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太陽輻射

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太陽輻射,是指太陽以電磁波的形式向外傳遞能量 [1]  ,太陽向宇宙空間發射的電磁波和粒子流。太陽輻射所傳遞的能量,稱太陽輻射能
地球所接受到的太陽輻射能量雖然僅為太陽向宇宙空間放射的總輻射能量的二十二億分之一,但卻是地球大氣運動的主要能量源泉,也是地球光熱能的主要來源。
2017年10月27日,世界衞生組織國際癌症研究機構公佈的致癌物清單初步整理參考,太陽輻射在一類致癌物清單中。 [2] 
中文名
太陽輻射
外文名
solar radiation
又    稱
日射
學    科
天文學、氣象學
屬    性
電磁波和粒子流
分    類
直達日射和漫射日射
影    響
提供光和熱

太陽輻射簡介

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太陽輻射
太陽輻射(10張)
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是瓦/米²。因觀測方法和技術不同,得到的太陽常數值不同。太陽常數值是1368瓦/米2 。太陽輻射是一種短波輻射
到達地表的全球年輻射總量的分佈基本上成帶狀,只有在低緯度地區受到破壞。在赤道地區,由於多雲,年輻射總量並不最高。在南北半球的副熱帶高壓帶,特別是在大陸荒漠地區,年輻射總量較大,最大值在非洲東北部。
太陽輻射在大氣上界的分佈是由地球的天文位置決定的,稱為天文輻射。由天文輻射決定的氣候稱為天文氣候。天文氣候反映了全球氣候的空間分佈和時間變化的基本輪廓。

太陽輻射詳細介紹

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每日天文 每日天文
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<0.4微米),43%在紅外光譜區(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。
強烈的太陽輻射風暴 強烈的太陽輻射風暴
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%。
在地球大氣上界,北半球夏至時,日輻射總量最大,從極地到赤道分佈比較均勻;冬至時,北半球日輻射總量最小,極圈內為零,南北差異最大。南半球情況相反。春分和秋分時,日輻射總量的分佈與緯度的餘弦成正比。南、北迴歸線之間的地區,一年內日輻射總量有兩次最大,年變化小。緯度愈高,日輻射總量變化愈大。
到達地表的全球年輻射總量的分佈基本上成帶狀,只有在低緯度地區受到破壞。在赤道地區,由於多雲,年輻射總量並不最高。在南北半球的副熱帶高壓帶,特別是在大陸荒漠地區,年輻射總量較大,最大值在非洲東北部。

太陽輻射影響因素

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太陽輻射強度是指到達地面的太陽輻射的強弱。大氣對太陽輻射的吸收、反射、散射作用,大大削弱了到達地面的太陽輻射。但尚有諸多因素影響太陽輻射的強弱,使到達不同地區的太陽輻射的多少不同。影響太陽輻射強弱的因素主要有以下四個因素。 [3] 
1.緯度位置
緯度低則正午太陽高度角大,太陽輻射經過大氣的路程短,被大氣削弱得少,到達地面的太陽輻射就多;反之,則少。這是太陽輻射從低緯向高緯遞減的主要原因。 [3]  地球繞太陽公轉的軌道為橢圓形,太陽位於兩個焦點中的一個焦點上。
因此,日地距離時刻在變化。每年1月2日至5日經過近日點,7月3日至4日經過遠日點。地球上接受到的太陽輻射的強弱與日地距離的平方成反比。太陽光線與地平面的夾角稱為太陽高度角,它有日變化和年變化。太陽高度角大,則太陽輻射強。
2.天氣狀況
晴朗的天氣,由於雲層少且薄,大氣對太陽輻射的削弱作用弱,到達地面的太陽輻射就強;陰雨的天氣,由於雲層厚且多,大氣對太陽輻射的削弱作用強,到達地面的太陽輻射就弱。如赤道地區被赤道低壓帶控制,多對流雨,而副熱帶地區被副高控制,多晴朗天氣,所以赤道地區的太陽輻射要弱於副熱帶地區。 [3] 
3.海拔高低
海拔高,空氣稀薄,大氣對太陽輻射的削弱作用弱,到達地面的太陽輻射就強;反之,則弱。如青藏高原成為我國太陽輻射最強的地區,主要就是這個原因。如青藏高原成為我國太陽輻射最強的地區,主要就是這個原因。 [3] 
4.日照長短
日照時間長,獲得太陽輻射強;日照時間短,獲得太陽輻射弱。如我國夏季南北普遍高温,温差不大,是因為緯度越高的地區,白晝時間長,彌補了因太陽高度角低損失的能量。 [3]  白晝長度指從日出到日落之間的時間長度。
赤道上四季白晝長度均為12小時,赤道以外晝長四季有變化,23.5°緯度的春、秋分日晝長12小時,夏至和冬至日晝長分別為14小時51分和9小時09分,到緯度66°33′出現極晝和極夜現象。南北半球的冬夏季節時間相反。

