太阳常数

太阳常数是测量每单位面积的平均太阳电磁辐射(太阳辐照度)的通量密度。 它是在垂直于光线的表面上测量的,一个来自太阳的天文单位(AU)(大致是从太阳到地球的距离)。

太阳常数包括所有类型的太阳辐射,而不仅仅是可见光。 卫星测量的太阳最小值为每平方米1.361千瓦(kW /m²),太阳最大值约为0.1%(约为1.362千瓦/平方米)。

在现代CODATA科学意义上,太阳“常数”不是物理常数; 也就是说,它不像普朗克常数或光速在物理学中是绝对恒定的。 太阳常数是变化值的平均值。 在过去的400年里,它的变化不到0.2%。

公式
为了计算太阳常数,将太阳发射的能量流除以太阳表面之间的面积比足够了。  (太阳能收音机)和无线电球  (天文单位)。 为了获得这个实际上由卫星测量的值,它应该用作有效温度  )Del Sol 5776的值K.

太阳常数可以表示为  。 要做到这一点,记住7月1日= 0.24卡路里,1分钟= 60秒和1米2 = 10 4厘米2

一个非常用于测量一天到达大气顶部的能量的单位是:

因此,北纬30度的地方在6月21日,夏至日接受1004,7 langleys / day的日照,在12月21日,冬至日仅为480,4 langleys / day。

另一方面,可以计算不同纬度大气上部的年日照。 对于极点,年度日照量为133.2千克/年,而在赤道,它上升到320.9千克/年,其中克朗利= 1000兰特。

计算
太阳辐照度由地球大气层以上的卫星测量,然后使用平方反比定律进行调整,以推断一个天文单位(AU)的太阳辐照度,以评估太阳常数。 引用的近似平均值为1.3608±0.0005 kW /m²,即每分钟81.65 kJ /m²,相当于每分钟每分钟约1.951卡路里,或每分钟1.951 langleys。

太阳能输出接近但不完全恒定。 总太阳辐照度(TSI)的变化很小,并且很难用卫星时代之前的技术精确检测(1954年为±2%)。 太阳能总产量现在测量为变化(在过去三年的11年太阳黑子周期中)约0.1%; 详细了解太阳能变化。

太阳光度
能量被称为太阳以时间为单位发出的能量。 因此值得:

 。

获得了类似的结果,而不是对太阳表面进行计算,在离地球一定距离处并使用太阳常数进行计算。 太阳发出的流量随距离减小,因为它分布在更大的表面上。 地球所在距离的球面值得:

 。
因此太阳光度值得:


通过以下推理进行计算得到类似的结果:

从太阳看到的地球角直径约为1 / 11,700弧度,因此地球与太阳的立体角为1 / 175,000,000球面度。 这意味着地球仅截获太阳发射的2000万辐射的一部分(约3.6×10 26 W)。

太阳常数包括所有类型的辐射,而不仅仅是可见辐射。 太阳常数与太阳的视在幅度(观察者接收到的亮度强度)有关,其值为-26.8; 因为两个参数都来描述太阳的可观察亮度,尽管幅度仅指可见光谱。

历史测量
1838年,Claude Pouillet首次估算了太阳常数。 使用他开发的非常简单的直接辐射表,他获得了1.228千瓦/平方米的价值,接近目前的估计。

1875年,Jules Violle恢复了Pouillet的工作,并提供了一个更大的估计1.7 kW /m²,部分原因是他在法国的勃朗峰测量。

1884年,Samuel Pierpont Langley试图估算加利福尼亚州惠特尼山脉的太阳常数。 通过在一天的不同时间读取读数,他试图校正由于大气吸收造成的影响。 然而,他提出的最终价值2.903千瓦/平方米,实在太大了。

在1902年至1957年间,Charles Greeley Abbot和其他人在各个高海拔地区进行的测量发现,在1.322和1.465 kW /m²之间的值。 Abbot表明,兰利的一次更正被错误地应用了。 Abbot的结果在1.89和2.22卡路里(1.318至1.548千瓦/平方米)之间变化,这种变化似乎是由于太阳而不是地球的大气层。

在1954年,太阳常数被评估为2.00cal / min / sq cm±2%。 目前的结果约低2.5%。

与其他测量的关系

太阳辐照度
由于地球与太阳的距离不同,大气顶部的实际直接太阳辐照度在一年内波动约6.9%(从1月初的1.412千瓦/平方米到7月初的1.321千瓦/平方米),通常由每天低于0.1%。 因此,对于整个地球(横截面积为127,400,000平方公里),功率为1.730×1017 W(或173,000太瓦),正负3.5%(年度范围约为6.9%的一半)。 太阳常数在很长一段时间内不会保持恒定(见太阳变化),但是在一年之内,太阳常数的变化远小于在大气顶部测量的太阳辐照度。 这是因为在1天文单位(AU)的固定距离处评估太阳常数,而太阳辐照度将受到地球轨道偏心的影响。 它与太阳的距离每年在远日的147.1•106 km和近日点的152.1•106 km之间变化。

