太陽輻射

太陽輻射示意圖

太陽輻射（Solar radiation）指太陽從核融合所產生的能量，經由電磁波傳遞到各地的輻射能（Radiant energy）。太陽輻射的光學頻譜接近溫度5800K的黑體輻射。大約有一半的頻譜是電磁波譜中的可見光，而另一半有紅外線與紫外線等頻譜。在輻射到地球時，會對地球大氣層造成影響，所有有了地球有了四季有了冬暖夏涼，同時，地球大氣也會對太陽輻射造成影響。如果紫外線沒有被大氣層或是其他的保護裝置吸收，它會影響人體皮膚的色素的變化。

強烈的太陽輻射風暴

太陽輻射（solar radiation）是指太陽向宇宙空間發射的電磁波和粒子流。地球所接受到的太陽輻射能量僅為太陽向宇宙空間放射的總輻射能量的二十億分之一，但卻是地球大氣運動的主要能量源泉。

到達地球大氣上界的太陽輻射能量稱為天文太陽輻射量。在地球位于日地平均距離處時，地球大氣上界垂直于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為瓦/米² 。因觀測方法和技術不同，得到的太陽常數值不同。世界氣象組織 (WMO)1981年公布的太陽常數值是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（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。由于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。

太陽輻射

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。太陽輻射通過大氣后，其強度和光譜能量分布都發生變化。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布在紫外光譜區幾乎絕跡，在可見光譜區減少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，從極地到赤道分布比較均勻；冬至時，北半球日輻射總最小，極圈內為零，南北差異最大。南半球情況相反。春分和秋分時，日輻射總量的分布與緯度的余弦成正比。南、北回歸線之間的地區，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布基本上成帶狀，只有在低緯度地區受到破壞。在赤道地區，由于多云，年輻射總量并不最高。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。

太陽輻射測量圖

晝夜是由于地球自轉而產生的，而季節是由于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。地球每天繞著通過它本身南極和北極的“地軸” 自西向東自轉一周。每轉一周為一晝夜，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周。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。因此地球處于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，于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（在南北半球大于90°~23°27′），冬季太陽低于地平線的時間長，而夏季則高于地平線的時間長。

由于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，而且一年里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，這意味著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，由于日地間距離太大（平均距離為1.5 x 108km），所以地球大氣層外的太陽輻射強度幾乎是一個常數。因此人們就采用所謂 “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于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1353w／m2。一年中由于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％。

太陽是個熾熱的大火球，它的表面溫度可達6000°K，它以輻射的方式不斷地把巨大的能量傳送到地球上來，哺育著萬物的生長。

太陽輻射的波長范圍，大約在0.15-4微米之間。在這段波長范圍內，又可分為三個主要區域，即波長較短的紫外光區、波長較長的紅外光區和介于二者之間的可見光區。太陽輻射的能量主要分布在可見光區和紅外區，前者占太陽輻射總量的50％，后者占43％。紫外區只占能量的7％。在波長0.48微米的地方，太陽輻射的能力達到最高值，數值約為3.0卡/cm2.分以上。

天文輻射

太陽輻射給地球帶來光和熱，提供一個適合萬物生長的環境。

太陽輻射到達地球大氣層的強度取決于太陽的高度角、日地距離和日照時間。大致上，中午輻射強度大于早晚；夏季輻射強度大于冬季；低緯地區輻射強度大于高緯度地區。由于太陽輻射量在地球各區的分布不平均，導致各區熱量的差異，引起大氣運動。大氣環流將熱量和水汽從地球一個地區輸送到另一地區，從而交換高低緯度之間、海陸之間的熱量和水汽，促進地球上的熱量平衡與水平衡，同時也引起各類天氣變化及各地不同氣候。

遠古時期，地球上的植物和動物在死去后，由于長年累月受到地質運動的影響，會緩慢地沉積在水底里或地層下，經過高溫、高壓、生物及化學等作用，分解成有機物質，轉化為煤、石油、天然氣等燃料，把太陽輻射的能量積累下來，變成地球資源。

過強的太陽輻射對地球上動植物的生長有不利影響。強烈的紫外線會灼傷皮膚，當處于高地及雪地或在云量較少的日子，我們應該造足防曬措施，避免被太陽的紫外線灼傷 。

太陽輻射

太陽輻射通過大氣時，分別受到大氣中的水汽、二氧化碳、微塵、氧和臭氧以及云滴、霧、冰晶、空氣分子的吸收、散射、反射等作用，而使投射到大氣上界的太陽輻射不能完全到達地面。