太陽輻射太陽常數

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晝夜是由於地球自轉而產生的,而季節是由於地球的自轉軸與地球圍繞太陽公轉的軌道的轉軸呈23°27′的夾角而產生的。地球每天繞着通過它本身南極和北極的“地軸”自西向東自轉一週。每轉一週為一晝夜,所以地球每小時自轉15°。地球除自轉外還循偏心率很小的橢圓軌道每年繞太陽運行一週。地球自轉軸與公轉軌道面的法線始終成23.5°。
地球公轉時自轉軸的方向不變,總是指向地球的北極。因此地球處於運行軌道的不同位置時,太陽光投射到地球上的方向也就不同,於是形成了地球上的四季變化。每天中午時分,太陽的高度總是最高。在熱帶低緯度地區(即在赤道南北緯度23°27′之間的地區),一年中太陽有兩次垂直入射,在較高緯度地區,太陽總是靠近赤道方向。在北極和南極地區(在南北半球大於90°~23°27′),冬季太陽低於地平線的時間長,而夏季則高於地平線的時間長。
由於地球以橢圓形軌道繞太陽運行,因此太陽與地球之間的距離不是一個常數,而且一年裏每天的日地距離也不一樣。眾所周知,某一點的輻射強度與距輻射源的距離的平方成反比,這意味着地球大氣上方的太陽輻射強度會隨日地間距離不同而異。然而,由於日地間距離太大(平均距離為1.5×10^8km),所以地球大氣層外的太陽輻射強度幾乎是一個常數。因此人們就採用所謂 “太陽常數”來描述地球大氣層上方的太陽輻射強度。它是指平均日地距離時,在地球大氣層上界垂直於太陽輻射的單位表面積上所接受的太陽輻射能。通過各種先進手段測得的太陽常數的標準值為1353瓦/米²。一年中由於日地距離的變化所引起太陽輻射強度的變化不超過上3.4%。

太陽輻射變化特點

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天文輻射 天文輻射
天文輻射的時空變化特點
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温產生差異,在地球表面出現熱帶、温帶和寒帶氣候
②天文輻射夏大冬小,它導致夏季温高冬季温低。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。

太陽輻射地面輻射

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太陽能的波長 太陽能的波長
地球表面在吸收太陽輻射的同時,又將其中的大部分能量以輻射的方式傳送給大氣。地表面這種以其本身的熱量日夜不停地向外放射輻射的方式,稱為地面輻射。由於地表温度比太陽低得多(地表面平均温度約為300K),因而,地面輻射的主要能量集中在1~30微米之間,其最大輻射的平均波長為10微米,屬紅外區間,與太陽短波輻射相比,稱為地面長波輻射。
地面的輻射能力,主要決定於地面本身的温度。由於輻射能力隨輻射體温度的增高而增強,所以,白天,地面温度較高,地面輻射較強;夜間,地面温度較低,地面輻射較弱。地面的輻射是長波輻射,除部分透過大氣奔向宇宙外,大部分被大氣中水汽和二氧化碳所吸收,其中水汽對長波輻射的吸收更為顯著。因此,大氣,尤其是對流層中的大氣,主要靠吸收地面輻射而增熱。
根據輻射強度的關係,地面温度增高時,地面輻射增強,如其它條件(温度、雲況等)不變,則地面有效輻射增大。空氣温度高時,大氣逆輻射增強,如其它條件不變,則地面有效輻射減小。
空氣中含有水汽和水汽凝結物較多,則因水汽放射長波輻射的能力比較強,使大氣逆輻射增強,從而也使地面有效輻射減弱。天空中有云,特別是有濃密的低雲存在,大氣逆輻射更強,使地面有效輻射減弱得更多。所以,有云的夜晚通常要比無雲的夜晚暖和一些。雲被的這種作用,我們也稱為雲被的保温效應。人造煙幕所以能防禦霜凍,其道理也在於此。
自然界中的物體温度越高,其輻射波的波長就越短,由於太陽表面的温度很高,大約是6000K,所以太陽輻射以短波為主,而且能量巨大。太陽每秒鐘損失400萬噸的質量,變為能量射向宇宙空間,雖然地球可以捕捉到的能量只有其22億分之一,但每分鐘仍可以得到相當於4億噸煙煤的熱量,所以説太陽輻射對地球和人類的影響是非常大的,太陽在50億年的漫長時間中只消耗了0.03%的質量,我們看見的太陽正值穩定、旺盛的中年期,不必擔心太陽的壽命,關於地球即將毀滅的謠傳顯然是謬論。

