太阳辐射

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太阳向地球发射的辐射波长范围广,强度各有不同。投射到大气上边界的电磁太阳辐射被称为地外辐射。全光谱的平均积分值为1367 W/m²(太阳常数)。

通常,太阳和大气辐射波长的测量单位是纳米(nm,10-9 m),而红外线辐射的测量单位是微米(µm,10-6 m)),测量范围如下表所示。在天文学以及一些旧书籍中,可能还会看到以埃格斯特朗(Å,10-10 m)作为波长单位使用。

气象应用中太阳和大气辐射的波长

短波

UV-C

100~280nm

由太阳发射,在到达地面之前全部被地球大气吸收。

UV-B

280~315nm

由太阳发射,90%被地球大气吸收,但生物活性强,会引起晒伤。

UV-A

315~400nm

由太阳发射,大部分到达地面,但没有较大的生物活性不强。

可见光

400~780nm

紫色到红色(彩红颜色)的可见光

长波(红外线)

近红外

780nm~3μm

来自太阳的热辐射

远红外

3μm~50μm

来自大气、云层、地球和周围环境的热辐射

具有气象学意义的光谱范围为300nm~3000nm(短波辐射)。所有地外辐射中有96%位于该光谱范围内。太阳光谱的最大辐射强度出现在500nm,接近可见光范围的蓝端。

完整的光谱包含紫外线(UV)、可见光(Vis)和红外线(IR)波长。但是,这些波长范围需根据具体的应用领域加以细分。其中最有名的是彩虹颜色——可见光的棱镜色。IR又分为近红外线(NIR)和远红外线(FIR)。

UV通常细分为UV-A、UV-B和UV-C辐射。在到达地球的总太阳辐射中,有大约6%是紫外线。短波长(高频)的能量大,因此对生物和化学系统的影响更大。

在穿过大气层时,太阳辐射会因为下列作用而衰减:

紫外线范围

被分子和气溶胶颗粒散射,以及被臭氧、二氧化硫、二氧化碳和其他微量气体所吸收。

可见光范围

被分子和气溶胶颗粒散射,以及被气溶胶颗粒、臭氧和其他微量气体少量吸收。

红外线范围

被水蒸气和气溶胶吸收但少量散射。

大气上层的臭氧分子能够过滤掉紫外线辐射,且其过滤作用会随着波长变短而增强。当几乎所有的UV-A辐射到达地面时,臭氧吸收掉将近90%的UV-B辐射和所有的UV-C辐射。在此期间,大气中的氧气也会产生新的臭氧(O³),强化这一作用过程。

大气臭氧含量的改变对UV-B辐射量的影响尤为显著。臭氧层浓度升高,表明UV-B辐射减少,而臭氧层浓度下降,则表明到达地表面的UV-B辐射增多。

太阳辐射对大气、陆地和海洋中的各种化学、生物和物理现象起到了推动作用。

到达地球表面的太阳辐射的主要作用是使地球变暖,这是我们人类赖以生存的条件。30%的地外太阳辐射(下图黄色)被反射回到太空,而大约51%被陆地和水吸收,剩下的19%则被云层和大气吸收。


长波远红外辐射(FIR)显示为红色,大部分转化为从陆地、水、云层和大气重新辐射回来的短波能。总能量中只有一小部分留在地球上,但足以维持地球上的所有生物进程并推动天气系统的演化发展。

当然,反射和重新辐射回的能量中存在的变化差异会影响到地面与大气之间的能量平衡,这种能量平衡反过来又会影响到气象条件和其他生物进程,例如植物的生长。

人们对人类赖以生存的环境和生活方式的关注日益增加,加之对更高农作物产量的追求,我们有必要掌握有关入射辐射和反射辐射的可用准确信息。在这方面,首要关注点在于不同波长条件下辐射强度的分布情况。

如今,太阳辐射测量在多个不同的应用领域均显现出极为重要的作用,例如气候学、气象学、水文学、污染预测、太阳能、农业和材料测试等。

来源:由Reinhold Rösemann完成的“太阳辐射测量”一书

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