太陽輻射穿過大氣層時，大氣中某些成分具有選擇吸收一定波長輻射性能的特性。大氣中吸收太陽輻射的成分主要有水汽、氧、臭氧、二氧化碳及固體雜質等。太陽輻射被大氣吸收后變成熱能，因而使太陽輻射減弱。

水汽吸收最強的是在紅外區，從0.93-2.85微米之間的幾個吸收帶。據估計，太陽輻射因水汽的吸收可以減弱4-15％。大氣中的主要氣體是氮和氧，只有氧能微弱地吸收太陽輻射。在波長小于0.2微米處為一寬的吸收帶，吸收能力較強；在0.69和0.76微米附近，各有一個窄吸收帶，吸收能力較弱。

臭氧對太陽輻射的吸收很強。0.2-0.3微米為一強吸收帶，使小于0.29微米的太陽輻射不能到達地面。在0.6微米附近又有一寬吸收帶，吸收能力雖然不強，但因位于太陽輻射最強烈的輻射帶里，吸收的太陽輻射還是相當多的。二氧化碳對太陽輻射的吸收僅對紅外區4.3微米附近的輻射吸收較強，但對整個太陽輻射影響不大。

此外，懸浮在大氣中的水滴、塵埃等雜質，也能吸收一部分太陽輻射，但只有當大氣中塵埃等雜質很多(如有沙暴、煙幕或浮塵)時，吸收才比較顯著。

大氣對太陽輻射的吸收具有選擇性，因而使太陽輻射光譜變得極不規則；由于大氣主要吸收物質(臭氧和水汽)對太陽輻射的吸收帶都位于太陽輻射光譜兩端能量較小的區域，因而吸收對太陽輻射的減弱作用不大。也就是說，大氣直接吸收的太陽輻射并不多，特別是對于對流層大氣來說。所以，太陽輻射不是大氣主要的直接熱源。

地面輻射

地球表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。

由于地表溫度比太陽低得多(地表面平均溫度約為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，主要決定于地面本身的溫度。由于輻射能力隨輻射體溫度的增高而增強，所以，白天，地面溫度較高，地面輻射較強；夜間，地面溫度較低，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。

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，由于大氣中空氣分子、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布。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后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。漫射日射的變化范圍很大，當天空晴朗無云時，漫射日射為總日射的10％。但當天空烏云密布見不到太陽時，總日射則等于漫射日射。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。城陽位于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，并設定標準大氣壓和O℃時海平面上太陽垂直入射時，大氣質量m＝1。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。下表給出了熱帶、溫帶和比較寒冷地帶的太陽平均輻射強度。

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制成各種可供工程使用的圖表，它們不但對太陽能利用，而且對建筑物的采暖、空調設計也是至關重要的數據 。

太陽能的波長

太陽能的波長分布可以用一個黑體輻射來模擬，黑體的溫度為5800K。太陽能波長分布在紫外光、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。

由于臭氧層變薄，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。這些溫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云。雖然臭氧減少對太陽能集熱器的影響甚微，但溫室效應可能會增大散射輻射，并可能嚴重影響太陽能集熱器的作用。

每日天文

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/厘米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于太陽的高度角、日地距離和日照時間。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，太陽高度角正午大于早晚；夏季大于冬季；低緯地區大于高緯度地區。日地距離是指地球環繞太陽公轉時，由于公轉軌道呈橢圓形，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。地球位于近日點時，獲得太陽輻射大于遠日點。

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。

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。由于大氣本身的溫度也低，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。由于大氣逆輻射的存在，使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，大氣的這種保溫作用稱為大氣的溫室效應。這種大氣的保溫作用使近地表的氣溫提高了約18℃。月球則因為沒有象地球這樣的大氣，因而，致使它表面的溫度晝夜變化劇烈，白天表面溫度可達127℃，夜間可降至-183℃。

太陽輻射

地面和大氣之間以長波輻射的方式進行著熱量的交換，大氣對地面起著保溫作用。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，地面溫度高于大氣溫度，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溫度、空氣溫度、空氣濕度及云況而變化。

