太陽輻射波長(zhǎng)

太陽輻射一、太陽輻射光譜和太陽常數(shù)太陽輻射光譜太陽輻射中輻射能按波長(zhǎng)的分布，稱為太陽輻射光譜，見圖2.4。從圖中可看出，大氣6000K的黑體光譜能量分布曲為6000Kλmax為0.47μm〔0.～0.7μ波長(zhǎng)大于可見光的紅外線〔＞0.76μm〕和小于可見光的紫外線〔＜0.4μm〕的局部少。在0.15～4μm99%以上，且主要分布在可見光區(qū)和紅外區(qū)，5043%，紫外區(qū)的太陽輻射能很少，只占總量的約7%。太陽常數(shù)太陽輻射通過星際空間到達(dá)地球外表當(dāng)日地距離為平均值在被照亮的半個(gè)地球的大氣上界，垂直于太陽光線，每秒每平方米的面積上，獲得的太陽輻射能量稱為太陽常數(shù)，用Rsc (Solarconstant)表示，單位為〔W/m2〕。太陽常數(shù)是一個(gè)格外重要的常數(shù)，一切有關(guān)爭(zhēng)論太陽輻射的問題，都要以它為參數(shù)。關(guān)于太陽常數(shù)的爭(zhēng)論已有很長(zhǎng)歷史了，早在20世紀(jì)初人們就已經(jīng)通過各種觀測(cè)手段估量它的取值認(rèn)為大約應(yīng)在1350～1400W/m2之間。太陽常數(shù)雖然經(jīng)多年觀測(cè)由于觀測(cè)設(shè)備技術(shù)以及理論校正方法的不同其數(shù)值常不全都。據(jù)爭(zhēng)論太陽常數(shù)的變化具有周期性這可能與太陽黑子的活動(dòng)周期有關(guān)在太陽黑子最多的年份，紫外線局部某些波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度可為太陽黑子最少年份的20倍。近年來，氣候?qū)W家指出，只要地球的長(zhǎng)期氣候發(fā)生1%的變化，就會(huì)引起太陽常數(shù)的變化。目前已有很多無人或有人操作的空間試驗(yàn)對(duì)太陽輻射進(jìn)展直接觀測(cè)并在宇宙空間試驗(yàn)站設(shè)計(jì)了名“地球輻射平衡的課題其中一個(gè)重要工程就是對(duì)太陽輻射進(jìn)展長(zhǎng)期監(jiān)視這些觀測(cè)數(shù)據(jù)將對(duì)進(jìn)一步了解大氣物理過程及全球氣候變遷的緣由有很大幫助。1981年世界氣象組織推舉的太陽常數(shù)值Rsc=1367±7〔W/m2〕，通常承受1367W/m2。二、太陽輻射在大氣中的衰減2.4最下面的實(shí)曲線表示太陽輻射通過大氣層被吸取、散射、反射后到達(dá)地表的太陽輻射光譜。2.4大氣上界和地面的太陽輻射光譜與大氣上界的太陽輻射光譜相比較可以看出通過大氣層后太陽總輻射能有明顯地減弱波長(zhǎng)短的輻射能減弱得最為顯著輻射能隨波長(zhǎng)的分布變得極不規(guī)章產(chǎn)生這些變化有以下幾方面緣由：1大氣對(duì)太陽輻射的吸取太陽輻射穿過大氣層到達(dá)地面時(shí)，要受到肯定程度的減弱這是由于大氣中某些成分具有選擇吸取肯定波長(zhǎng)輻射能的特性大氣中吸取太陽輻射的成分主要有水汽、液態(tài)水、二氧化碳、氧、臭氧及塵埃等固體雜質(zhì)等。太陽輻射被吸取后變成了熱能因而使太陽輻射減弱水汽吸取最強(qiáng)的波段是位于紅外區(qū)的0.93～2.85μm,據(jù)估量，太陽輻射因水汽的吸取可減弱約4%～15%。氧只對(duì)波長(zhǎng)小于0 2μm的紫外線吸取很強(qiáng)，在可見光區(qū)雖然也有吸取但較弱。