太陽常數

太陽常數

太陽常數指在日地平均距離(D=1.496x108km)上,大氣頂界垂直于太陽光線的單位面積每分鍾接受的太陽輻射。

太陽常數要在地球大氣層之外,垂直于入射光的平面上測量。以人造衛星測得的數值是每平方米大約1366瓦特,地球的截面積是127,400,000 平方公裏,因此整個地球接收到的功率是1.740×10^17瓦特。由于太陽表面常有有黑子等太陽活動的緣故,太陽常數並不是固定不變的,一年當中的變化幅度在1%左右。

  • 中文名稱
    太陽常數
  • 功    率
    3.826×1026瓦特
  • 類    別
    常數
  • 面    積
    127,400,000 平方公裏

定義

​在日地平均距離條件下,地球大氣上界垂直于太陽光線的面上所接受的太陽輻射通量密度,稱為太陽常數。以S.表示,單位為W/m2。

太陽常數太陽常數

太陽常數是一個相對穩定的常數,依據太陽黑子的活動變化,他所影響到的是氣候的長期變化,而不是短期的天氣變化。

太陽常數包括所有形式的太陽輻射,不是隻有可見光的範圍(更詳細的內容可以參考電磁頻譜),它可以聯系到太陽的視星等是-26.8等。太陽常數和太陽的視星等是描述太陽亮度的兩種方法,但是視星等隻有測量太陽在可見光部分的能量輸出。

從太陽看地球的角直徑隻有1/11,000弧,所以從太陽看地球的立體角隻有1/140,000,000球面度。因此,太陽輻射出的能量是地球獲得的20億倍。

原理

由于地球以橢圓形軌道繞太陽運行,因此太陽與地球之間的距離不是一個常數,而且一年裏每天的日地距離也不一樣。眾所周知,某一點的輻射強度與距輻射源的距離的平方成反比,這意味著地球大氣上方的太陽輻射強度會隨日地間距離不同而異。然而,由于日地間距離太大(平均距離為1.5 x 108km),所以地球大氣層外的太陽輻射強度幾乎是一個常數。因此人們就採用所謂 "太陽常數"來描述地球大氣層上方的太陽輻射強度。它是指平均日地距離時,在地球大氣層上界垂直于太陽輻射的單位表面積上所接受的太陽輻射能。通過各種先進手段測得的太陽常數的標準值為1353w/m2。一年的時間中由于日地距離的變化所引起太陽輻射強度的變化不超過上3.4%。

晝夜是由于地球自轉而產生的,而季節是由于地球的自轉軸與地球圍繞太陽公轉的軌道的轉軸呈23°27′的夾角而產生的。地球每天繞著通過它本身南極和北極的"地軸" 自西向東自轉一周。每轉一周為一晝夜,所以地球每小時自轉15°。地球除自轉外還循偏心率很小的橢圓軌道每年繞太陽運行一周。地球自轉軸與公轉軌道面的法線成23.5°。地球公轉時自轉軸的方向不變,總是指向地球的北極。因此地球處于運行軌道的不同位置時,太陽光投射到地球上的方向也就不同,于是形成了地球上的四季變化。每天中午時分,太陽的高度總是最高。在熱帶低緯度地區(即在赤道南北緯度23°27′之間的地區),一年中太陽有兩次垂直入射,在較高緯度地區,太陽總是靠近赤道方向。在北極和南極地區(在南北半球大于90°~23°27′),冬季太陽低于地平線的時間長,而夏季則高于地平線的時間長。

地球公轉地球公轉

測定歷史

1837-1838年,法國物理學家Claude Pouillet(1790-1868)和英國天文學家John Herschel(1792-1871)第一次嘗試直接測定太陽常數。兩人各自獨立設計了不同的測定裝置,但原理一樣。就是利用已知質量的水在太陽光下放置一定時間,用溫度計測量升溫過程,因水的比熱已知,則可以計算得出光照強度。由于都沒有考慮地球大氣對光的吸收,他們推定的值是"現在所用值1367(±4) w/m2的一半左右"。

太陽常數太陽常數

1875年,法國物理學家Jules Violle(Jules Louis Gabriel Violle)在位于法國和瑞士交界的阿爾卑斯山Mont Blanc第一個開展高海拔區測定太陽常數。

1884年,塞繆爾·彭爾龐特·蘭利在加利福尼亞州的惠特尼山首度嘗試測量太陽常數,並經由在不同的日子與時刻進行測量,以嘗試消除地球大氣層吸收的影響。但是他得到的數值並不正確,為2903w/m2,或許是由數學上的錯誤造成的。

1902年和1957年,由查理斯·艾博特和其他人測量的數值分別是1322w/m2和1465w/m2。

根據1978-1998年6顆衛星上的觀測平台近20年連續不斷的觀測結果,得出的太陽常數值為1366.1 W/m2,標準差為425ppm, 0.37%的波動範圍(1363-1368 W/m2)(Lean and Rind,1998)。20年的觀測表明太陽常數存在不同時間尺度的波動。

1957年,國際地球物理年決定採用1380W/m2。

1976年,美國宇航局根據高空平台的觀測結果,發布的太陽常數值為1353(±21)W/m2(TheKaekara,1976)。

1981年,世界氣象組織(WMO)公布的太陽常數值是1368w/m2。

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