地球接收由其横截面(π•RE²)确定的总辐射量,但在旋转时,该能量分布在整个表面区域(4•π•RE²)。 因此,考虑到射线撞击的角度以及在行星的一半时刻没有接收任何太阳辐射的平均入射太阳辐射,是太阳常数的四分之一(约340 W / m 2)。 到达地球表面的量(作为日照)通过大气的注意力进一步减少,这种变化是不同的。 在任何特定时刻,在地球表面的某个位置接收的太阳辐射量取决于大气的状态,位置的纬度和一天中的时间。

表观量
太阳常数包括太阳电磁辐射的所有波长,而不仅仅是可见光(参见电磁频谱)。 它与太阳的表观强度正相关,为-26.8。 太阳常数和太阳的大小是描述太阳表观亮度的两种方法,尽管其大小仅基于太阳的视觉输出。

太阳的总辐射
从太阳看到的地球角直径约为1 / 11,700弧度(约18弧秒),这意味着从太阳看到的地球立体角大约是球面度的1 / 175,000,000。 因此,太阳发射的地球辐射量约为22亿次,换言之约为3.86×1026瓦。

太阳辐照度的过去变化
太阳辐照度的空基观测始于1978年。这些测量结果表明,太阳常数不是恒定的。 它随着11年的太阳黑子太阳周期而变化。 当进一步回到过去时,人们不得不依靠辐照度重建,过去400年使用太阳黑子或使用宇宙成因放射性核素可以追溯到1万年前。 这种重建表明太阳辐照度随着不同的周期性而变化。这些周期是:11年(Schwabe),88年(Gleisberg周期),208年(DeVries周期)和1000年(Eddy周期)。

数十亿年来,太阳正在逐渐扩大,并从更大的表面积中释放出更多的能量。 数十亿年前,当太阳的光度仅为其当前值的70%时,如何解释地球上液态水的明确地质证据的未解决的问题,被称为微弱的年轻太阳悖论。

大气条件造成的变化
最多约75%的太阳能实际上到达地球表面,即使在无云的天空中,它也会被大气部分反射和吸收。 即使是轻微的卷云也会将此降低至50%,更强的卷云降至40%。 到达地面的太阳能可以从550 W /m²到卷云到1025 W /m²,天空晴朗。

变异
太阳发出的辐射并不是完全恒定的,而是受到非常小幅度的混沌波动和周期性振荡的影响,这些波动被描述为活动周期,以及太阳的亮度随着历史时间缓慢增长的趋势变化。

周期性变化似乎由不同时期(持续时间)的几次振荡组成,其中最着名的是11年的振荡,其表现为光球中太阳黑子丰度的变化周期。 最近的周期显示太阳亮度的变化在0.1%的范围内; 然而,从Maunder的最小值,在1650和1700之间没有斑点的时间,太阳辐射可能增长高达0.6%。

太阳发展的理论模型意味着大约在30亿年前,当太阳系只有它的年龄的三分之一时,太阳只发射了它目前发射的75%的能量。 地球的气候比这个数据暗示的要冷得多,因为大气的成分非常不同,温室气体中的含量更多,特别是二氧化碳(CO 2 )和氨(NH 3 )。

循环性质的其他变化与地球的轨道参数有关,特别是与偏心率有关。 这不会影响长期接收的平均能量,但确实会影响季节性变化。 目前,地球在1月初处于近日点,几乎与冬至相吻合,这有助于北半球收集比南半球更多的太阳能。 但近日点(以及远日点)的日期在很长一段时间内振荡。
无论如何,地球轨道的偏心距离相对较小,但是在其他行星中很大,例如火星和冥王星(现在被称为“矮行星”)。 在这些中,一年中不同时间截获的能量差异可能相当大。 下表显示了太阳系行星的太阳常数,根据它们的平均距离计算得出。

关联
太阳常数的值及其相对稳定性是许多最重要的陆地过程的基础。 特别是,用于确定气候,外部地质过程和生命。 也是为了人类的未来,至少因为它取决于可再生能源的技术发展。

不同行星的太阳常数
太阳发出的流量随距离减小,因为它分布在更大的表面上。 假设我们打电话给{  对于距离地球(1天文单位)距离的太阳常数和在任何太阳行星的UA表示的距离r处的K,太阳光度不会发生变化,即:

也就是说:

例如,假设距离太阳常数1.5236 AU的行星火星值得:

不同行星的有效温度
为了计算不同行星的有效温度,必须计算地球辐射平衡,但对行星进行推广。 假设通过从太阳截取从其温度辐射的相同能量,每个行星达到平衡。

 其中r是行星的半径。

 这是反照率

4的原因是只有行星的一部分与太阳能相交,而行星的整个表面都会辐射太阳能。

由于吸收和辐射的能量等于热平衡,因此产生:

公式的评估给出了行星的不同有效温度。 这些温度不应与表面温度相混淆,因为大气和云层反射了短波太阳辐射的一部分,而行星热辐射发出的长波部分被温室气体吸收,显着增加了表面温度,尤其是金星的情况,如果气氛很薄,就像在火星的情况下那样应该没有多大区别。

行星 K(W /m²) K / K 0 反照率 e (K)
9040 6.7 0.058 442
金星 2610 1.9 0.71 244
地球 1360 1 0.33 253
火星 590 0.4 0.17 216
木星 五十 0.04 0,52 87
土星 十五 0.01 0.47 63
天王星 3.7 0.003 0,51 33
海王星 1,5 0.001 0.41 32
太阳系行星的太阳常数( K )和有效温度( Te )