臭氧在大氣中的含量很少，但在紫外區(qū)和可見光區(qū)都有吸取帶，在0.2～0.3μm波段的吸取帶很強(qiáng)，由于臭氧的吸取，使小于0.29μm波段的太陽輻射不能到達(dá)地面因而保護(hù)了地球上的一切生物免遭紫外線過度輻射的損害臭氧在0.44～0.75μm還有吸取雖不強(qiáng)但因這一波段正好位于太陽輻射最強(qiáng)的區(qū)域內(nèi)，所以吸取的太陽輻射量相當(dāng)多。二氧化碳對(duì)太陽輻射的吸取比較弱，僅對(duì)紅外區(qū)2.7μm4.3μm影響可無視。懸浮在大氣中的水滴、塵埃、污染物等雜質(zhì)，對(duì)太陽輻射也有吸取作用，大氣可見光局部吸取較少，因此可以說大氣對(duì)可見光幾乎是透亮的。2面八方傳播，使原來傳播方向上的太陽輻射減弱。見圖2.5。假設(shè)太陽輻射遇到的散射質(zhì)點(diǎn)的直徑比入射輻射的波長(zhǎng)要短〔如空氣分子〕，則對(duì)入射輻射中波長(zhǎng)較短的輻射的散射強(qiáng)，射力量與波長(zhǎng)的四次方成反比〔Rayleigh〕散射。表2.3〔0.70μm〕1.0，則紫光〔0.44μm〕6.4出、日落時(shí)，因光線通過大氣路程長(zhǎng)，可見光中波長(zhǎng)較短的光被散射殆盡呈桔紅色。(Mie)散射。例如當(dāng)空氣中污染較嚴(yán)峻或存在較多的霧?；驂m埃等雜質(zhì)時(shí)，肯定范圍的長(zhǎng)短波都同樣地被散射，使天空呈灰白色。大氣云層及顆粒物對(duì)太陽輻射的反射的反射力量隨云狀、云量和厚度的不同而不同。見圖2.6，一般狀況下云的平均反射率為0.50～0.55。假設(shè)按地球平均云量為5計(jì)算，太陽輻射就有近25%被云反射回空間，因此云三、到達(dá)地面的太陽輻射為太陽直接輻射用Rsb(Directbeamsolarradiation)表示；另一個(gè)是經(jīng)過散射后到達(dá)地面的，稱為散射輻射用Rsd(Diffusesolarradiation)表示，兩者之和就是到達(dá)地面的太陽總輻射，用Rs〔Solarradiation〕表示，Rs=Rsb+Rsd。直接輻射太陽以平行光形式投射到地面的直接輻射Rsb是地球外表獲得太陽輻射最主要來源。它的強(qiáng)弱由下式表示：Rsb =am2Rc2sinh⊙〔2.8〕式中Rsc 是太陽常數(shù)1367W/m2,h⊙是太陽高度角，a是大氣透亮系數(shù)，m是大氣質(zhì)量數(shù)。從式中可以看出，太陽直接輻射與太陽高度角、大氣質(zhì)量數(shù)和大氣透亮系數(shù)有關(guān)。太陽高度角太陽平行光線與水平面之間的夾角稱為太陽高度角大。一方面是由于太陽高度角(h⊙)愈小時(shí)，等量的太陽輻射能散布的面積愈大，則單算式為：h⊙=arcsin［sinφsinδ+cosφcosδcos15°(t-12)］〔2.9〕式中φ是當(dāng)?shù)氐木暥龋沪氖翘柍嗑暋惨卜Q太陽傾角〕，可依據(jù)天文年歷查到；t時(shí)，按24h15°。例如：北京(φ＝４０°Ｎ)622δ＝23.4°)下午1(t=13.5)的太陽高度角：h⊙＝arcsin［sin40°sin23.4°+cos40°cos23.4cos15°(13.5-12)］＝65°大氣質(zhì)量數(shù)1013hPa，氣溫為0℃時(shí)，太陽光垂直投射到地面所經(jīng)路程中，單位截面積空氣柱的質(zhì)量稱為一個(gè)大氣質(zhì)量數(shù)m。不同太陽高度角，陽光經(jīng)過的大氣質(zhì)量數(shù)也不同。當(dāng)太陽高度角很小時(shí)，m值很大，隨著太陽高度角的增大，m值很快削減。