根據輻射強度的關系，地面溫度增高時，地面輻射增強，如其它條件(溫度、云況等)不變，則地面有效輻射增大。

空氣溫度高時，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，特別是有濃密的低云存在，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云的夜晚暖和一些。云被的這種作用，我們也稱為云被的保溫效應。人造煙幕所以能防御霜凍，其道理也在于此。

太陽輻射

太陽源源不斷地以電磁波的形式向四周放射能量就稱為太陽輻射。自然界中的物體溫度越高，其輻射波的波長就越短，由于太陽表面的溫度很高，大約是6000K，所以太陽輻射以短波為主，而且能量巨大。太陽每秒種損失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于4億噸煙煤的熱量，所以說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，現在的太陽正值穩定、旺盛的中年期，不必擔心太陽的壽命，關于地球即將毀滅的謠傳顯然是謬論。

到達地球上的太陽輻射能量只有很小的一部分，但它的作用卻是相當大的。

其一，對地理環境的影響。直接的作用如巖石受到溫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，他們本身的發展變化以及各要素之間的相互聯系，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。為什么要劃分五帶呢?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，并且有長時間的極夜，所以獲得的熱量最少。也就是因為太陽輻射具有緯度差異導致了各地獲得的熱量也有差異。但是在熱量盈余的地方比如赤道，溫度并沒有越來越高；熱量虧損的地方，比如兩極，溫度也沒有越來越低，而是保持相對穩定。對于整個地表來說，熱量應該是平衡的，因而熱量多余和熱量不足的地方，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于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、太陽能干燥器、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、風能也來源于太陽。

西藏的省會拉薩有一別稱，號稱“日光城”。為什么叫這個名稱呢?因為西藏自治區位于青藏高原上，地勢較高，太陽光到達地表的路程短，空氣稀薄，天空中云量少，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，有中國的“霧都”之稱。為什么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，并且距海較近，所以一年中陰雨天多，天空中經常陰云密布，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。

中國年太陽輻射分布圖

太陽輻射是預防疾病，增進人體健康不可缺少的自然因素之一。在一般情況下，它對人體健康產生良好的作用。某些疾病，如骨結核、風濕性關節炎、佝僂病、皮膚病等，在一定的條件下均要利用太陽輻射進行治療，稱為日光療法。據研究，適當地曬曬太陽，能促進人體的新陳代謝，對人體產生一系列的生理和物理化學過程，它可以改善睡眠，增強肌肉系統的功能，使人心情舒暢，提高勞動效率。

在太陽輻射的作用下，可以使紅血球及紅蛋白增加，并能引起皮膚充血，加速其再生過程，因此有利于傷口愈合，對機體的生長和發育有著良好的作用。但是，太陽輻射過多、過強，容易引起眩暈、日射病、皮膚燒傷等癥狀，所以在進行日光浴時，應該適度。

紫外線是太陽輻射重要的組成部分。紫外線不但對細菌有破壞作用，而且對某些病毒也有破壞作用，如白喉和破傷風等病毒。紫外線可以作為消毒劑，消毒空氣和飲水。而接受過量的紫外線照射可引起日曬性皮炎、皮膚紅斑、水泡、水腫、色素沉積、皮膚角質增生、皮膚癌等，并可出現頭痛、體溫升高等現象；某些波長的紫外線對于眼睛的危害較大，容易引起結膜炎、角膜炎等，這在高山地區和雪地極易發生。海拔愈高，紫外線強度愈大，海拔每升高100米，紫外線強度增加1.3%。所以，在冰雪覆蓋的青藏高原的農牧民中雪盲癥患者增多。

太陽輻射的另一種成分是紅外線，它對人體的主要作用就是熱效應。人體通過皮膚吸收紅外線所產生的熱量，可以加快人體組織的各種物理化學過程，促進新陳代謝和細胞增生，因此可以起到消炎、鎮痛等作用，對治療凍傷、皮膚病、神經痛有較好的效果。但過強的紅外線，會使人體體溫調節功能失調，甚至還會燒傷皮膚。過量的紅外線對眼睛傷害很大，可以引起視網膜炎、白內障等。所以，長時間在日光或高溫下工作時應戴好防護眼鏡、白色寬沿帽等。

北半球之太陽輻射總量

（單位：卡/平方厘米）

南半球之太陽輻射總量

（單位：卡/平方厘米）