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太阳辐射

太阳辐射示意图

太阳辐射(Solar radiation)指太阳从核融合所产生的能量,经由电磁波传递到各地的辐射能(Radiant energy)。太阳辐射的光学频谱接近温度5800K的黑体辐射。大约有一半的频谱是电磁波谱中的可见光,而另一半有红外线与紫外线等频谱。在辐射到地球时,会对地球大气层造成影响,所有有了地球有了四季有了冬暖夏凉,同时,地球大气也会对太阳辐射造成影响。如果紫外线没有被大气层或是其他的保护装置吸收,它会影响人体皮肤的色素的变化。

目录

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1 概述
2 类型
3 分布规律
4 太阳常数
5 辐射光谱
6 对地球影响
7 地球大气对太阳辐射的影响
8 地面辐射
9 波长分布
10 辐射强度
11 大气逆辐射
12 有效辐射
13 辐射作用
14 与人体
15 总量
  1. 15.1 北半球之太阳辐射总量
  2. 15.2 南半球之太阳辐射总量

太阳辐射 - 概述

强烈的太阳辐射风暴

太阳辐射(solar radiation)是指太阳向宇宙空间发射的电磁波和粒子流。地球所接受到的太阳辐射能量仅为太阳向宇宙空间放射的总辐射能量的二十亿分之一,但却是地球大气运动的主要能量源泉。

到达地球大气上界的太阳辐射能量称为天文太阳辐射量。在地球位于日地平均距离处时,地球大气上界垂直于太阳光线的单位面积在单位时间内所受到的太阳辐射的全谱总能量,称为太阳常数。太阳常数的常用单位为瓦/2 。因观测方法和技术不同,得到的太阳常数值不同。世界气象组织 (WMO)1981年公布的太阳常数值是1368瓦/2 。地球大气上界的太阳辐射光谱的99%以上在波长 0.15~4.0微米之间。大约50%的太阳辐射能量在可见光谱(波长0.4~0.76微米),7%在紫外光谱区(波长<0.4微米),43%在红外光谱区(波长>0.76微米),最大能量在波长 0.475微米处。由于太阳辐射波长较地面和大气辐射波长(约3~120微米)小得多,所以通常又称太阳辐射为短波辐射,称地面和大气辐射为长波辐射。太阳活动和日地距离的变化等会引起地球大气上界太阳辐射能量的变化。

太阳辐射 - 类型

太阳辐射

太阳辐射通过大气,一部分到达地面,称为直接太阳辐射;另一部分为大气的分子、大气中的微尘、水汽等吸收、散射和反射。被散射的太阳辐射一部分返回宇宙空间,另一部分到达地面,到达地面的这部分称为散射太阳辐射。到达地面的散射太阳辐射和直接太阳辐射之和称为总辐射。太阳辐射通过大气后,其强度和光谱能量分布都发生变化。到达地面的太阳辐射能量比大气上界小得多,在太阳光谱上能量分布在紫外光谱区几乎绝迹,在可见光谱区减少40%,而在红外光谱区增至60%。

太阳辐射 - 分布规律

在地球大气上界,北半球夏至时,日辐射总量最大,从极地到赤道分布比较均匀;冬至时,北半球日辐射总最小,极圈内为零,南北差异最大。南半球情况相反。春分和秋分时,日辐射总量的分布与纬度的余弦成正比。南、北回归线之间的地区,一年内日辐射总量有两次最大,年变化小。纬度愈高,日辐射总量变化愈大。

到达地表的全球年辐射总量的分布基本上成带状,只有在低纬度地区受到破坏。在赤道地区,由于多云,年辐射总量并不最高。在南北半球的副热带高压带,特别是在大陆荒漠地区,年辐射总量较大,最大值在非洲东北部。

太阳辐射 - 太阳常数

太阳辐射测量图

昼夜是由于地球自转而产生的,而季节是由于地球的自转轴与地球围绕太阳公转的轨道的转轴呈23°27′的夹角而产生的。地球每天绕着通过它本身南极和北极的“地轴” 自西向东自转一周。每转一周为一昼夜,所以地球每小时自转15°。地球除自转外还循偏心率很小的椭圆轨道每年绕太阳运行一周。地球自转轴与公转轨道面的法线始终成23.5°。地球公转时自转轴的方向不变,总是指向地球的北极。因此地球处于运行轨道的不同位置时,太阳光投射到地球上的方向也就不同,于是形成了地球上的四季变化。每天中午时分,太阳的高度总是最高。在热带低纬度地区(即在赤道南北纬度23°27′之间的地区),一年中太阳有两次垂直入射,在较高纬度地区,太阳总是靠近赤道方向。在北极和南极地区(在南北半球大于90°~23°27′),冬季太阳低于地平线的时间长,而夏季则高于地平线的时间长。

