh

式中,h为太阳高度角,I0为太阳常数,I为投射到大气上界水平面上的太阳辐射强度。

    上式表明:大气上界水平面上的太阳辐射强度,随太阳高度角的增大而增强。当太阳高度角为90°时,太阳辐射强度就等于太阳常数。因此,太阳常数就是到达水平面上的太阳辐射强度的最大值。

    到达大气上界的太阳辐射,就是太阳常数。但是因为到达大气上界的太阳辐射与日地距离的平方成反比,因此,在远日点和在近日点的太阳辐射强度与太阳常数就有一定差异。在近日点垂直于大气上界的太阳辐射强度比太阳常数大3.4%;而在远日点则比太阳常数小3.5%。

    根据上述太阳辐射强度和太阳常数的关系公式,到达大气上界的太阳辐射与太阳高度角的正弦成正比。太阳高度角随纬度和时间而变化。因此,在不同纬度上不同时间的太阳辐射强度都不同。由于南、北回归线之间地区的太阳高度角较大,而北回归线以北和南回归线以南地区的太阳高度角随纬度增高而减小,所以,到达地球大气上界的太阳辐射沿纬度的分布是不均匀的,低纬度多,随纬度的增高而减少;由于南、北回归线之间地区的太阳高度角在一年中的变化较小,而中、高纬度地区的太阳高度角在一年中的变化较大,因而,低纬地区太阳辐射强度的年变化小,高纬地区太阳辐射强度的年变化大。

太阳辐射在大气中的减弱

    太阳辐射通过大气时,分别受到大气中的水汽、二氧化碳、微尘、氧和臭氧以及云滴、雾、冰晶、空气分子的吸收、散射、反射等作用,而使投射到大气上界的太阳辐射不能完全到达地面。

    太阳辐射穿过大气层时,大气中某些成分具有选择吸收一定波长辐射性能的特性。大气中吸收太阳辐射的成分主要有水汽、氧、臭氧、二氧化碳及固体杂质等。太阳辐射被大气吸收后变成热能,因而使太阳辐射减弱。

    水汽虽然在可见光区和红外区都有不少吸收带,但吸收最强的是在红外区,从0.93-2.85微米之间的几个吸收带。最强的太阳辐射能是短波部分,因此水汽从总的太阳辐射能里所吸收的能量是不多的。据估计,太阳辐射因水汽的吸收可以减弱4-15%。所以大气因直接吸收太阳辐射能而引起的增温并不显著。大气中的主要气体是氮和氧,只有氧能微弱地吸收太阳辐射。在波长小于0.2微米处为一宽的吸收带,吸收能力较强;在0.69和0.76微米附近,各有一个窄吸收带,吸收能力较弱。

    臭氧在大气中含量虽少,但对太阳辐射的吸收很强。0.2-0.3微米为一强吸收带,使小于0.29微米的太阳辐射不能到达地面。在0.6微米附近又有一宽吸收带,吸收能力虽然不强,但因位于太阳辐射最强烈的辐射带里,吸收的太阳辐射还是相当多的。

    二氧化碳对太阳辐射的吸收比较弱,仅对红外区4.3微米附近的辐射吸收较强,但这一区域的太阳辐射很微弱,被吸收后对整个太阳辐射影响不大。

    此外,悬浮在大气中的水滴、尘埃等杂质,也能吸收一部分太阳辐射,但其量甚微。只有当大气中尘埃等杂质很多(如有沙暴、烟幕或浮尘)时,吸收才比较显著。

    大气对太阳辐射的吸收是具有选择性的,因而使穿过大气的太阳辐射光谱变得极不规则;由于大气主要吸收物质(臭氧和水汽)对太阳辐射的吸收带都位于太阳辐射光谱两端能量较小的区域,因而吸收对太阳辐射的减弱作用不大。也就是说,大气直接吸收的太阳辐射并不多,特别是对于对流层大气来说。所以,太阳辐射不是大气主要的直接热源。


大气对太阳辐射的散射

    太阳辐射通过大气时遇到空气分子、尘粒、云滴等质点时,都要发生散射。但散射并不象吸收那样把辐射能转变为热能,而只是改变辐射方向,使太阳辐射以质点为中心向四面八方传播开来。经过散射之后,有一部分太阳辐射就到不了地面。如果太阳辐射遇到的是直径比波长小的空气分子,则辐射的波长愈短,被散射愈厉害。其散射能力与波长的对比关系是:对于一定大小的分子来说,散射能力和波长的四次方成反比,这种散射是有选择性的。例如波长为0.7微米时的散射能力为1,波长为0.3微米时的散射能力就为30。因此,太阳辐射通过大气时,由于空气分子散射的结果,波长较短的光被散射得较多。雨后天晴,天空呈青兰色就是因为辐射中青兰色波长较短,容易被大气散射的缘故。如果太阳辐射遇到直径比波长大的质点,虽然也被散射,但这种散射是没有选择性的,即辐射的各种波长都同样被散射。如空气中存在较多的尘埃或雾粒,一定范围的长短波都被同样的散射,使天空呈灰白色的。有时为了区别有选择性的散射和没有选择性的散射,将前者称为散射,后者称为漫射。

大气对太阳辐射的反射

    大气中云层和较大颗粒的埃尘能将太阳辐射中的一部分能量反射到宇宙空间去。其中反射最明显的是云。不同的云量,不同的云状,云的不同厚度所发生的反射是不同的。高云平均反射25%,中云平均反射50%,低云平均反射65%,很厚的云层反射可达90%。笼统地讲,云量反射平均达50~55%。假设大气层顶的太阳辐射是100%。那么太阳辐射通过大气后发生散射、吸收和反射(反射云量反射表示),向上散射占4%,大气吸收占21%,云量吸收占3%,云量反射占23%。