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(fā)光發(fā)熱的氣體星球。太陽的內(nèi)部可以分為：核心區(qū)、輻射區(qū)和對流區(qū)三層，核心區(qū)半徑約為太陽半徑的1/4，質(zhì)量約占整個太陽質(zhì)量的一半以上。太陽核心區(qū)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(zhì)量為6億噸的氫經(jīng)過熱核聚變反應(yīng)轉(zhuǎn)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(qū)和對流區(qū)中物質(zhì)的傳遞向外輻射，這種反應(yīng)足以維持50億年。太陽的外部由光球?qū)印⑸驅(qū)雍腿彰釋尤龑訕?gòu)成。人們看到的太陽表面叫光球?qū)樱馇驅(qū)雍窦s500km，太陽的可見光幾乎全是由光球?qū)影l(fā)出的。光球?qū)颖砻嬗蓄w粒狀結(jié)構(gòu)—“米粒組織”。光球?qū)由狭恋膮^(qū)域叫光斑，暗的黑斑叫太陽黑子。從光球?qū)颖砻娴?000km 高度為色球?qū)樱谏驅(qū)佑凶V斑、暗條和日珥，還時常發(fā)生劇烈的耀斑活動。色球?qū)又鉃槿彰釋樱鼫囟葮O高，延伸到數(shù)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(fēng)的風(fēng)源。太陽的構(gòu)造如圖2-1所示。

圖2-1 太陽的構(gòu)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(nèi)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(zhì)量為1.9892×1027t，相當于地球質(zhì)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(qū)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(xiàn)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(nèi)；47%的能量在可見光的范圍內(nèi)；46%的能量在紅外線波長范圍內(nèi)。

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(nèi)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