太陽常數

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在大氣層頂的太陽光譜,橫軸是波長
File:Solar.Constant.Variations.1978-2003.jpg
1978年到2003年期间太阳常数的变化

太陽常數太陽電磁輻射通量,也就是距離太陽一天文單位處(約為地球離日平均距離),單位面積受到垂直入射的平均太陽輻射強度。太陽常數包括所有形式的太陽輻射,不是只有可見光。由人造衛星測出的最小值約1.361 kW/m²,最大值約為1.362 kW/m²,差了1%。[1]太陽常數並不是科學技術數據委員會頒布的真正不變的物理常數,而只是一個變動值的平均,在過去400年間變動小於0.2%。[2]

計算[编辑]

先由位於地球大氣層頂端的人造衛星測量太陽輻射的強度,[3]再利用平方反比定律將距離調整為一天文單位以得出太陽常數。[4]測得平均值約為1.3608±0.0005 kW/m²,也就是每分鐘81.65 kJ/m²,或是每分鐘1.951蘭利

太陽輻射輸出幾乎是常數,其變動值很小,在人造衛星出現之前很難精確偵測(在1954年為±2%),現今測量值約在0.1%範圍波動(過去三次太陽黑子十一年週期的平均)[5],可參見太陽週期

歷史[编辑]

1838年,法国物理学家Claude Pouillet,利用自製的簡陋直射太陽輻射計,第一次试图直接测定太阳常数,得到數值1.228 kW/m²,[6]與現代估計相符。

1875年,法国物理学家Jules Violle接續了Pouillet的工作,根據他在法國勃朗峰的測量得 得出了較大的測量值 1.7 kW/m²。

1884年,塞繆爾·彭爾龐特·蘭利在加州的惠特尼山嘗試測量太陽常數,並經由在不同的日子與時刻進行測量,以試圖校正地球大氣層吸收的影響。但他最後得到的數值2.903 kW/m²明顯過大。

在1902年至1957年間,查理斯·艾博特和其他人在幾個高海拔地區測量出介於1.322 kW/m²及1.465 kW/m²的數值。艾博特證明蘭利所使用的其中一個校正項是錯誤的。艾博特的結果約在1.318 kW/m²及1.548 kW/m²間波動,這波動來自於太陽本身而非地球的大氣。[7]

在1954年,太陽常數估計為2.00 cal/min/sq cm ± 2%。[8]現行數值低了約2.5%。

與其它測量值的關係[编辑]

太陽輻射[编辑]

地球大氣頂端接受到的太陽輻射會因為地日距離的不同,而在一年裡上下變動約6.9%(從二月上旬的1.412 kW/m²到七月上旬的1.321 kW/m²),但逐日變動通常小於0.1%。全地球(地球截面積約為127,400,000 km²)接受到的能量為1.730×1017 W±3.5%[9]。 太陽常數會在長時間內變動(參見太陽週期),但在一年內其變動比大氣頂端受到的太陽輻射小得多。這是因為太陽常數是在一天文單位處測量,但是地球受到的太陽輻射會受到地球軌道離心率的影響。地日距離以一年為單位變化,在近日點時約為147.1·106公里,在遠日點時約為152.1·106公里。

地球受到的總輻射還取決定地球的截面積(π·RE²),隨著地球轉動,地球受到的能量會散布在全地球表面(4·π·RE²)。若將未受到太陽照射的那一半也納入考量的話,平均而言地表受到的能量是太陽常數提供的四分之一(約為340 W/m²)。真正到達地表的能量還會受到大氣吸收的影響,一般而言地表受到的太陽輻射會隨著天氣狀況、緯度及時刻而變。

視星等[编辑]

太陽常數包括所有形式的太陽電磁輻射,不是只有可見光的範圍(參見電磁頻譜),太陽的視星等為-26.8等和太陽常數有正相關。太陽常數和太陽的星等是描述太陽亮度的兩種方法,但是視星等只與太陽的可見光輸出有關。

太陽總輻射[编辑]

從太陽看地球的角直徑只有1/11,000,所以從太陽看地球的立體角只有1/175,000,000 球面度。因此,太陽輻射出的能量是地球獲得的22億倍,也就是大約 3.826×1026瓦特。[10]

過去太陽輻射的變化[编辑]

從太空觀測太陽輻射始於1978年,這些觀測表明太陽常數不是常數,會隨著太陽黑子的11年週期而變。如欲追溯更遠的過去,我們必須仰賴其它的數據來重建太陽輻射的強度,像是太陽黑子可追溯400年,而宇宙輻射核種可追溯10,000年。重建結果表明太陽輻射會依不同週期而變動,包含:11年(Schwabe)、88年(Gleisberg cycle)、208年(DeVries cycle)及1,000年(Eddy cycle)。[11][12][13][14][15]

大氣環境造成的變化[编辑]

太陽能量最多約75%的可到達地表[16],即使在無雲的天氣,大氣也會反射及吸收太陽輻射。

相關條目[编辑]


参考文献[编辑]

  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. ^ 人造衛星之太陽輻射測量值
  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 互联网档案馆存檔,存档日期2010-03-05., No. 60, pp. 36-43, Feb. 2008.
  7. ^ Public Domain 本條目部分或全部内容出自公有领域Chisholm, Hugh (编). Sun. 大英百科全書 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