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太阳常数

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在大气层顶的太阳光谱,横轴是波长
在大气层顶的太阳光谱,横轴是波长

太阳常数太阳电磁辐射通量,也就是距离太阳一天文单位处(约为地球离日平均距离),单位面积受到垂直入射的平均太阳辐射强度。太阳常数包括所有形式的太阳辐射,不是只有可见光。由人造卫星测出的最小值约1.361 kW/m²,最大值约为1.362 kW/m²,差了1%。[1]太阳常数并不是科学技术数据委员会颁布的真正不变的物理常数,而只是一个变动值的平均,在过去400年间变动小于0.2%。[2]

计算

先由位于地球大气层顶端的人造卫星测量太阳辐射的强度,[3]再利用平方反比定律将距离调整为一天文单位以得出太阳常数。[4]测得平均值约为1.3608±0.0005 kW/m²,也就是每分钟81.65 kJ/m²,或是每分钟1.951兰利

太阳辐射输出几乎是常数,其变动值很小,在人造卫星出现之前很难精确侦测(在1954年为±2%),现今测量值约在0.1%范围波动(过去三次太阳黑子十一年周期的平均)[5],可参见太阳周期

历史

1838年,法国物理学家Claude Pouillet,利用自制的简陋直射太阳辐射计,第一次试图直接测定太阳常数,得到数值1.228 kW/m²,[6]与现代估计相符。

1875年,法国物理学家Jules Violle接续了Pouillet的工作,根据他在法国勃朗峰的测量得 得出了较大的测量值 1.7 kW/m²。

1884年,塞缪尔·彭尔庞特·兰利在加州的惠特尼山尝试测量太阳常数,并经由在不同的日子与时刻进行测量,以试图校正地球大气层吸收的影响。但他最后得到的数值2.903 kW/m²明显过大。

在1902年至1957年间,查理斯·艾博特和其他人在几个高海拔地区测量出介于1.322 kW/m²及1.465 kW/m²的数值。艾博特证明兰利所使用的其中一个校正项是错误的。艾博特的结果约在1.318 kW/m²及1.548 kW/m²间波动,这波动来自于太阳本身而非地球的大气。[7]

在1954年,太阳常数估计为2.00 cal/min/sq cm ± 2%。[8]现行数值低了约2.5%。

与其它测量值的关系

太阳辐射

地球大气顶端接受到的太阳辐射会因为地日距离的不同,而在一年里上下变动约6.9%(从二月上旬的1.412 kW/m²到七月上旬的1.321 kW/m²),但逐日变动通常小于0.1%。全地球(地球截面积约为127,400,000 km²)接受到的能量为1.730×1017 W±3.5%[9]。 太阳常数会在长时间内变动(参见太阳周期),但在一年内其变动比大气顶端受到的太阳辐射小得多。这是因为太阳常数是在一天文单位处测量,但是地球受到的太阳辐射会受到地球轨道离心率的影响。地日距离以一年为单位变化,在近日点时约为147.1·106公里,在远日点时约为152.1·106公里。

地球受到的总辐射还取决定地球的截面积(π·RE²),随着地球转动,地球受到的能量会散布在全地球表面(4·π·RE²)。若将未受到太阳照射的那一半也纳入考量的话,平均而言地表受到的能量是太阳常数提供的四分之一(约为340 W/m²)。真正到达地表的能量还会受到大气吸收的影响,一般而言地表受到的太阳辐射会随着天气状况、纬度及时刻而变。

视星等

太阳常数包括所有形式的太阳电磁辐射,不是只有可见光的范围(参见电磁频谱),太阳的视星等为-26.8等和太阳常数有正相关。太阳常数和太阳的星等是描述太阳亮度的两种方法,但是视星等只与太阳的可见光输出有关。

太阳总辐射

从太阳看地球的角直径只有1/11,000,所以从太阳看地球的立体角只有1/175,000,000 球面度。因此,太阳辐射出的能量是地球获得的22亿倍,也就是大约 3.826×1026瓦特。[10]

