太阳辐射波长

太阳辐射一、太阳辐射光谱和太阳常数太阳辐射光谱太阳辐射中辐射能按波长的分布，称为太阳辐射光谱，见图2.4。从图中可看出，大气6000K的黑体光谱能量分布曲为6000Kλmax为0.47μm〔0.～0.7μ波长大于可见光的红外线〔＞0.76μm〕和小于可见光的紫外线〔＜0.4μm〕的局部少。在0.15～4μm99%以上，且主要分布在可见光区和红外区，5043%，紫外区的太阳辐射能很少，只占总量的约7%。太阳常数太阳辐射通过星际空间到达地球外表当日地距离为平均值在被照亮的半个地球的大气上界，垂直于太阳光线，每秒每平方米的面积上，获得的太阳辐射能量称为太阳常数，用Rsc (Solarconstant)表示，单位为〔W/m2〕。太阳常数是一个格外重要的常数，一切有关争论太阳辐射的问题，都要以它为参数。关于太阳常数的争论已有很长历史了，早在20世纪初人们就已经通过各种观测手段估量它的取值认为大约应在1350～1400W/m2之间。太阳常数虽然经多年观测由于观测设备技术以及理论校正方法的不同其数值常不全都。据争论太阳常数的变化具有周期性这可能与太阳黑子的活动周期有关在太阳黑子最多的年份，紫外线局部某些波长的辐射强度可为太阳黑子最少年份的20倍。近年来，气候学家指出，只要地球的长期气候发生1%的变化，就会引起太阳常数的变化。目前已有很多无人或有人操作的空间试验对太阳辐射进展直接观测并在宇宙空间试验站设计了名“地球辐射平衡的课题其中一个重要工程就是对太阳辐射进展长期监视这些观测数据将对进一步了解大气物理过程及全球气候变迁的缘由有很大帮助。1981年世界气象组织推举的太阳常数值Rsc=1367±7〔W/m2〕，通常承受1367W/m2。二、太阳辐射在大气中的衰减2.4最下面的实曲线表示太阳辐射通过大气层被吸取、散射、反射后到达地表的太阳辐射光谱。2.4大气上界和地面的太阳辐射光谱与大气上界的太阳辐射光谱相比较可以看出通过大气层后太阳总辐射能有明显地减弱波长短的辐射能减弱得最为显著辐射能随波长的分布变得极不规章产生这些变化有以下几方面缘由：1大气对太阳辐射的吸取太阳辐射穿过大气层到达地面时，要受到肯定程度的减弱这是由于大气中某些成分具有选择吸取肯定波长辐射能的特性大气中吸取太阳辐射的成分主要有水汽、液态水、二氧化碳、氧、臭氧及尘埃等固体杂质等。太阳辐射被吸取后变成了热能因而使太阳辐射减弱水汽吸取最强的波段是位于红外区的0.93～2.85μm,据估量，太阳辐射因水汽的吸取可减弱约4%～15%。氧只对波长小于0 2μm的紫外线吸取很强，在可见光区虽然也有吸取但较弱。臭氧在大气中的含量很少，但在紫外区和可见光区都有吸取带，在0.2～0.3μm波段的吸取带很强，由于臭氧的吸取，使小于0.29μm波段的太阳辐射不能到达地面因而保护了地球上的一切生物免遭紫外线过度辐射的损害臭氧在0.44～0.75μm还有吸取虽不强但因这一波段正好位于太阳辐射最强的区域内，所以吸取的太阳辐射量相当多。二氧化碳对太阳辐射的吸取比较弱，仅对红外区2.7μm4.3μm影响可无视。悬浮在大气中的水滴、尘埃、污染物等杂质，对太阳辐射也有吸取作用，大气可见光局部吸取较少，因此可以说大气对可见光几乎是透亮的。2面八方传播，使原来传播方向上的太阳辐射减弱。见图2.5。假设太阳辐射遇到的散射质点的直径比入射辐射的波长要短〔如空气分子〕，则对入射辐射中波长较短的辐射的散射强，射力量与波长的四次方成反比〔Rayleigh〕散射。表2.3〔0.70μm〕1.0，则紫光〔0.44μm〕6.4出、日落时，因光线通过大气路程长，可见光中波长较短的光被散射殆尽呈桔红色。(Mie)散射。例如当空气中污染较严峻或存在较多的雾粒或尘埃等杂质时，肯定范围的长短波都同样地被散射，使天空呈灰白色。大气云层及颗粒物对太阳辐射的反射的反射力量随云状、云量和厚度的不同而不同。见图2.6，一般状况下云的平均反射率为0.50～0.55。假设按地球平均云量为5计算，太阳辐射就有近25%被云反射回空间，因此云三、到达地面的太阳辐射为太阳直接辐射用Rsb(Directbeamsolarradiation)表示；另一个是经过散射后到达地面的，称为散射辐射用Rsd(Diffusesolarradiation)表示，两者之和就是到达地面的太阳总辐射，用Rs〔Solarradiation〕表示，Rs=Rsb+Rsd。