由于地球以椭圆形轨道绕太阳运行,因此太阳与地球之间的距离不是一个常数,而且一年里每天的日地距离也不一样。众所周知,某一点的辐射强度与距辐射源的距离的平方成反比,这意味着地球大气上方的太阳辐射强度会随日地间距离不同而异。然而,由于日地间距离太大(平均距离为1.5 x 108km),所以地球大气层外的太阳辐射强度几乎是一个常数。因此人们就采用所谓 “太阳常数”来描述地球大气层上方的太阳辐射强度。它是指平均日地距离时,在地球大气层上界垂直于太阳辐射的单位表面积上所接受的太阳辐射能。通过各种先进手段测得的太阳常数的标准值为1353w/m2。一年中由于日地距离的变化所引起太阳辐射强度的变化不超过上3.4%。

太阳辐射 - 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。

太阳辐射 - 对地球影响

天文辐射

太阳辐射给地球带来光和热,提供一个适合万物生长的环境。

太阳辐射到达地球大气层的强度取决于太阳的高度角、日地距离和日照时间。大致上,中午辐射强度大于早晚;夏季辐射强度大于冬季;低纬地区辐射强度大于高纬度地区。由于太阳辐射量在地球各区的分布不平均,导致各区热量的差异,引起大气运动。大气环流将热量和水汽从地球一个地区输送到另一地区,从而交换高低纬度之间、海陆之间的热量和水汽,促进地球上的热量平衡与水平衡,同时也引起各类天气变化及各地不同气候。

远古时期,地球上的植物和动物在死去后,由于长年累月受到地质运动的影响,会缓慢地沉积在水底里或地层下,经过高温、高压、生物及化学等作用,分解成有机物质,转化为煤、石油、天然气等燃料,把太阳辐射的能量积累下来,变成地球资源。

过强的太阳辐射对地球上动植物的生长有不利影响。强烈的紫外线会灼伤皮肤,当处于高地及雪地或在云量较少的日子,我们应该造足防晒措施,避免被太阳的紫外线灼伤

太阳辐射 - 地球大气对太阳辐射的影响

太阳辐射

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。据估计,太阳辐射因水汽的吸收可以减弱4-15%。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仅对红外区4.3微米附近的辐射吸收较强,但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具有选择性,因而使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。

太阳辐射 - 地面辐射

地面辐射

地球表在吸收太阳辐射的同时,又将其中的大部分能量以辐射的方式传送给大气。地表面这种以其本身的热量日夜不停地向外放射辐射的方式,称为地面辐射。

由于地表温度比太阳低得多(地表面平均温度约为300K),因而,地面辐射的主要能量集中在1~30微米之间,其最大辐射的平均波长为10微米,属红外区间,与太阳短波辐射相比,称为地面长波辐射。

地面的辐射能力,主要决定于地面本身的温度。由于辐射能力随辐射体温度的增高而增强,所以,白天,地面温度较高,地面辐射较强;夜间,地面温度较低,地面辐射较弱。

地面的辐射是长波辐射,除部分透过大气奔向宇宙外,大部分被大气中水汽和二氧化碳所吸收,其中水汽对长波辐射的吸收更为显著。因此,大气,尤其是对流层中的大气,主要靠吸收地面辐射而增热。

