地球大气层对太阳辐射的削弱

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地球大气层对太阳辐射的削弱

2016-11-08 作者: xuzhiping 浏览: 5794 次

摘要: 太阳辐射在到达地面之前,要经过大气层,将被大气削弱,使得到达地面的太阳辐射在能量上、光质上发生改变。地球大气层对太阳辐射的主要削弱过程有吸收、散射和反射。 (一)大气对太阳辐射的吸收 大气成分中的水汽、氧、臭氧、二氧化碳及固体杂质等物质对太阳辐射的吸收是具有选...

太阳辐射在到达地面之前,要经过大气层,将被大气削弱,使得到达地面的太阳辐射在能量上、光质上发生改变。地球大气层对太阳辐射的主要削弱过程有吸收、散射和反射。

(一)大气对太阳辐射的吸收

大气成分中的水汽、氧、臭氧、二氧化碳及固体杂质等物质对太阳辐射的吸收是具有选择性的。

大气中含量最多的氮和氧,对太阳辐射的吸收很少,只有氧对波长小于0.2μm的紫外线有较为明显的吸收作用,在波长为0.155μm处吸收最强。

臭氧在大气中含量很少,但它能强烈吸收短波辐射,在波长0.2~0.3μm的紫外线区有很强的吸收带,能使太阳辐射总能量减少2%。其中在0.25μm处吸收最强,对大气有增温作用。臭氧在波长0.44-0.75μm的可见光区有一很宽的吸收带,但吸收作用较弱。

二氧化碳和水汽的吸收带主要是在红外线区。二氧化碳主要吸收4.3μm附近的辐射,水汽吸收最强的是位于红外线区的0.93~2.85μm。

悬浮在大气中的水滴、杂质等也能吸收部分太阳辐射,但作用很小,只有在空气含尘量特大时,如有沙暴、火山爆发等时才会有比较显著的吸收,在一般情况下是可以忽略的。

太阳辐射被大气吸收后转化成热能,不再到达地面。大气成分的吸收多位于太阳辐射光谱两端能量较少的区域,因而吸收对太阳辐射的减弱作用不大,特别是对对流层大气而言,太阳辐射不是主要的直接热源:大气对可见光部分吸收较少,可以说大气对可见光几乎是透明的。

(二)大气对太阳辐射的散射

太阳辐射通过大气层遇到各种气体分子、尘埃、云雾滴等微粒时,能把太阳辐射能向四面八方分散开,这种现象称为散射。大小不同的散射微粒对于太阳辐射的散射作用是不同的。当散射微粒(如空气分子)的直径比人射辐射的波长小时,所发生的散射称为分子散射。分子散射强度与其波长的四次方成反比,也就是说,人射辐射的波长愈短,则散射强度愈强。因此,在太阳辐射通过大气时,波长短的光波,散射的强度大。因为太阳辐射中的青蓝色光的波长比其他颜色光 的波长短,散射的强度大,所以晴空呈现青蓝色。当散射微粒(如云滴)的直径比人射辐射的波长大时,发生的散射与波长无关,即对各种波长的入射辐射都能同样地散射,这种散射称为漫射或粗粒散射。当空气中的尘埃或雾滴较多时,人射的辐射都被同样地散射,所以天空呈现灰白色。太阳辐射经过大气的散射后一方面使得到达地面的辖射量减少(因为一部分改变了方向);另一方面使得太阳辐射中青蓝光的辐射能量比例减少,红橙光的辐射能量比例增加。由此可见,大气的散射作用主要减弱了太阳可见光区的辐射。

(三)云层和尘埃对太阳辐射的反射

大气中的云层和较大颗粒的尘埃能将部分太阳辐射反射到宇宙空间,其中云的反射作用最为显著。云对各种波长的反射无选择性,反射光呈白色。云的反射能力取决于云状和云层厚度。云层愈厚,云量愈多,反射作用愈大。高云的反射率约为25%,中云为50%。低云为65%,通常云层的平均反射率为50%〜55%。

上图表明太阳辐射光谱穿过大气时受到减弱的情况: 曲线1是大气上界太阳辐射光谱;曲线2是臭氧层下的太阳辐射光谱;曲线3是同时考虑到分子散射作用的光谱;曲线4是进一步考虑到粗粒散射作用后的光谱;曲线5是将水汽吸收作用也考虑在内的光谱,曲线5也可近似地看成是地面所观测到的太阳辐射光谱。对比曲线1和曲线5可以看出太阳辐射光谱穿过大气后有如下主要变化:

  • 总辐射能明显地减弱。
  • 辐射能随波长的分布变得极不规则。
  • 波长短的辐射能减弱得更为显著。

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