直接辐射太阳以平行光形式投射到地面的直接辐射Rsb是地球外表获得太阳辐射最主要来源。它的强弱由下式表示：Rsb =am²Rc²sinh⊙〔2.8〕式中Rsc 是太阳常数1367W/m2,h⊙是太阳高度角，a是大气透亮系数，m是大气质量数。从式中可以看出，太阳直接辐射与太阳高度角、大气质量数和大气透亮系数有关。太阳高度角太阳平行光线与水平面之间的夹角称为太阳高度角大。一方面是由于太阳高度角(h⊙)愈小时，等量的太阳辐射能散布的面积愈大，则单算式为：h⊙=arcsin［sinφsinδ+cosφcosδcos15°(t-12)］〔2.9〕式中φ是当地的纬度；δ是太阳赤纬〔也称太阳倾角〕，可依据天文年历查到；t时，按24h15°。例如：北京(φ＝４０°Ｎ)622δ＝23.4°)下午1(t=13.5)的太阳高度角：h⊙＝arcsin［sin40°sin23.4°+cos40°cos23.4cos15°(13.5-12)］＝65°大气质量数1013hPa，气温为0℃时，太阳光垂直投射到地面所经路程中，单位截面积空气柱的质量称为一个大气质量数m。不同太阳高度角，阳光经过的大气质量数也不同。当太阳高度角很小时，m值很大，随着太阳高度角的增大，m值很快削减。太阳在地平面时所通过的m35.4个问题：〔a〕〔b〕光线在大气中生折射而形成的。〔c〕空气密度在水平方向上也是不均匀的。为解决上述困难，要作如下假设：〔a〕光线在大气中传播的路径是一条直线。〔b〕大气上界的外表设为平面。〔c〕水平方向上的密度是均一的。常用的大气质量数计算式为：m=(P/P)/h0 ⊙式中P/P代表观测地气压与经过纬度订正的海平面气压之比，h⊙是太阳高度角。0大气透亮度太阳辐射从大气上界进入大气层后还要受大气透亮度的影响数aRsc与到达地面的太阳辐射通量Rsa=Rs/Rscaa长的平均减弱状况。JP1大气透亮系数与大气中的水汽、水汽分散物、尘埃杂质等有关。这a1a=0.9；当污染特别严峻，天空特别混浊时a=0.6；一般状况下a=0.84JP是由太阳高度角打算的，所以有明显的日变化、年变化和随纬度的变化。一天中辐射最弱。一年中，对一个地区来说，直接辐射夏季最大，冬季最小。但假设夏季，大气中春末夏初季节。雨较多，太阳被遮挡时间长。散射辐射Rsd由下式表示：Rsd =0.5Rsc(1-am)sinh⊙〔2.11〕素有关。当太阳高度角增大时，直接辐射增加，散射辐射也增大。在太阳高度角肯定时，假设大气透亮度不好，散射质点多，散射辐射增加；而大气透亮度好，散射质点少，散射辐射现在正午前后，一年中散射辐射的最大值消灭在夏季。总辐射到达地面的太阳直接辐射和散射辐射之和称为总辐射Rs，它的表达式如下：Rs=Rsb+Rsd=0.5Rsc(1+am)sinh⊙)〔2.12〕29。日出以前,地面上获得的总辐射不多，只有散射辐射；日出以后，太阳高度角不断增大，当太阳高度角增到20°以例渐渐减小；当太阳高度角到达50°左右，散射辐射只占总辐射的10%～20%；到中午时，直接与直接辐射的年变化根本全都，中高纬度地区，总辐射强度〔指月平均值〕夏季最大，冬季最小；赤道四周〔纬度0～20°左右〕，一年中有两个最大值分别消灭在春分和秋分。总辐阳辐射减弱得也很多，所以，总辐射年总量最大值不是消灭在赤道，而是消灭在纬度20°四周。其主要特点是太阳辐射年平均总量在380³１０７～840³１０７J/(m2²a)范围内。一般西部多于东部，山区多于平原。四川盆地为低值区，最低值仅为310³１０７J/(m2²a)。青790³１０７J/(m2²a)，比同纬度东部地区几乎高出一倍。四、地面对太阳辐射的反射大小与地面对太阳辐射或称短波辐射的反射率α(Albedo面的颜色、湿度、粗糙度、不同植被、土壤性质及太阳高度角等因素有关。颜色对反射率的影响80%～955%～12%。土壤湿度对反射率的影响反射率将随土壤湿度的增大而减小。例如白沙土，随着湿度的增加其反射率从40%降到18%，削减了22%。这是由于水的反射率比陆面小的原因。有试验指出，地面反射率与土壤湿度呈负指数关系。粗糙度对反射率的影响，有屡次反射，另外太阳辐射向上反射的面积相对变小，所以导致反射率变小。太阳高度角对反射率的影响早、晚较大。几种下垫面的反射率植被反射率的大小与植被种类、生长发育状况、颜色和