第2章 太陽輻射

2.1 太陽概況

從人類賴以生息繁衍的地球向外看，天空中最引人注目的就是光輝燦爛的太陽，它是一顆自己能發光發熱的氣體星球。太陽的內部可以分為：核心區、輻射區和對流區三層，核心區半徑約為太陽半徑的1/4，質量約占整個太陽質量的一半以上。太陽核心區的溫度高達8×106～40×106K，壓強相當于3000億個大氣壓，使得每秒鐘有質量為6億噸的氫經過熱核聚變反應轉化為5.96億噸的氦，并釋放出相當于400萬噸氫的能量，這些能量再通過輻射區和對流區中物質的傳遞向外輻射，這種反應足以維持50億年。太陽的外部由光球層、色球層和日冕層三層構成。人們看到的太陽表面叫光球層，光球層厚約500km，太陽的可見光幾乎全是由光球層發出的。光球層表面有顆粒狀結構—“米粒組織”。光球層上亮的區域叫光斑，暗的黑斑叫太陽黑子。從光球層表面到2000km 高度為色球層，在色球層有譜斑、暗條和日珥，還時常發生劇烈的耀斑活動。色球層之外為日冕層，它溫度極高，延伸到數倍太陽半徑處，用空間望遠鏡可觀察到X射線耀斑。日冕層上有冕洞，而冕洞是太陽風的風源。太陽的構造如圖2-1所示。

圖2-1 太陽的構造

太陽的直徑約為1.39×109m，相當于地球直徑的109倍。太陽的體積約1.4122×1018km3，約是地球的130萬倍。太陽的平均密度為1.409g/cm3，比水大一些，僅為地球密度的1/4。但是太陽內外的密度是不一樣的，它的外殼大部分為氣體，密度很小，越往里面密度越大，核心的密度可達到160g/cm3，這比鋼的密度還大將近20倍。太陽的總質量為1.9892×1027t，相當于地球質量的33萬倍。太陽的表面溫度約5800K。

太陽光由不同能量的光子組成，也就是具有不同頻率和波長的電磁波，通常將電磁波按波段范圍區分，冠以不同的名稱，如表2-1所示。其中可見光又由于波長的長短呈現不同的色彩，如表2-2所示。

表2-1 電磁波的波長范圍

表2-2 可見光的波長范圍

太陽光譜中能量密度最大值的波長是0.475μm，由此向短波方向，各波長具有的能量急劇降低；向長波方向各波長具有的能量則緩慢減弱（如圖2-2所示）。在大氣層上界，太陽輻射總能量中約有7%的能量在紫外線以下的波長范圍內；47%的能量在可見光的范圍內；46%的能量在紅外線波長范圍內。

太陽每秒鐘釋放出的能量是3.865×1026J，相當于燃燒1.32×1016t標準煤所釋放的能量。太陽與地球的平均距離約1.5×1011m，太陽輻射的能量大約只有1/（22×109）到達地球大氣層上界，大約為3.86×1023kW。其中大約19%被大氣和云層吸收；大約30%被大氣和云層及地面反射回宇宙空間；穿過大氣到達地球表面的太陽輻射能量約占51%，如圖2-3所示。由于地球表面大部分被海洋覆蓋，所以到達陸地表面的太陽輻射能量僅占到達地球范圍內太陽輻射能量的10%。

圖2-2 太陽光譜分布

圖2-3 太陽能量在大氣層中的吸收