过去太阳辐射的变化

从太空观测太阳辐射始于1978年,这些观测表明太阳常数不是常数,会随着太阳黑子的11年周期而变。如欲追溯更远的过去,我们必须仰赖其它的数据来重建太阳辐射的强度,像是太阳黑子可追溯400年,而宇宙辐射核种可追溯10,000年。重建结果表明太阳辐射会依不同周期而变动,包含:11年(Schwabe)、88年(Gleisberg cycle)、208年(DeVries cycle)及1,000年(Eddy cycle)。[11][12][13][14][15]

大气环境造成的变化

太阳能量最多约75%的可到达地表[16],即使在无云的天气,大气也会反射及吸收太阳辐射。

相关条目


参考文献

  1. ^ Kopp, G.; Lean, J. L. A new, lower value of total solar irradiance: Evidence and climate significance (PDF). Geophysical Research Letters. 2011, 38: n/a. Bibcode:2011GeoRL..38.1706K. doi:10.1029/2010GL045777. 
  2. ^ http://lasp.colorado.edu/home/sorce/data/tsi-data/ Total Solar Irradiance Data,
  3. ^ 人造卫星之太阳辐射测量值
  4. ^ http://www.ngdc.noaa.gov/stp/SOLAR/ftpsolarirradiance.html
  5. ^ Willson, Richard C.; H.S. Hudson. The Sun's luminosity over a complete solar cycle. Nature. 1991, 351 (6321): 42–4. Bibcode:1991Natur.351...42W. doi:10.1038/351042a0. 
  6. ^ The measurement of the solar constant by Claude Pouillet, by J-L Dufresne, La Météorologie 互联网档案馆存档,存档日期2010-03-05., No. 60, pp. 36-43, Feb. 2008.
  7. ^
     本条目部分或全部内容出自公有领域Chisholm, Hugh (编). Sun. 大英百科全书 第十一版. 剑桥大学出版社. 1911年. 
  8. ^ Francis S. Johnson. The Solar Constant. Journal of Meteorology. December 1954, 11 (6): 431–439. Bibcode:1954JAtS...11..432J. doi:10.1175/1520-0469(1954)011<0431:TSC>2.0.CO;2. 
  9. ^ Archer, D. Global Warming: Understanding the Forecast. 2012. ISBN 978-0-470-94341-0. 
  10. ^ The Sun at nine planets.org
  11. ^ Wang; 等. Modeling the Sun’s Magnetic Field and Irradiance since 1713. The Astrophysical Journal. 2005, 625 (1): 522–538. Bibcode:2005ApJ...625..522W. doi:10.1086/429689. 
  12. ^ Steinhilber et al. (2009), Geophysical Research Letters, Volume 36, L19704, doi:10.1051/0004-6361/200811446
  13. ^ Vieira; 等. Evolution of the solar irradiance during the Holocene. Astronomy & Astrophysics. 2011, 531: A6. Bibcode:2011A&A...531A...6V. arXiv:1103.4958. doi:10.1051/0004-6361/201015843. 
  14. ^ Steinhilber; 等. 9,400 years of cosmic radiation and solar activity from ice cores and tree rings. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2012, 109: 5967–5971. Bibcode:2012PNAS..109.5967S. PMC 3341045. PMID 22474348. doi:10.1073/pnas.1118965109. 
  15. ^ Vieira, L. E. A.; Norton, A.; Kretzschmar, M.; Schmidt, G. A.; Cheung, M. C. M. How the inclination of Earth's orbit affects incoming solar irradiance. Geophys. Res. Lett. 2012, 39: L16104. Bibcode:2012GeoRL..3916104V. doi:10.1029/2012GL052950. 
  16. ^ Reimann, Hans-Georg; Weiprecht, Juergen Kompendium für das Astronomische Praktikum
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