太阳照射到地平面上的辐射或称“日射”由两部分组成——直达日射和漫射日射。太阳辐射穿过大气层而到达地面时,由于大气中空气分子、水蒸气和尘埃等对太阳辐射的吸收、反射和散射,不仅使辐射强度减弱,还会改变辐射的方向和辐射的光谱分布。因此实际到达地面的太阳辐射通常是由直射和漫射两部分组成。直射是指直接来自太阳其辐射方向不发生改变的辐射;漫射则是被大气反射和散射后方向发生了改变的太阳辐射,它由三部分组成:太阳周围的散射 (太阳表面周围的天空亮光),地平圈散射(地平圈周围的天空亮光 或暗光),及其他的天空散射辐射。另外,非水平面也接收来自地面的反射辐射。直达日射、漫射日射和反射日射的总和即为总日射或环球日射。可以依靠透镜或反射器来聚焦直达日射。如果聚光率很高, 就可获得高能量密度,但却损耗了漫射日射。如果聚光率较低,也可以对部分太阳周围的漫射日射进行聚光。漫射日射的变化范围很大,当天空晴朗无云时,漫射日射为总日射的10%。但当天空乌云密布见不到太阳时,总日射则等于漫射日射。因此聚式收集 器采集的能量通常要比非聚式收集器采集的能量少得多。反射日射一般都很弱,但当地面有冰雪覆盖时,垂直面上的反射日射可达总日射的40%。

到达地面的太阳辐射主要受大气层厚度的影响。大气层越厚,对太阳辐射的吸收、反射和散射就越严重,到达地面的太阳辐射就越少。此外大气的状况和大气的质量对到达地面的太阳辐射也有影响。显然太阳辐射穿过大气层的路径长短与太阳辐射的 方向有关。A为地球海平面上的一点,当太阳在天顶位置S时,太阳辐射穿过大气层到达A点的路径为OA。城阳位于S点时,其穿过大气层到达A点的路径则为0A。 O,A与 OA之比就称之为“大气质量”。它表示太阳辐射穿过地球大气的路径与太阳在天顶方向垂直入射时的路径之比,通常以符号m表示,并设定标准大气压和O℃时海平面上太阳垂直入射时,大气质量m=1。式中,h为太阳的高度角。显然地球上不同地区、不同季节、不同气象条件下到达地面的太阳辐射强度都是不相同的。下表给出了热带、温带和比较寒冷地带的太阳平均辐射强度。

通常根据各地的地理和气象情况已将到达地面的太阳辐射强度制成各种可供工程使用的图表,它们不但对太阳能利用,而且对建筑物的采暖、空调设计也是至关重要的数据

太阳辐射 - 波长分布

太阳能的波长

太阳能的波长分布可以用一个黑体辐射来模拟,黑体的温度为5800K。太阳能波长分布在紫外光、可见光和红外光波段。这些波段受大气衰减的影响程度各不相同。可见光辐射的大部分可到达地面,但是上层大气中的臭氧却吸收了大部分紫外光辐射。

由于臭氧层变薄,特别是南极和北极地区,到达地面的紫外光辐射越来越多。入射的红外光辐射,有一部分被二氧化碳、水蒸气和其他气体吸收,而在夜间来自地球表面的较长波长的红外辐射大部分则传到了外空。这些温室气体在上层大气中的积累,可能会使大气吸收能力增加,从而导致全球气候变暖和天气变得多云。虽然臭氧减少对太阳能集热器的影响甚微,但温室效应可能会增大散射辐射,并可能严重影响太阳能集热器的作用。

太阳辐射 - 辐射强度

每日天文

表示太阳辐射强弱的物理量,称为太阳辐射强度。单位是焦耳/厘米2·分,即在单位时间内垂直投射到单位面积上的太阳辐射能量。

大气上界的太阳辐射强度取决于太阳的高度角、日地距离和日照时间。太阳高度角愈大,太阳辐射强度愈大。因为同一束光线,直射时,照射面积最小,单位面积所获得的太阳辐射则多;反之,斜射时,照射面积大,单位面积上获得的太阳辐射则少。

太阳高度角因时、因地而异。一日之中,太阳高度角正午大于早晚;夏季大于冬季;低纬地区大于高纬度地区。日地距离是指地球环绕太阳公转时,由于公转轨道呈椭圆形,日地之间的距离则不断改变。

地球上获得的太阳辐射强度与日地距离的平方呈反比。地球位于近日点时,获得太阳辐射大于远日点。

据研究,1月初地球通过近日点时,地表单位面积上获得的太阳辐射比7月初通过远日点时多7%。

太阳辐射强度与日照时间成正比。日照时间的长短,随纬度和季节而变化。

太阳辐射 - 大气逆辐射

宇宙微波背景辐射

大气吸收地面长波辐射的同时,又以辐射的方式向外放射能量。大气这种向外放射能量的方式,称为大气辐射。由于大气本身的温度也低,放射的辐射能的波长较长,故也称为大气长波辐射。

