直接輻射

太陽直接輻射的強弱與許多因子有關(guān)，如太陽輻射角、大氣透明度、云況、海拔高度等因素，其中前兩個是最主要的因素。

（1）太陽高度角

太陽高度角不同時，地表面單位面積上所獲得的太陽輻射也就不同。這主要是存在以下兩個方面的原因：

①太陽高度角不同，等量的太陽輻射在地面上的散布面積不同。如圖1所示，太陽高度角越小，等量的太陽輻射散布的面積就越大，地表單位面積上所獲得的太陽輻射就越小。

圖1 太陽高度角與受熱面大小的關(guān)系

②太陽高度角越小，太陽輻射穿過的大氣越厚，太陽輻射被減弱越多。如圖2所示，當(dāng)太陽高度角為90°時，通過大氣層的射程為AO；當(dāng)太陽高度角變小時，光線沿CO方向斜射，通過大氣的射程為CO。顯然，大氣厚度CO大于AO，因此太陽輻射被減弱也較多，到達(dá)地面的直接輻射就較少。

圖2 太陽高度角與太陽輻射穿過大氣質(zhì)量的關(guān)系

為了更好地理解這個概念，在此給出“大氣光學(xué)質(zhì)量”的概念。指的是在地面為標(biāo)準(zhǔn)氣壓（1013百帕）時，太陽光垂直投射到地面所經(jīng)路程中單位截面積的空氣柱的質(zhì)量。不同的太陽高度角，陽光穿過大氣的光學(xué)質(zhì)量也不同。表1給出了不同太陽高度角時的大氣光學(xué)質(zhì)量數(shù)，可見，大氣光學(xué)質(zhì)量數(shù)隨太陽高度角減小而增大，且當(dāng)太陽高度角較小時，大氣光學(xué)質(zhì)量數(shù)的變化加大。

表1 不同太陽高度角時的大氣光學(xué)質(zhì)量

太陽高度角的大小取決于緯度、季節(jié)和一年中的時間，因此直接輻射有明顯的日變化、年變化和隨緯度的變化。

晴日里，在一天當(dāng)中，日出、日沒時太陽輻射角最小，直接輻射最弱；中午太陽高度角最大，直接輻射最強。同樣地，在一年中，直接輻射在夏季最強、冬季最弱。以緯度而言，低緯度地區(qū)一年各季太陽高度角都很大，地表面得到的直接輻射比中高緯度地區(qū)大得多。

天空有云時，直接輻射減小，厚的云層能全部擋住太陽輻射。太陽輻射角越小，直接輻射穿透云層的能力越弱。

（2）大氣透明度

大氣透明度的特征用透明系數(shù)（p）表示，它是指透過一個大氣質(zhì)量的輻射強度與進(jìn)入該大氣的輻射強度之比。即當(dāng)太陽位于天頂處，在大氣上界太陽輻射通量為I₀，而到達(dá)地面后的太陽輻射通量為I，則：

p = I / I₀

p值表明輻射通過大氣后的削弱程度，即大氣透明系數(shù)。實際上，不同波長的削弱程度也不一樣，p僅表征對某種波長的平均削弱情況，如：p = 0.7，表示削弱了30%。

p取決于大氣中所含水汽、水汽凝結(jié)物和塵粒雜質(zhì)的多少。水汽凝結(jié)物和塵粒雜質(zhì)多，則大氣透明度差，p小，說明太陽輻射被減弱得多，到達(dá)地面的太陽輻射相應(yīng)減少。

大氣透明系數(shù)和云狀決定于天氣氣候特征，因此直接輻射的大小除與緯度有關(guān)外，還與當(dāng)?shù)氐奶鞖鈿夂蛱卣饔嘘P(guān)。海拔高度高，則太陽輻射通過的大氣光學(xué)質(zhì)量數(shù)小，到達(dá)地面的太陽輻射強。例如，珠穆朗瑪峰地區(qū)不同高度上的直接輻射值都高于同緯度平原地區(qū)的值。

以平行光線的形式直接投射到地面的太陽輻射，稱之為太陽直接輻射。

通常以直接輻射通量密度來表示其強弱。它的大小取決于太陽高度角、大氣透明度、云量、海拔高度和地理緯度等。太陽高度角越大時,光線通過的大氣量越少,輻射分布的面積越小,故太陽直接輻射越強。大氣透明度越好,太陽輻射被削弱得越少,直接輻射越強。云層越厚,云量越多,則直接輻射越弱。在濃云密布時,直接輻射可減少為零。海拔高度越高,光線穿過的大氣量越少和大氣越透明。

太陽輻射通過大氣，一部分到達(dá)地面，稱為直接太陽輻射；另一部分為大氣的分子、大氣中的微塵、水汽等吸收、散射和反射。被散射的太陽輻射一部分返回宇宙空間，另一部分到達(dá)地面，到達(dá)地面的這一部分成為散射太陽輻射。到達(dá)地面的散射太陽輻射和直接太陽輻射之和稱為總輻射。到達(dá)地面的太陽輻射能量比大氣上界小得多，其中的紫外光譜區(qū)幾乎絕跡，在可見光譜區(qū)減少至40% ，而在紅外光譜區(qū)增至60% 。

太陽向宇宙空間發(fā)射的電磁波和粒子流稱為太陽輻射。地球所接受到的太陽輻射能量僅為太陽向宇宙空間放射的總輻射能量的二十億分之一，但它卻是地球大氣運動的主要能量源泉。