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太阳光

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中国大陆四川乐山某高校,一个阳光照射下的花坛
中国大陆四川乐山某高校,一个阳光照射下的花坛
在英国北爱尔兰邓斯坦伯城堡穿过云照射的阳光。
在英国北爱尔兰邓斯坦伯城堡穿过照射的阳光。

太阳光,广义的定义是来自太阳所有频谱电磁辐射。在地球,阳光显而易见是当太阳在地平线之上,经过地球大气层过滤照射到地球表面的太阳辐射,则称为日光

当太阳辐射没有被云遮蔽,直接照射时通常被称为阳光,是明亮的光线和辐射热的组合。世界气象组织定义“日照时间”是指一个地区直接接收到的阳光辐照度在每平方米120瓦特以上[1]

阳光照射的时间可以使用阳光录影机、全天空辐射计或日射强度计来记录。阳光需要8.3分钟才能从太阳抵达地球。

直接照射的阳光亮度效能约有每瓦特93流明的辐射通量,其中包括红外线可见光紫外线。明亮的阳光对地球表面上提供的照度大约是每平方米100,000流明或 100,000勒克司。阳光是光合作用的关键因素,对于地球上的生命至关重要。

计算

若要计算抵达地面的阳光数量,不仅要计算地球黄道上的轨道位置,还有地球大气层造成的衰减,都需要考虑在内。在地球大气层外的太阳照度(Eext),使用在一年内的日数(dn)修正椭圆轨道的数值是:

此处,在1月1日dn=1,1月2日dn=2,在2月1日dn=32,依此类推。在这个算式中使用dn-3,是因为在现在,地球最接近太阳近日点通过时间是1月3日,因此Eext的最大值必须对应的出现在每年的1月3日。

太阳照度常数(Esc)相当于128×103 lx。直接照射的正常照度(Edn),修正大气层衰减的影响后是:

此处c是大气层的消光系数,m是相对的光学气团

太阳常数

1903年蓝利的测辐射热移的纪录,使用的错误的太阳常数值:2.54卡/分/平方公分。
1903年蓝利的测辐射热移的纪录,使用的错误的太阳常数值:2.54卡/分/平方公分。
在大气层顶的太阳辐照度光谱,横坐标是以线性尺度的波数来描绘的。
在大气层顶的太阳辐照度光谱,横坐标是以线性尺度的波数来描绘的。

太阳常数是在1天文单位(大约相当于地球到太阳的平均距离)的距离,且垂直于太阳辐射平面的单位面积上,测量到来自太阳的电磁辐射的总通量。在地球大气层外的表面测量太阳的辐照度[2],可以和使用平方反比定律推导出的太阳常数来比较和调整,推导出在1天文单位上的太阳常数[3]

太阳常数不只是可见光,它包含了全部类型的太阳辐射,他大概的数值是每平方米1.366千瓦(1.366 kW/m²) [2][4][5]。在大气层顶部实际测量的辐照度因为日地距离的变化,在一年中约有6.91%的变化(从1月初的1.412kW/m²到7月初的1.321kW/m²),而通常在每一天的变化量小于千分之一。因此,整个地球(地球的截面积是127,400,000平方公里)得到的能量是1.740×1017 W±ˇ3.5%。长期下来,太阳常数是会变化的(参见太阳活动),但是在一年当中的变化量远小于因为椭圆轨道的距离变化造成的太阳辐照度的变化。这个平均数值[2],1.366kW/m²,相当于每平方公分每分钟1.96卡,或是每分钟1.96兰利(Ly)

地球接收的总辐摄取决于地球的截面积(π·RE²),但是因为自转为使这些能量分散在整个表面积(4·π·RE²)。再考虑到太阳光入射的角度,和任何时刻都有半个地球表面不会被阳光照到,因此平均的太阳入射辐射量通常不会超过太阳常数的四分之一(大约是342W/m²)。而在任何给定的时刻,在地球的表面上的某个位置接收的太阳辐射量,取决该位置的纬度和大气层的状态。

太阳常数不仅是可见光的部分,还包括太阳光中所有波长的电磁辐射(参见电磁频谱)。它与太阳的视星等,-26.8等,也有关联,虽然太阳的视星等只以太阳的可见光辐射做基础,但太阳常数和太阳的视星等是描述太阳视亮度的两种方法。

在1884年,塞缪尔·彭尔庞特·兰利在加州的惠特尼山企图测量太阳常数,他在一天的不同时刻来读取资料,希望能消除大气吸收造成的影响。但是,他得到的2.903kW/m²依然是太大的数值。在1902年至1957年间,查理斯·艾博特和其他人在不同的高度上测量出太阳常数在1.322和1.465kW/m²之间。艾伯特证明兰利的数据被错误的引用并作了更正,他的结果改成在1.89和2.22卡(1.318至1.548kW/m²)之间,这种变化似乎是来自太阳而不是地球大气层。

