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太陽輻射在大氣層中的衰減
太陽輻射發(fā)射至地球,不但要經(jīng)過遙遠(yuǎn)的旅程,并且還要遇到各種阻欄,受到各種影響。地球表面被對流層、平流層和電離層大氣緊緊地包圍。其總厚度在
1200km以上,當(dāng)太陽從l.5×108km的遠(yuǎn)方將其光熱和微粒流以3×105km/s的速度向地球輻射時,將受到地球大氣層的干擾和阻擋。
地球是個大碰體。在它周圍形成了一個很大的磁場。磁場控制1000km以上直至幾萬千米,甚至高達(dá)幾十萬下米的廣大區(qū)域,叫做地球的碰層,當(dāng)太陽微粒輻射射向地球時,其受磁縣陽擋而不能到達(dá)地面。即使有少數(shù)微粒闖入,往往也被磁層內(nèi)部的磁場俘獲。這是地球?qū)μ栞椛渌O(shè)置的“第一道防線”
在地球磁層下面的地球大氣層中,對流層、平流層和電離層都對太陽輻射有吸收、反射和散射作用。其中,電離層不僅可以將太陽輻射中的無線電波吸收掉或反射出去,而且會使有害的紫外線部分和X射線部分在這里受阻。這就是“第二道防線”,
在距地球水平面24km左右的大氣平流層中,有一個臭氧特別豐富的層次,叫做臭氧層。良氧層的作用很大,可以將進(jìn)人這里的絕大部分紫外線吸收掉。因此,臭氧層又構(gòu)成了“第三道防線”。由于地球設(shè)置了以上“三道防線”,因此可以把太用輻射中的有害部分消除,從而使得人類和各種生物得以保護。
由于大氣層的存在和影響,到達(dá)地球表面的太陽輻射可分成兩個分:一部分為直接輻時,這是不改變方向的太陽輻射:另一部分則為散射輻射,這是被大氣層或云層反射和散射后改變了方向的太陽輻射。兩者之和稱為總輻射。一般來說,睛朗的白天直接輻射占總輻射的比例大,而陰雨天放射輻射占總輛射的比例大。利用太陽能,實際上是利用太陽總輻射,但是,對于多數(shù)太陽能利用設(shè)備來說,特別是聚光集熱裝置,則是利用直接輻射部分,
總之,據(jù)觀測和計算,到達(dá)地球大氣層上界的太陽輻射功率為1.77×1017W,經(jīng)過大氣層后受到衰減。其中,被大氣分子和塵埃反射回宇宙空間的太陽輻射功率為5.2×1016W.約占30%:被大氣所吸收的部分為4.0×1016W,約占23%;因此,穿過大氣層到達(dá)地球表面的太陽輻射功率則為8.1×1016W.約占47%.也就是說,能穿過大氣到達(dá)地球表面的太用能還不及到達(dá)地球大氣層上界的一半,此外,地球表面的海洋面積占79%,這樣,到達(dá)防地表面的太陽能輻射功率盡占到達(dá)整個地球表面的太陽輻射功率的21%。即大約為1.785×1016W。
2.影響地面太陽幅照度的因素
影響地面太陽幅照度的因素很多,某一具體地點的太陽輻照度大小由下述因素的綜合結(jié)果決定,
(1)太陽高度角
對于地球的某一點,太陽高度角是指太陽光的入射方向和地平面之前的交角,即某地太陽光線與該地作垂直于地心的地表切線的夾角,簡稱太陽能高度。
由于地球大氣層對太陽輻射有吸收,反射和散射作用,因此,紅外線、可見光和紫外線在光射中所占的比例也隨著太陽高度角的變化而變化,當(dāng)大陽高度角為90°
時,在太陽能光譜中,紅外線占50%,可見光占46%,紫外線占4%;當(dāng)太陽高度為5%時,紅外線占72%,可見光占28%,紫外線則接近于O.
一天中,太陽高度角是不斷變化的,同時,在一年中也是不斷變化的。對于某處地平面來說,太陽高度角較低時,光線穿過大氣的路程較長,輻射能衰減得就較多、同時,又因為光線以較小的角投射到該地平面上,所以到達(dá)地平面的能量就較少。反之,則較多。
(2)大氣質(zhì)量
太陽輻射信受到在減作用的大小,與太陽輻射穿過大氣路程的長短有關(guān)。路程越長,能量損失的就越多;路程越短,能量損失的越少,大氣質(zhì)量就是太用輻射通過大氣層的無量綱路程,將其定義為太陽光通過大氣層的路徑與太陽光在天頂方向時射向地面的路徑之比。令海平面上太陽光垂直人射的路徑為1,即無量綱距為m=1.
3)大氣透明度
在大氣層上界與光線垂直的平面上,太陽輻射度基術(shù)上是一個常數(shù),但是在地球表面上,太陽輻照度卻是經(jīng)常變化的。這主要是山大氣透明程度不同所引起的。大氣道明度是表征大氣對于太陽光線透過程度的一個參數(shù)。在晴朗無云的天氣,大氣透明度高,到達(dá)到面的太陽輻射能就多。天空云霧很多成風(fēng)沙灰塵很大時,大氣透明度很低,到達(dá)地面的太陽輻射能就較少?？梢?大氣遺明度是與天空中云量的多少以及大氣中所含灰塵等雜質(zhì)的多少害切相關(guān)的。為了考慮大氣透明度對太陽輻射的影響,經(jīng)繁鎖的公式推導(dǎo)后,將其制成表如下可查出不同太陽高度角和大氣透明度下的太陽直接輻照度。
(4)地理緯度
太陽輻射能量是由低緯度向高緯度逐漸減弱的。假定不同緯度地區(qū)的大氣透明度是相同的。在這樣的條件下進(jìn)行比較,如圖下圖所示,春分中午時刻的太陽垂直照射到地球赤道F點上,設(shè)同一經(jīng)度上有另外兩點B、D,且B點緯理比D點緯度高。由下圖可知,陽光射到B點所需經(jīng)過大氣層的路程AB比陽光射到D點所經(jīng)過大氣層的路程CD長。所以,B點的垂直輻射能顯將比D點的小。在赤道上F點垂直輻射通量最大,因為陽光在大氣層中經(jīng)過的路程EF最短,例如,地處高緯度的俄羅斯的圣彼得堡(北緯60°),每年lcm2的面積上,只能獲得335kJ的熱址。而在我國首都北京,地處中緯度(北緯39°67′),可得到586kJ的熱量,在低緯度的撒哈拉沙漠地區(qū)則可得到921kJ的熱量。
(5)日照時間
日照時間也是影響地面太陽輛照度的一個重要因素。如果某地區(qū)某日白天有14h,若其中陽天時間26h,而出太陽的時間小于或等于8h,那么,就可稱該地區(qū)那一天的日照時間是8h.日照時間越長,地面所獲得的太陽總輻財量就越多。
(6)海拔高度
海拔越高,大氣透明度越好,從而太陽的直接福射量也就越高。中國西藏高原地區(qū),由于平均海拔高達(dá)4000m以上,且大氣清凈、空氣干燥,緯度又低,因此太陽總輻射量多介于6000-8000MJ m2,直接輻射比重大,
此外,日地距離、地形、地勢等對太用輻照度也有一定的影響,在同一緯度上盆地氣溫要比平川高,陽坡氣溫要比陰坡高等。