大气辐射的方向既有向上的,也有向下的。大气辐射中向下的那一部分,刚好和地面辐射的方向相反,所以称为大气逆辐射。大气逆辐射是地面获得热量的重要来源。由于大气逆辐射的存在,使地面实际损失的热量比地面以长波辐射放出的热量少一些,大气的这种保温作用称为大气的温室效应。这种大气的保温作用使近地表的气温提高了约18℃。月球则因为没有象地球这样的大气,因而,致使它表面的温度昼夜变化剧烈,白天表面温度可达127℃,夜间可降至-183℃。

太阳辐射 - 有效辐射

太阳辐射

地面和大气之间以长波辐射的方式进行着热量的交换,大气对地面起着保温作用。这种作用可用地面有效辐射(F0)表示:F0=Fg-δEA

地面有效辐射就是地面辐射和地面所吸收的大气逆辐射(δEA)之间的差值。通常,地面温度高于大气温度,所以地面辐射要比大气逆辐射强。

地面有效辐射的强弱随地面温度、空气温度、空气湿度及云况而变化。

根据辐射强度的关系,地面温度增高时,地面辐射增强,如其它条件(温度、云况等)不变,则地面有效辐射增大。

空气温度高时,大气逆辐射增强,如其它条件不变,则地面有效辐射减小。

空气中含有水汽和水汽凝结物较多,则因水汽放射长波辐射的能力比较强,使大气逆辐射增强,从而也使地面有效辐射减弱。

天空中有云,特别是有浓密的低云存在,大气逆辐射更强,使地面有效辐射减弱得更多。所以,有云的夜晚通常要比无云的夜晚暖和一些。云被的这种作用,我们也称为云被的保温效应。人造烟幕所以能防御霜冻,其道理也在于此。

太阳辐射 - 辐射作用

太阳辐射

太阳源源不断地以电磁波的形式向四周放射能量就称为太阳辐射。自然界中的物体温度越高,其辐射波的波长就越短,由于太阳表面的温度很高,大约是6000K,所以太阳辐射以短波为主,而且能量巨大。太阳每秒种损失400万吨的质量,变为能量射向宇宙空间,虽然地球可以捕捉到的能量只有其22亿分之一,但每分钟仍可以得到相当于4亿吨烟煤的热量,所以说太阳辐射对地球和人类的影响是非常大的,太阳在50亿年的漫长时间中只消耗了0.03%的质量,现在的太阳正值稳定、旺盛的中年期,不必担心太阳的寿命,关于地球即将毁灭的谣传显然是谬论。

到达地球上的太阳辐射能量只有很小的一部分,但它的作用却是相当大的。

其一,对地理环境的影响。直接的作用如岩石受到温度的变化影响而产生风化。间接作用,地球上的大气、水、生物是地理环境要素,他们本身的发展变化以及各要素之间的相互联系,大部分是在太阳的驱动过程中完成的。地球表面划分为五带。为什么要划分五带呢?因为地球表面各个地方的纬度不同,不同纬度地带获得的太阳热量是不一样的。如热带一年中太阳可以直射,获得的热量最多;寒带太阳高度很低,并且有长时间的极夜,所以获得的热量最少。也就是因为太阳辐射具有纬度差异导致了各地获得的热量也有差异。但是在热量盈余的地方比如赤道,温度并没有越来越高;热量亏损的地方,比如两极,温度也没有越来越低,而是保持相对稳定。对于整个地表来说,热量应该是平衡的,因而热量多余和热量不足的地方,要发生热输送。

其二,太阳辐射为我们的生产和生活提供能量。人们对太阳辐射作用最直接的感受来自于它是人们生产和生活的主要能源。如植物的生长需要光和热,晾晒衣服需要阳光,工业上大量使用的煤、石油等化石燃料是太阳能转化来的,被称为“储存起来的太阳能”。还有太阳灶、太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳房、太阳能发电、太阳能电池等。除直接使用的太阳能外,地球上的水能、风能也来源于太阳。

西藏的省会拉萨有一别称,号称“日光城”。为什么叫这个名称呢?因为西藏自治区位于青藏高原上,地势较高,太阳光到达地表的路程短,空气稀薄,天空中云量少,损失少,所以太阳辐射强,日照时间长,称为“日光城”。