从太阳看地球的角直径大约是1/11,000弧度,意思是从太阳看地球的立体角大约是1/140,000,000球面度。因此,地球获得的能量是太阳辐射能量的20亿分之一,换言之太阳辐射的能量大约是3.86×1026[6]

太阳系内的阳光强度

太阳系内不同天体接收到的阳光强度与太阳距离的平方成反比,下面的表粗略的比较了太阳系内每个行星接收到的强度(资料来自[1]):

行星 近日点 - 远日点
距离(AU
太阳辐射
最大值和最小值
(W/m²)
水星 0.3075 – 0.4667 14,446 – 6,272
金星 0.7184 – 0.7282 2,647 – 2,576
地球 0.9833 – 1.017 1,413 – 1,321
火星 1.382 – 1.666 715 – 492
木星 4.950 – 5.458 55.8 – 45.9
土星 9.048 – 10.12 16.7 – 13.4
天王星 18.38 – 20.08 4.04 – 3.39
海王星 29.77 – 30.44 1.54 – 1.47

被观测到的表面在阳光下的实际亮度也取决于大气层的存在与否和构造。例如,金星浓厚的大气层反射所接受到阳光的60%,因此在表面实际的照度是14,000勒克司,相当于地球上被云层遮蔽的灰濛濛的白天[7]

火星上的阳光会或多或少的像在地球上带着太阳眼镜下的日光,并且从火星车传回的图片中可以看到,天空中有足够多漫射的辐射,因此阴影的区域不会过度的黑暗。因此给我们的感觉和看法是很像地球的白天。

作为对比,土星上的阳光比地球上日出或日落时的阳光明亮一些(参见日光的比较表)。即使在冥王星,阳光依然有足够的亮度,几乎可以与起居室的平均亮度相匹配。到500天文单位(~69光时)的距离上,阳光会暗淡至大约是地球在满月下的光度。在太阳系中已经被发现存在于这个距离上的天体只有少数几个,像是90377 Sedna2000 OO67

成分

在大气层之上和表面的太阳辐照度光谱。
在大气层之上和表面的太阳辐照度光谱。

太阳的太阳辐射光谱与温度5,800K黑体非常接近。其中约有一半的电磁频谱可见光的短波范围内,另一半在近红外线的部分,也有一些在光谱的紫外线[8]。当紫外线没有被大气层或其他的保护涂料吸收,它可能导致皮肤的晒伤或触发人类皮肤色素的自我调整变化。

光谱在100至106纳米电磁辐射不断的轰击地球大气层,按波长的升幂排列,它们可以分成五个区域[9]

  • 紫外线C(Ultraviolet C)或UVC的范围跨越100至280纳米。紫外线这个名词意味着辐射的频率比紫色还高(因此人的眼睛看不见它)。由于会被大气层吸收,因此只有非常少的量能够抵达地球的岩石表面。这种辐射光谱的特性是有杀菌力,和使用为杀菌灯
  • 紫外线B或UVB的范围从280至315纳米。它也被大气层大量的吸收,并且和紫外线C一起导致光化学反应制造出臭氧层
  • 紫外线A或UVA的范围从315至400纳米。一般认为它对DNA的伤害最小因此常用来晒黑和做为牛皮癣的PUVA疗法。
  • 可见范围或的范围从400至700纳米。如同名称所暗示的,这是肉眼可以看见的范围。
  • 红外线的范围从700纳米至106纳米[1(mm)]。在到达地球的电磁辐射中它们是很重要的一部分,依据波常可以分成三种类型:
    • 红外线-A:700纳米至1,400纳米
    • 红外线-B:1,400纳米至3,000纳米
    • 红外线-C:3,000纳米至1毫米

表面照度

表面照度的频谱范围取决于太阳高度所受到大气层的影响,在日出和日落前后的暮曙光分别取决于蓝色光谱被大气散射所支配的成分,红光则主宰著日出和日落的颜色。这些影响很明显的呈现在自然光的摄影上,此处的照明原则上是透过大气层媒介的阳光。

依据Craig Bohren的看法,"当太阳接近地平线时,经过地平线长路径上的阳光被臭氧层优质吸收,造成天顶上的天空呈现蓝色"[10]