太陽輻射太陽照射

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太陽照射到地平面上的輻射或稱“日射”由兩部分組成——直達日射和漫射日射。太陽輻射穿過大氣層而到達地面時,由於大氣中空氣分子、水蒸氣和塵埃等對太陽輻射的吸收、反射和散射,不僅使輻射強度減弱,還會改變輻射的方向和輻射的光譜分佈。
因此實際到達地面的太陽輻射通常是由直射和漫射兩部分組成。直射是指直接來自太陽其輻射方向不發生改變的輻射;漫射則是被大氣反射和散射後方向發生了改變的太陽輻射,它由三部分組成:太陽周圍的散射 (太陽表面周圍的天空亮光),地平圈散射(地平圈周圍的天空亮光 或暗光),及其他的天空散射輻射。另外,非水平面也接收來自地面的反射輻射
直達日射、漫射日射和反射日射的總和即為總日射或環球日射。可以依靠透鏡或反射器來聚焦直達日射。如果聚光率很高, 就可獲得高能量密度,但卻損耗了漫射日射。如果聚光率較低,也可以對部分太陽周圍的漫射日射進行聚光。
漫射日射的變化範圍很大,當天空晴朗無雲時,漫射日射為總日射的10%。但當天空烏雲密佈見不到太陽時,總日射則等於漫射日射。因此聚式收集器採集的能量通常要比非聚式收集器採集的能量少得多。反射日射一般都很弱,但當地面有冰雪覆蓋時,垂直面上的反射日射可達總日射的40%。
到達地面的太陽輻射主要受大氣層厚度的影響。大氣層越厚,對太陽輻射的吸收、反射和散射就越嚴重,到達地面的太陽輻射就越少。此外大氣的狀況和大氣的質量對到達地面的太陽輻射也有影響。顯然太陽輻射穿過大氣層的路徑長短與太陽輻射的方向有關。
A為地球海平面上的一點,當太陽在天頂位置S時,太陽輻射穿過大氣層到達A點的路徑為OA。城陽位於S點時,其穿過大氣層到達A點的路徑則為0A。 O,A與 OA之比就稱之為大氣質量。它表示太陽輻射穿過地球大氣的路徑與太陽在天頂方向垂直入射時的路徑之比,通常以符號m表示,並設定標準大氣壓和0℃時海平面上太陽垂直入射時,大氣質量m=1。公式中,h為太陽的高度角。顯然地球上不同地區、不同季節、不同氣象條件下到達地面的太陽輻射強度都是不相同的。
通常根據各地的地理和氣象情況已將到達地面的太陽輻射強度製成各種可供工程使用的圖表,它們不但對太陽能利用,而且對建築物的採暖、空調設計也是至關重要的數據。

太陽輻射波長分佈

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太陽能的波長分佈可以用一個黑體輻射來模擬,黑體的温度為5800K。太陽能波長分佈在紫外光、可見光和紅外光波段。這些波段受大氣衰減的影響程度各不相同。可見光輻射的大部分可到達地面,但是上層大氣中的臭氧卻吸收了大部分紫外光輻射。
宇宙微波背景輻射 宇宙微波背景輻射
由於臭氧層變薄,特別是南極和北極地區,到達地面的紫外光輻射越來越多。入射的紅外光輻射,有一部分被二氧化碳、水蒸氣和其他氣體吸收,而在夜間來自地球表面的較長波長的紅外輻射大部分則傳到了外空。
這些温室氣體在上層大氣中的積累,可能會使大氣吸收能力增加,從而導致全球氣候變暖和天氣變得多雲。雖然臭氧減少對太陽能集熱器的影響甚微,但温室效應可能會增大散射輻射,並可能嚴重影響太陽能集熱器的作用。

