到达地球大气外层的太阳总能量为1.5×10 15 MW·h/a，其中，30%以短波形式被反射回太空，47%被大气、地球表面和海洋吸收，只有大约23%参与地球上的水文循环。太阳辐射的主要能量集中在0.2～100μm的从紫外到红外的范围，而波长在0.3～2.6μm范围的辐射占太阳能的95%以上。太阳常数Isc是当地球与太阳间的距离处于两者之间的平均距离，即1.495×108 km时，大气层外侧，即地球在日地平均距离处与太阳光垂直的大气上界单位面积、单位时间内所接收的所有波长太阳辐射的总能量。20世纪60年代美国国家航空航天局和美国材料实验学会（NASA/ASTM）测定太阳常数的值为：1.940 cal/（cm2·min）或1353 W/m2。1981年10月，世界气象组织（WMO）公布的太阳常数值是（1367±7）W/m2。太阳常数随季节日地距离有所变化，但变化不大（约3.4%），对于太阳能利用系统的设计不构成较大影响。
太阳能随波长的分布函数的不确定性比太阳常数本身大得多。现在一般采用NASA/ASTM测定的分布曲线。图2-1为大气上界太阳辐射强度随波长的变化。太阳电磁辐射经过地球大气层衰减，到达地球表面。这时的能量才是地球表面接收的太阳辐射。大气层通过对日射的吸收和散射降低太阳到达地面的能量。由于X射线（波长＜1 nm）从极短紫外线（1～200 nm）到中紫外线（200～315 nm）的短波光受到超高层大气中的分子与臭氧的散射和吸收，太阳辐射到达地面的最短波长为300 nm。
图2-1 按波长分布的太阳辐射
（a）大气上界（AMO）；（b）AM1.5太阳辐射
太阳辐射穿过地球大气层时，不仅要受到大气中的空气分子、水汽和灰尘的散射，而且要受到大气的氧气（O2）、臭氧（O3）、水汽（H2O）和二氧化碳（CO2）等分子的吸收与反射，致使到达地面的太阳辐射显著衰减。据估计，反射回宇宙的能量约占总量的30%，被吸收的约占23%，到达地球陆地和海洋的能量只占47%。它们便是我们地球上能量的主要来源。太阳辐射透过大气层时，通过的路程越长，则大气对太阳辐射的吸收、反射和散射量越多，即太阳辐射衰减的程度也越大，到达地面的辐射通量便越小。为了表示大气对太阳辐射衰减作用的大小，一般采用“大气质量”这一概念。大气质量是太阳辐射通过大气层的无量纲路程，通常把太阳辐射通过垂直于海平面的整个大气层厚度称为1个大气质量，即无量纲路程nt＝1。大气质量这一概念与通常所说的“质量”是完全不同的，它是指在倾斜方向上辐射通过大气层厚度为垂直方向上辐射通过的大气层厚度的倍数，是太阳光通过大气的路径与太阳光在天顶方向的路径之比值。
大气光学质量m是用来计算日射经过大气长度的一个物理量（图2-2）：以太阳位于天顶时光线从大气上界至某一水平面的距离为单位，去度量太阳位于其他位置时从大气上界至该水平面的单位数，并设定标准大气压和0℃时海平面上太阳垂直入射时的m＝1，二者之商即为大气光学质量或大气质量：
式中，h为太阳高度角，即测量地点太阳射线与地面间的夹角。在太阳能工程中，当h≥30°时，式（2-1）计算的m与观测值误差约0.01；当h＜30°时，由于折射和地面曲率的影响增大，m可以采用下式来计算：
以大气质量m＝1的太阳辐射记为AM1，大气上界为AM0，一般地面上太阳能利用标准采用AM1.5（AM是Air Mass的缩写）。利用大气质量，通过Bouguer-Iambert定律，可以计算到达地球表面某处的日射光谱辐照度I：
式中，
和Iλ分别为给定波长的大气层外辐射强度和透过了空气质量为m的大气后的辐射强度；cλ＝c1＋c2＋c3，为衰减系数或消光系数。它是Rayleigh散射系数c1臭氧的系数c2和烟雾或大气浑浊度系数c3三项的总和。在大气红外区，还需要第四个参数来计算分子吸收带。在太阳辐射实测数据的基础上，人们总结出结合水蒸气和二氧化碳吸收的修正公式：
式中，Tλi是大气透明度的系数。通过大气对太阳辐射的吸收、散射后到达地球表面的辐射能量密度一般为86～100 m W/cm2。
图2-2 大气质量定义
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