直辖市重庆有个别称,有中国的“雾都”之称。为什么这个地方一年中多雾呢?这个地方海拔较低,受地形的影响,四川盆地使得水汽积聚不易上升,使水汽增多,而西南季风不可能越过秦岭;只能影响四川盆地,故带来大量水汽,并且距海较近,所以一年中阴雨天多,天空中经常阴云密布,所以光照少,太阳辐射能贫乏。所以人们常用“蜀犬吠日”来形容四川盆地的气候特色。

太阳辐射 - 与人体

中国年太阳辐射分布图

太阳辐射是预防疾病,增进人体健康不可缺少的自然因素之一。在一般情况下,它对人体健康产生良好的作用。某些疾病,如骨结核、风湿性关节炎、佝偻病、皮肤病等,在一定的条件下均要利用太阳辐射进行治疗,称为日光疗法。据研究,适当地晒晒太阳,能促进人体的新陈代谢,对人体产生一系列的生理和物理化学过程,它可以改善睡眠,增强肌肉系统的功能,使人心情舒畅,提高劳动效率。

在太阳辐射的作用下,可以使红血球及红蛋白增加,并能引起皮肤充血,加速其再生过程,因此有利于伤口愈合,对机体的生长和发育有着良好的作用。但是,太阳辐射过多、过强,容易引起眩晕、日射病、皮肤烧伤等症状,所以在进行日光浴时,应该适度。

紫外线是太阳辐射重要的组成部分。紫外线不但对细菌有破坏作用,而且对某些病毒也有破坏作用,如白喉和破伤风等病毒。紫外线可以作为消毒剂,消毒空气和饮水。而接受过量的紫外线照射可引起日晒性皮炎、皮肤红斑、水泡、水肿、色素沉积、皮肤角质增生、皮肤癌等,并可出现头痛、体温升高等现象;某些波长的紫外线对于眼睛的危害较大,容易引起结膜炎、角膜炎等,这在高山地区和雪地极易发生。海拔愈高,紫外线强度愈大,海拔每升高100米,紫外线强度增加1.3%。所以,在冰雪覆盖的青藏高原的农牧民中雪盲症患者增多。

太阳辐射的另一种成分是红外线,它对人体的主要作用就是热效应。人体通过皮肤吸收红外线所产生的热量,可以加快人体组织的各种物理化学过程,促进新陈代谢和细胞增生,因此可以起到消炎、镇痛等作用,对治疗冻伤、皮肤病、神经痛有较好的效果。但过强的红外线,会使人体体温调节功能失调,甚至还会烧伤皮肤。过量的红外线对眼睛伤害很大,可以引起视网膜炎、白内障等。所以,长时间在日光或高温下工作时应戴好防护眼镜、白色宽沿帽等。

太阳辐射 - 总量

北半球之太阳辐射总量

(单位:卡/平方厘米)

纬度 夏半年(4~10月) 冬半年(11~3月) 全年 纬度 夏半年(4~10月) 冬半年(11~3月) 全年
0度 157370 157370 314740 45度 162440 70070 232510
5度 162540 151160 313700 50度 157640 57570 215210
10度 166550 143870 310420 55度 152190 45180 197370
15度 169400 135590 304990 60度 146100 32950 179050
20度 171630 126400 29740 65度 140140 21740 161880
25度 171630 116400 288030 70度 135930 13170 149100
30度 170960 105640 276600 75度 133430 7230 140660
35度 169200 94270 263470 80度 131830 3180 135010
40度 166320 82350 248670 85度 130920 730 131650
90度 130630 0 130630

南半球之太阳辐射总量

(单位:卡/平方厘米)

纬度 夏半年(11~3月) 冬半年(4~10月) 全年 纬度 夏半年(11~3月) 冬半年(4~10月) 全年
0度 157370 157370 314740 45度 162440 70070 232510
5度 162540 151160 313700 50度 157640 57570 215210
10度 166550 143870 310420 55度 152190 45180 197370
15度 169400 135590 304990 60度 146100 32950 179050
20度 171630 126400 297480 65度 140140 21740 161880
25度 171630 116400 288030 70度 135930 13170 149100
30度 170960 105640 276600 75度 133430 7230 140660
35度 169200 94270 263470 80度 131830 3180 135010
40度 166320 82350 248670 85度 130920 730 131650
90度 130630 o 130630

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