太陽輻射輻射強度

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紅外輻射的影響 紅外輻射的影響
表示太陽輻射強弱的物理量,稱為太陽輻射強度。單位是焦耳/釐米2·分,即在單位時間內垂直投射到單位面積上的太陽輻射能量。
大氣上界的太陽輻射強度取決於太陽的高度角、日地距離日照時間。太陽高度角愈大,太陽輻射強度愈大。因為同一束光線,直射時,照射面積最小,單位面積所獲得的太陽輻射則多;反之,斜射時,照射面積大,單位面積上獲得的太陽輻射則少。
太陽高度角因時、因地而異。一日之中,太陽高度角正午大於早晚;夏季大於冬季;低緯地區大於高緯度地區。日地距離是指地球環繞太陽公轉時,由於公轉軌道呈橢圓形,日地之間的距離則不斷改變。
地球上獲得的太陽輻射強度與日地距離的平方呈反比。地球位於近日點時,獲得太陽輻射大於遠日點。
據研究,1月初地球通過近日點時,地表單位面積上獲得的太陽輻射比7月初通過遠日點時多7%。
太陽輻射強度與日照時間成正比。日照時間的長短,隨緯度和季節而變化。

太陽輻射大氣逆輻射

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宇宙微波背景輻射
大氣吸收地面長波輻射的同時,又以輻射的方式向外放射能量。大氣這種向外放射能量的方式,稱為大氣輻射。由於大氣本身的温度也低,放射的輻射能的波長較長,故也稱為大氣長波輻射。
大氣輻射的方向既有向上的,也有向下的。大氣輻射中向下的那一部分,剛好和地面輻射的方向相反,所以稱為大氣逆輻射。大氣逆輻射是地面獲得熱量的重要來源。
由於大氣逆輻射的存在,地面實際損失的熱量比地面以長波輻射放出的熱量少一些,大氣的這種保温作用稱為大氣的温室效應。這種大氣的保温作用使近地表的氣温提高了約18℃。月球則因為沒有象地球這樣的大氣,因而,致使它表面的温度晝夜變化劇烈,白天表面温度可達127℃,夜間可降至-183℃。

太陽輻射有效輻射

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紅外輻射的影響
太陽輻射 太陽輻射
地面和大氣之間以長波輻射的方式進行着熱量的交換,大氣對地面起着保温作用。這種作用可用地面有效輻射(F0)表示:F0=Fg-δEA地面有效輻射就是地面輻射和地面所吸收的大氣逆輻射(δEA)之間的差值。通常,地面温度高於大氣温度,所以地面輻射要比大氣逆輻射強。
地面有效輻射的強弱隨地面温度、空氣温度、空氣濕度及雲況而變化。

太陽輻射能量來源

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輻射的能量來源於氫核聚變產生的能量。在高温和高壓狀態下,4個氫原子核經過一系列的聚變反應變成一個氦原子核,並釋放大量的熱量。這樣的不斷聚變持續地為太陽提供能量。

