地面上的太阳辐射和光谱

二、地面上的太阳辐射和光谱

太阳能转换系统大部分都安装在地面上，所以，地面上的太阳全辐射和光谱，对我们来说，有着更直接的关系。太阳辐射穿过地球大气层时，由于受大气的散射、反射和吸收的影响，到达地面的太阳辐射明显地减少，光谱分布也发生了变化，如图l-2所示。所以，了解大气层的影响对研究地面的太阳辐射十分重要。

大气中的空气分子、尘埃、水滴、冰晶等粒子会改变太阳辐射的传播方向，这就是散射。气体分子对短波辐射的散射作用比对长波辐射厉害，这也就是天空呈蓝色的原因。灰尘、水滴、冰晶等是粗粒子，因而较长波的散射也随之而增强。这样一来，长波和短波散射的差异也就减小了。大气的散射集中在能量比较大的可见光波段，因而是使太阳辐射衰减的主要因素之一。大气的散射可在相当大范围内变化，它取决于太阳高度、云量、云厚、云状、大气透明度和海拔高度等因素，其中尤其以云的变化对散射的影响最大。例如，全阴天时的散射辐射比碧空时的大l～2倍，有云隙和透光的高积云或积云散射辐射更可增至8倍以上。

地球作为一个整体，对太阳辐射有反射作用，它由3部分组成：大气对太阳辐射的反射是一种漫反射，约为入射辐射的8%；地球表面的反射为入射辐射的2%～3%；云层的反射随云状、云厚变化较大，平均约为入射辐射的25%。

大气外和地面太阳光谱曲线的差异，主要是由大气吸收造成，如图1-2所示。水汽对太阳辐射的吸收起着十分重要的作用，其吸收带大部分集中在红外区，可见光区内也有一部分。当大气中的水汽含量相当大时，水汽的吸收可占入射辐射的10%左右。臭氧吸收的主要是紫外线，约占入射辐射的2.1%。此外，氧和二氧化碳对太阳辐射也有一定的吸收作用，但影响不大。

图1-2　大气层外和海平面的太阳光谱

在绝大部分太阳光谱范围内，大气对单色光束的衰减由对数衰减定律来确定。

式中E⁰_λ—大气层外给定波长的辐射强度，W·m^－2·µm^－l E_λ—通过大气层后给定波长的辐射强度，w·m^－2·µm^－1；λ―波长，µm；

m―大气质量，数字；C_λ―衰减系数，数字。

衰减系数C_λ是雷利散射系数C₁、臭氧吸收系数C₂和大气混浊系数C₃之和。而C³=β/λ^α，α和β是变化的经验数据。α=1.3,β=0.02相应于很清洁的大气；α=0.66，β=0.17则相应于很混浊的大气。如图1-3所示，大气质量也叫空气质量，就是直射阳光穿过地球大气层路径的长度和太阳在天顶时它穿过大气层路径长度之比。对应于不同的大气混浊度和大气质量的太阳辐射强度的变化，可以从表1-2看出来。

图1-3　大气质量和阳光入射角的关系

表1-2　对应于不同大气质量的太阳辐射强度

注：α为美国标准大气，水20mm，臭氧3.4mm