太阳辐射和大气科学测量专家

简介

太阳

太阳是太阳系的重力中心,为我们的地球提供能量。正是太阳直接或间接发射出的能量,才使得地球上存在生命。

太阳发射出的能量值为3.72 X 1020 MW,相当于其表面每平方米的辐射功率达63MW。在地球与太阳之间的平均距离条件下,地球大气顶界垂直于太阳光线的每平方米表面上接受的太阳辐射量为1.367 kW,被称为太阳常数。

太阳的最外层相对较薄,厚度为400km,被称为光球层,温度大约为5770K。该层发射出的辐射光谱肉眼可见,因此称之为“光”。

地球与太阳之间的平均距离大约为1.5亿千米。每年1月初,地球到达距离太阳最近的点(近日点——1.47亿千米)。6个月过后,地球在7月4日到达距离太阳最远的点(远日点——1.52亿千米)。这意味着,由于日地距离的不同,1月份到达地球大气的直接太阳辐射强度要比7月4日当天高7%(参见下图)。然而,日地距离的差异仅对地球上的季节温度产生微弱影响。

 


大气

地球大气层对到达地面的太阳辐射强度具有重要影响。大气层的高度大约为70~80km,主要由氮气(约78%)和氢气(约21%)组成。剩余的1%则由大约12种其他气体加上水蒸气组成,但是它们对气候和环境起到重大作用,例如甲烷和二氧化碳等温室气体。

图2:大气层

大气层的单个分层各有不同,因此按照特定术语进行了分类,如图2所示。

最底层命名为对流层。该层的云层最多,直达对流层顶。对流层顶是对流层与平流层之间的边界,位置介于11km~16km高度之间,具体由地球上空位置和大气条件决定。

平流层的空气湿度非常低,因此几乎无云。臭氧层主要位于平流层的15~85km高度之间。平流层以上是中间层,自地表面以上的起始高度大约为50km。中间层以上是电离层,也被称为热大气层,高度达640km左右。电离层以上是作为外边界的外逸层,高度达9600km。在此之上是行星际空间。

整个大气质量的一半位于地面以上最初的5~6km高度。地外太阳辐射在穿过大气时,云层内的空气分子、气溶胶颗粒、水滴和冰晶会使其出现散射和吸收现象,削弱太阳辐射量。

整个光谱范围内都会发生太阳辐射散射,但会以不同方式出现:

  • 云层内水滴和/或冰晶造成的散射,在整个光谱范围内分布相对均匀;
  • 分子造成的散射(瑞利散射),主要为短波辐射;
  • 气溶胶颗粒造成的散射(米氏散射),波长取决于粒径和颗粒分布状况。

气体分子和气溶胶对太阳辐射的吸收率较高。大气中的散射和吸收现象会影响太阳辐射到达地面的光谱平衡。

图3为理想大气条件下海平面上的典型太阳辐射光谱。

图3:海平面上的太阳辐射

大气内部气压和气温的变化会影响吸收率,因此影响到海平面上以及海平面以上不同高度位置上的光谱。

地球

到达地表面的辐射量和辐射类型取决于大气不断变化的特性。其他重要因素还包括地球的质量大小及其在太空中所处的位置,但是造成地球吸收或反射的辐射量的关键因素在于地表面的具体构成组分。

太阳为地球表面提供其99.98%以上的能量,剩余的则是内部地热能。这使得地球表面平均温度达14℃,尽管局部位置可能会出现暂时性的极端变化。实测地球最高温度在利比亚,高达57.3℃,而最低温度在南极洲,低达-89.2℃。

图4:太阳辐射入射角

随着地球围绕太阳转动并围绕其地轴自传,太阳辐射入射角会持续发生变化。辐射强度与入射角之间的比值可描述为一个余弦函数,也被称为兰贝特定律(参见图4)。

同时,地轴的23.5°倾角也会造成一定影响,如图5所示。其中首要因素是每日不同时段期间入射角的变化。

图5:地球倾角

地球不是一个平面,而是几乎呈球状。其重力作用的存在使得大气层像层外壳一样包围在地球周围。因此,地表面的弯曲度和大气的有效厚度会影响到地球表面某一点上的太阳辐射强度。

当太阳升至天顶位置、入射角达到90°且大气厚度为最小值时,太阳辐射达到最高强度。太阳在天空中的位置越低,辐射必须穿过的大气就越多,因此有更多辐射被大气散射和吸收,而到达地面的辐射就越少。

大气有效厚度被称为大气深度。刚超出地平线上的大气深度约比90°(太阳天顶角)位置的最短路径时大11倍,如图6所示。

 
图6:大气深度

 

太阳辐射效应也会受到地表面具体构成组分的影响。众所周知,有雪覆盖的表面所反射的辐射量比有树木或黑石覆盖的表面多。入射太阳辐射被表面反射的比例被称为反照率。

请继续阅读有关太阳辐射以及气象测量参数的更多信息。

来源:由Reinhold Rösemann完成的"太阳辐射测量"一书