太陽輻射能量作用

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太陽輻射對地球

到達地球上的太陽輻射能量只有太陽總輻射能量的很小一部分,但它的作用卻是相當大的,太陽輻射 [4] 地球表層能量的主要來源。
其一,對地理環境的影響。直接的作用如岩石受到温度的變化影響而產生風化。間接作用,地球上的大氣、水、生物是地理環境要素,它們本身的發展變化以及各要素之間的相互聯繫,大部分是在太陽的驅動過程中完成的。地球表面劃分為五帶。為什麼要劃分五帶呢?因為地球表面各個地方的緯度不同,不同緯度地帶獲得的太陽熱量是不一樣的。如熱帶一年中太陽可以直射,獲得的熱量最多;寒帶太陽高度很低,並且有長時間的極夜,所以獲得的熱量最少。也就是因為太陽輻射具有緯度差異,所以各地獲得的熱量存在差異。但是在熱量盈餘的地方比如赤道,温度並沒有越來越高;熱量虧損的地方,比如兩極,温度也沒有越來越低,而是保持相對穩定。對於整個地表來説,熱量應該是平衡的,因而熱量多餘和熱量不足的地方,要發生熱輸送。
其二,太陽輻射為我們的生產和生活提供能量。人們對太陽輻射作用最直接的感受來自於它是人們生產和生活的主要能源。如植物的生長需要光和熱,晾曬衣服需要陽光,工業上大量使用的煤、石油等化石燃料是太陽能轉化來的,被稱為“儲存起來的太陽能”。還有太陽灶、太陽能熱水器、太陽能幹燥器、太陽房、太陽能發電、太陽能電池等。除直接使用的太陽能外,地球上的水能風能也來源於太陽。西藏的省會拉薩有一別稱:“日光城”。為什麼叫這個名稱呢?因為西藏自治區位於青藏高原上,地勢較高,太陽光到達地表的路程短,空氣稀薄,天空中雲量少,損失少,所以太陽輻射強,日照時間長,稱為“日光城”。直轄市重慶有個別稱,叫中國的“霧都”。為什麼這個地方一年中多霧呢?這個地方海拔較低,受地形的影響,四川盆地使得水汽積聚不易上升,使水汽增多,而西南季風不可能越過秦嶺;只能影響四川盆地,故帶來大量水汽,並且距海較近,所以一年中陰雨天多,天空中經常陰雲密佈,所以光照少,太陽輻射能貧乏。所以人們常用“蜀犬吠日”來形容四川盆地的氣候特色。

太陽輻射對太陽系

除此之外,光作用在物體上的力稱為輻射壓力。太陽輻射的壓力能將一些東西吹出太陽系,也能使一些東西掉到太陽上。我們來研究一個太陽附近的粒子。該粒子受到太陽輻射壓力正比於粒子的截面積。作用在粒子上的重力正比於它的質量,質量正比於它的體積。
如果粒子的線度為X它的截面積正比於X^2,而體積正比於X^3;那麼只要粒子足夠小,X^2、X^3之比可任意大。當X=1單位時,X^2=1單位^2,X^3=1單位^3;而當X=0.1單位時,X2=0.01單位^2,X3=0.001單位^3。所以當X足夠小時,太陽輻射壓力可以超過重力,這就是彗星尾巴總背向太陽的原因。
假設重力大於輻射的壓力,粒子被束縛在太陽系中,當粒子繞太陽運動時,太陽光就像下雨一樣灑在粒子上。(如果軌道是圓的,太陽光照射方向垂直於粒子的運動方向)。但是從粒子角度看,對於一個運動的粒子,太陽光是從前方輻射來的(天文學家稱之為光行差)。
所以,輻射壓力就有一個和粒子軌道運動方向相反的分量。作用雖小,卻持續不斷,粒子軌道運動速度減小,導致它螺旋式的落到太陽上去。這就是波印延—羅伯遜效應。
而它,在太陽系中起到了吸塵器的作用。這就使得太陽系的質量是一定的,不會減少,不會增加。
粒子的線度與體積表面積關係 粒子的線度與體積表面積關係

太陽輻射其他相關知識

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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。
太陽輻射能在可見光線(0.4~0.76μm)、紅外線(>0.76μm)和紫外線(<0.4μm)分別佔50%、43%和7%,即集中於短波波段,故將太陽輻射稱為短波輻射。
太陽輻射試驗是評定户外無遮蔽使用和儲存的設備經受太陽輻射熱和光學效應的能力。
太陽輻射試驗標準:
GJB 150.7-86 軍用設備環境試驗方法 太陽輻射試驗
GB 4797.4-1989 電工電子產品自然環境條件 太陽輻射與温度
GB/T 2423.24-1995 電工電子產品環境試驗第2部分:試驗方法 試驗Sa:模擬地面上的太陽輻射
本世紀初能進行太陽輻射試驗試驗的實驗室非常少,北京就環境可靠性與電磁兼容試驗服務中心,另外就上海和廣州各有一家。
參考資料