太阳辐射..pdf
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1、太阳辐射一、太阳辐射光谱和太阳常数太阳辐射光谱太阳辐射中辐射能按波长的分布,称为太阳辐射光谱,见图2.4。从图中可看出,大气上界太阳光谱能量分布曲线,与用普朗克黑体辐射公式计算出的6000K 的黑体光谱能量分布曲线非常相似。因此可以把太阳辐射看作黑体辐射。太阳是一个炽热的气体球,其外表温度约为 6000K,内部温度更高。根据维恩位移定律可以计算出太阳辐射峰值的波长m的部分少。在全部辐射能中,波长在0.154m 之间的占 99%以上,且主要分布在可见光区和红外区,前者占太阳辐射总能量的约50%,后者占约 43%,紫外区的太阳辐射能很少,只占总量的约 7%。太阳常数太阳辐射通过星际空间到达地球外表
2、。当日地距离为平均值,在被照亮的半个地球的大气上界,垂直于太阳光线,每秒每平方米的面积上,获得的太阳辐射能量称为太阳常数,用Rsc(Solar constant)表示,单位为W/m2。太阳常数是一个非常重要的常数,一切有关研究太阳辐射的问题,都要以它为参数。关于太阳常数的研究已有很长历史了,早在 20世纪初,人们就已经通过各种观测手段估计它的取值,认为大约应在 13501400W/m2 之间。太阳常数虽然经多年观测,由于观测设备、技术以及理论校正方法的不同,其数值常不一致。据研究,太阳常数的变化具有周期性,这可能与太阳黑子的活动周期有关。在太阳黑子最多的年份,紫外线部分某些波长的辐射强度可为太
3、阳黑子最少年份的20 倍。近年来,气候学家指出,只要地球的长期气候发生 1%的变化,就会引起太阳常数的变化。目前已有许多无人或有人操作的空间实验对太阳辐射进行直接观测,并在宇宙空间实验站设计了名为“地球辐射平衡”的课题,其中一个重要项目就是对太阳辐射进行长期监视。这些观测数据将对进一步了解大气物理过程及全球气候变迁的原因有很大帮助。1981 年世界气象组织推荐的太阳常数值 Rsc=13677W/m2,通常采用 1367W/m2。二、太阳辐射在大气中的衰减太阳辐射通过大气层后到达地球外表。由于大气对太阳辐射有一定的吸收、散射和反射作用,使投射到大气上界的辐射不能完全到达地外表。图 2.4 最下面
4、的实曲线表示太阳辐射通过大气层被吸收、散射、反射后到达地表的太阳辐射光谱。图 2.4 大气上界和地面的太阳辐射光谱m,据估计,太阳辐射因水汽的吸收可减弱约4%15%。氧只对波长小于 02m 附近的辐射吸收较强,但该区域的太阳辐射较弱,被吸收后对整个太阳辐射的影响可忽略。悬浮在大气中的水滴、尘埃、污染物等杂质,对太阳辐射也有吸收作用,大气中这些物质含量越高,对太阳辐射吸收越多,如在工业区、森林火灾、火山爆发、沙尘暴等,太阳辐射都有明显减弱。总之,大气对太阳辐射的吸收,在平流层以上主要是氧和臭氧对紫外辐射的吸收,平流层至地面主要是水汽对红外辐射的吸收。被大气成分吸收的这部分太阳辐射,将转化为热能而
5、不再到达地面。由于大气成分的吸收多位于太阳辐射光谱两端,而对可见光部分吸收较少,因此可以说大气对可见光几乎是透明的。2 大气对太阳辐射的散射太阳辐射进入大气时将遇到空气分子、尘粒、云雾滴等质点,都要产生散射现象。散射不像吸收那样是把辐射转变为热能,而只是改变辐射的方向,使太阳辐射以质点为中心向四面八方传播,使原来传播方向上的太阳辐射减弱。见图2.5。如果太阳辐射遇到的散射质点的直径比入射辐射的波长要短如空气分子,则对入射辐射中波长较短的辐射的散射强,也即辐射波长愈短,散射愈强;而对波长较长的辐射散射弱。对于一定大小的分子来说,散射能力与波长的四次方成反比。这种散射是有选择性的,称为分子散射,也
6、叫雷利 Rayleigh散射。m的散射系数为红光的 6.4 倍。当大气中的水汽、尘粒等杂质较少时,主要是空气分子散射,太阳辐射中波长较短的蓝紫光被散射得多,所以晴朗的天空呈蔚蓝色。日出、日落时,因光线通过大气路程长,可见光中波长较短的光被散射殆尽,所以看上去太阳呈桔红色。当太阳辐射遇到的散射质点的直径是比入射的波长大的粗粒质点,辐射虽然也被散射,但这种散射是没有选择性的,即辐射的各种波长都同样地被散射。这种散射称粗粒散射,也称米(Mie)散射。例如当空气中污染较严重或存在较多的雾粒或尘埃等杂质时,一定范围的长短波都同样地被散射,使天空呈灰白色。大气云层及颗粒物对太阳辐射的反射大气中的云层和较大
7、颗粒物能将部分太阳辐射反射回宇宙空间。其中云的反射能力最强。云的反射能力随云状、云量和厚度的不同而不同。见图 2.6,一般情况下云的平均反射率为0.500.55。如果按地球平均云量为5 计算,太阳辐射就有近25%被云反射回空间,因此云的反射作用对太阳辐射影响很大。上述提到的大气对太阳辐射的衰减三种方式中,以反射作用最为重要,尤其以云层对太阳辐射的反射最为明显,散射作用次之,吸收作用相对最小。三、到达地面的太阳辐射到达地面的太阳辐射由两部分组成:一是太阳以平行光的形式直接投射到地面上的,称为太阳直接辐射用 Rsb(Direct beam solarradiation)表示;另一个是经过散射后到达
8、地面的,称为散射辐射用 Rsd(Diffuse solar radiation)表示,两者之和就是到达地面的太阳总辐射,用 RsSolar radiation表示,Rs=Rsb+Rsd。直接辐射太阳以平行光形式投射到地面的直接辐射Rsb是地球外表获得太阳辐射最主要来源。它的强弱由下式表示:Rsb=amRcsinh2.8式中 Rsc是太阳常数 1367W/m2,h是太阳高度角,a 是大气透明系数,m 是大气质量数。从式中可以看出,太阳直接辐射与太阳高度角、大气质量数和大气透明系数有关。1太阳高度角太阳平行光线与水平面之间的夹角称为太阳高度角。太阳直接辐射随太阳高度角的增大而增大。一方面是由于太阳
9、高度角(h)愈小时,等量的太阳辐射能散布的面积愈大,则单位面积上接受到的能量就愈少。另一方面,因为太阳高度角愈小时,太阳光穿过的大气层就愈厚,大气对太阳辐射的减弱作用就愈强。所以到达地面上的辐射就愈少。太阳高度角的计算式为:h=arcsinsinsin+coscoscos 15(t-12)2.9式中是当地的纬度;是太阳赤纬也称太阳倾角,可根据天文年历查到;t 是地方时,按 24 h 计算每小时 15。例如:北京()6 月 22 日(夏至)下午 1点半(t=13.5)的太阳高度角:harcsinsin 40+cos 40cos 23.4 cos 15(13.5-12)652大气质量数在标准状况下
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