太陽在地平面時(shí)所通過的m35.4個(gè)問題：〔a〕〔b〕光線在大氣中生折射而形成的?！瞔〕空氣密度在水平方向上也是不均勻的。為解決上述困難，要作如下假設(shè)：〔a〕光線在大氣中傳播的路徑是一條直線。〔b〕大氣上界的外表設(shè)為平面。〔c〕水平方向上的密度是均一的。常用的大氣質(zhì)量數(shù)計(jì)算式為：m=(P/P)/h0 ⊙式中P/P代表觀測(cè)地氣壓與經(jīng)過緯度訂正的海平面氣壓之比，h⊙是太陽高度角。0大氣透亮度太陽輻射從大氣上界進(jìn)入大氣層后還要受大氣透亮度的影響數(shù)aRsc與到達(dá)地面的太陽輻射通量Rsa=Rs/Rscaa長(zhǎng)的平均減弱狀況。JP1大氣透亮系數(shù)與大氣中的水汽、水汽分散物、塵埃雜質(zhì)等有關(guān)。這a1a=0.9；當(dāng)污染特別嚴(yán)峻，天空特別混濁時(shí)a=0.6；一般狀況下a=0.84JP是由太陽高度角打算的，所以有明顯的日變化、年變化和隨緯度的變化。一天中輻射最弱。一年中，對(duì)一個(gè)地區(qū)來說，直接輻射夏季最大，冬季最小。但假設(shè)夏季，大氣中春末夏初季節(jié)。雨較多，太陽被遮擋時(shí)間長(zhǎng)。散射輻射Rsd由下式表示：Rsd =0.5Rsc(1-am)sinh⊙〔2.11〕素有關(guān)。當(dāng)太陽高度角增大時(shí)，直接輻射增加，散射輻射也增大。在太陽高度角肯定時(shí)，假設(shè)大氣透亮度不好，散射質(zhì)點(diǎn)多，散射輻射增加；而大氣透亮度好，散射質(zhì)點(diǎn)少，散射輻射現(xiàn)在正午前后，一年中散射輻射的最大值消滅在夏季?？傒椛涞竭_(dá)地面的太陽直接輻射和散射輻射之和稱為總輻射Rs，它的表達(dá)式如下：Rs=Rsb+Rsd=0.5Rsc(1+am)sinh⊙)〔2.12〕29。日出以前,地面上獲得的總輻射不多，只有散射輻射；日出以后，太陽高度角不斷增大，當(dāng)太陽高度角增到20°以例漸漸減小；當(dāng)太陽高度角到達(dá)50°左右，散射輻射只占總輻射的10%～20%；到中午時(shí)，直接與直接輻射的年變化根本全都，中高緯度地區(qū)，總輻射強(qiáng)度〔指月平均值〕夏季最大，冬季最小；赤道四周〔緯度0～20°左右〕，一年中有兩個(gè)最大值分別消滅在春分和秋分?？傒楆栞椛錅p弱得也很多，所以，總輻射年總量最大值不是消滅在赤道，而是消滅在緯度20°四周。其主要特點(diǎn)是太陽輻射年平均總量在3803１０７～8403１０７J/(m22a)范圍內(nèi)。一般西部多于東部，山區(qū)多于平原。四川盆地為低值區(qū)，最低值僅為3103１０７J/(m22a)。青7903１０７J/(m22a)，比同緯度東部地區(qū)幾乎高出一倍。四、地面對(duì)太陽輻射的反射大小與地面對(duì)太陽輻射或稱短波輻射的反射率α(Albedo面的顏色、濕度、粗糙度、不同植被、土壤性質(zhì)及太陽高度角等因素有關(guān)。顏色對(duì)反射率的影響80%～955%～12%。土壤濕度對(duì)反射率的影響反射率將隨土壤濕度的增大而減小。例如白沙土，隨著濕度的增加其反射率從40%降到18%，削減了22%。這是由于水的反射率比陸面小的原因。有試驗(yàn)指出，地面反射率與土壤濕度呈負(fù)指數(shù)關(guān)系。粗糙度對(duì)反射率的影響，有屢次反射，另外太陽輻射向上反射的面積相對(duì)變小，所以導(dǎo)致反射率變小。太陽高度角對(duì)反射率的影響早、晚較大。幾種下墊面的反射率植被反射率的大小與植被種類、生長(zhǎng)發(fā)育狀況、顏色和