更详细的说明可以参见天空辐射的扩散。

气候效应

文化方面

眼睛经常暴露强烈日光下,极易受伤,牛顿曾直视日光好几小时,几乎把自己搞瞎,然后得待在暗室里好几天才恢复视力[11];但也有人能直视日光而无碍,沈复的《浮生六记·幼时记趣》称:“余忆童稚时,能张目对日。”许多人发现直射的阳光过于明亮而使人不舒服,特别是在阳光下阅读白色报纸的时候。的确,在直射的阳光下阅读有可能造成永久性的视觉损伤。为了减轻阳光的照射强度,许多人戴起了太阳眼镜汽车头盔帽子也装备了护目镜等遮挡物来阻碍阳光从低角度直接射入眼睛。 而在一些较冷的国家,大多数人更喜欢阳光相对灿烂的日子而且经常避免荫凉。在热一些国家情况正好相反,在正午时分,人们更愿意待在屋内保持清凉。如果他们外出,也喜欢待在例如树或阳伞等遮挡的荫凉下。 人们通常利用遮光帘,遮阳篷,百叶窗或窗帘以阻挡阳光进入室内。

日光浴

日光浴是一项流行的休闲活动,人直接坐在或躺在阳光下的来享受阳光。人们通常在舒适而阳光充足的地方进行日光浴。一些包括海滩、露天游泳池、公园、花园、人行道、咖啡馆等在内的公共场所是公认的日光浴去处。日光浴者通常只穿少量的衣服或穿泳衣。另外,在裸体主义流行地区,一些日光浴者更喜欢一丝不挂的享受阳光。

对于许多非黑种人来说,日光浴的主要或附加作用上使他们的肤色变深一些(晒成一身古铜色),这在一些文化中被认为是经常户外运动,经常度假的结果,因此被认为是美丽而健康的。一些人喜欢裸体日光浴的另一个原因是他们希望全身均等的接收阳光的照射。

皮肤颜色变深的本质原因是皮下黑素细胞中的黑色素增多。而这是身体结构对过度紫外线(来自太阳或人造太阳灯)的自然反应。因此,一旦人不再暴露在这些紫外源下,随着时间的流逝,黑色就会逐渐消失。黑色或较暗肤色的人则表现着一种从他们远古祖先(居住在热带地区,例如非洲)那里得来的进化优势。

对健康的负面影响

最后要指出的是,古铜色并不单表示健康,长时间的过度暴露在日光下被认为与多种皮肤癌有关,而他们是由日光或日光灯中的过度紫外线所引起的。为防止从轻度的晒伤到严重的灼伤的不良影响,应该适当使用防晒霜或其他防晒药剂。紫外线的另一个有害影响是它能加速皮肤脱皮(也叫皮肤光损伤)。近十年臭氧层量的减少使得上述健康灾难发生的几率增加许多。所以那些每天暴露在强日光下的人,应该采取必要的措施。

相关条目

参考资料与注释

  1. ^ Chapter 8 – Measurement of sunshine duration (PDF). CIMO Guide. World Meteorological Organization. [2008-12-01]. (原始内容 (PDF)存档于2016-05-15). 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 Satellite observations of total solar irradiance. [2010-05-24]. (原始内容存档于2011-07-16). 
  3. ^ 存档副本. [2010-05-24]. (原始内容存档于2009-05-02). 
  4. ^ Willson, R. C., and A. V. Mordvinov (2003), Secular total solar irradiance trend during solar cycles 21–23, Geophys. Res. Lett., 30 (5), 1199, doi:10.1029/2002GL016038 ACR页面存档备份,存于互联网档案馆
  5. ^ Construction of a Composite Total Solar Irradiance (TSI) Time Series from 1978 to present. [2005-10-05]. (原始内容存档于2011-08-22). 
  6. ^ The Sun页面存档备份,存于互联网档案馆) at nine planets.org页面存档备份,存于互联网档案馆
  7. ^ The Unveiling of Venus: Hot and Stifling. Science News. 1976-06-19, 109 (25): 388 [2010-02-03]. 100 watts per square meter ... 14,000 lux ... corresponds to ... daytime with overcast clouds 
  8. ^ Climate Change 2001: The Scientific Basis. [2010-11-19]. (原始内容存档于2007-09-29). 
  9. ^ Naylor, Mark; Kevin C. Farmer. Sun damage and prevention. Electronic Textbook of Dermatology. The Internet Dermatology Society. 1995 [2008-06-02]. (原始内容存档于2008-07-05). 
  10. ^ Craig F. Bohren. Atmospheric Optics (PDF). [2010-12-22]. (原始内容存档 (PDF)于2013-12-06). 
  11. ^ 卡佳坦.波斯基特:《牛顿和他的地心引力苹果》,知书房

延伸读物

外部链接

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