太阳辐照度 – HiSoUR 文化艺术历史人文

太阳辐照度是在测量仪器的波长范围内以电磁辐射的形式从太阳接收的每单位面积的功率。随时间积分的太阳辐照度被称为太阳辐射，日照或太阳辐射。然而，在实践中，日照通常与辐照度互换使用。

在大气吸收和散射之后，可以在空间或地球表面测量辐照度。太空辐照度是太阳距离，太阳周期和跨周期变化的函数。地球表面的辐照度还取决于测量表面的倾斜度，太阳高于地平线的高度以及大气条件。太阳辐照度影响植物代谢和动物行为。

类型
有几种测量类型的太阳辐照度。

总太阳辐照度（TSI）是对地球上层大气中每单位面积的所有波长的太阳能进行测量。它垂直于入射的太阳光进行测量。太阳常数是在一个天文单位（AU）的距离处的平均TSI的常规测量。

直接法向辐照度（DNI）或光束辐射是在地球表面在给定位置测量的，其表面元素垂直于太阳。它排除了漫射太阳辐射（由大气成分散射或反射的辐射）。直接辐照度等于大气层以上的地外辐照度减去由于吸收和散射引起的大气损失。损失取决于一天中的时间（光通过大气的路径长度取决于太阳高度角），云层，水分含量和其他内容。大气层上方的辐照度也随着一年中的时间而变化（因为到太阳的距离变化），尽管与损失对DNI的影响相比，这种影响通常不太显着。

漫反射水平辐照度（DHI）或漫射天空辐射是地球表面由大气散射的光线辐射。它是在水平表面上测量的，辐射来自天空中的所有点，不包括环形辐射（来自太阳盘的辐射）。在没有气氛的情况下几乎没有DHI。

全球水平辐照度（GHI）是太阳在地球上水平面上的总辐照度。它是直接辐照度（在考虑太阳z的太阳天顶角之后）和漫反射水平辐照度的总和：
${\ displaystyle {\ text {GHI}} = {\ text {DHI}} + {\ text {DNI}} \ times \ cos（z）}$

单位
SI辐照度单位是瓦特每平方米（W / m2）。

另一种测量单位是每单位时间Langley（每平方厘米1热化学卡路里或41,840 J / m2）。

太阳能产业每单位时间使用每平方米瓦特小时（Wh / m2）。因此，与SI单位的关系为：1 kW / m2 =（24小时/天）×（1 kW / m2）=（24 kWh / m2）/天=（365天/年）×（24 kWh / m2） /天=（8760 kWh / m2）/年。

辐射在大气层顶部
大气层顶部的太阳辐射分布由地球的球形和轨道参数决定。这适用于任何入射到旋转球体的单向光束。日照对数值天气预报和了解季节和气候变化至关重要。冰河时代的应用被称为米兰科维奇周期。

分布基于球面三角学的基本恒等式，余弦的球面定律：

${\ displaystyle \ cos（c）= \ cos（a）\ cos（b）+ \ sin（a）\ sin（b）\ cos（C）}$

其中a，b和c是球形三角形边的弧度，以弧度表示。 C是与具有弧长c的侧面相对的顶点中的角度。应用于太阳天顶角θ的计算，以下适用于余弦的球面定律：

${\ displaystyle C = h}$ ${\ displaystyle c = \ Theta}$ ${\ displaystyle a = {\ tfrac {1} {2}} \ pi - \ phi}$

${\ displaystyle b = {\ tfrac {1} {2}} \ pi - \ delta}$

${\ displaystyle \ cos（\ Theta）= \ sin（\ phi）\ sin（\ delta）+ \ cos（\ phi）\ cos（\ delta）\ cos（h）}$

上面的等式也可以从更通用的公式推导出来：

${\ displaystyle {\ begin {aligned} \ cos（\ Theta）＆= \ sin（\ phi）\ sin（\ delta）\ cos（\ beta）+ \ sin（\ delta）\ cos（\ phi）\ sin （\ beta）\ cos（\ gamma）+ \ cos（\ phi）\ cos（\ delta）\ cos（\ beta）\ cos（h）\\＆\ qquad - \ cos（\ delta）\ sin（\ phi）\ sin（\ beta）\ cos（\ gamma）\ cos（h） - \ cos（\ delta）\ sin（\ beta）\ sin（\ gamma）\ sin（h）\ end {aligned}}}$

其中β是与水平面成的角度，γ是方位角。

地球与太阳的分离可以表示为RE，并且平均距离可以表示为R0，大约为1天文单位（AU）。太阳常数表示为S0。太阳通量密度（日照）在与地球球体相切的平面上，但高于大气层（海拔100公里或更高），是：

${\ displaystyle Q = {\ begin {cases} S_ {o} {\ frac {R_ {o} ^ {2}} {R_ {E} ^ {2}}} \ cos（\ Theta）＆\ cos（\ Theta）> 0 \\ 0＆\ cos（\ Theta）\ leq 0 \ end {cases}}}$

一天中Q的平均值是一次旋转的Q的平均值，或者从h =π到h =-π的小时角度：

$\ overline {Q} ^ {{{text {day}}}} = - {\ frac {1} {2 \ pi}} {\ int _ {{\ pi}} ^ {{ - \ pi}} Q \，DH}$

设q为正时，设h0为小时角。这可能发生在日出的时候 $\ theta = {\ tfrac {1} {2}} \ pi$ ，或作为h0的解决方案

$\ sin（\ phi）\ sin（\ delta）+ \ cos（\ phi）\ cos（\ delta）\ cos（h_ {o}）= 0 \，$

要么

$\ cos（h_ {o}）= - \ tan（\ phi）\ tan（\ delta）$

如果tan（φ）tan（δ）> 1，那么太阳没有设置，太阳已经在h =π处上升，所以ho =π。如果tan（φ）tan（δ）< -1，太阳不升起 $\ overline {Q} ^ {{{\ mathrm {day}}}} = 0$ 。

${\ frac {R_ {o} ^ {2}} {R_ {E} ^ {2}}}$ 在一天的过程中几乎是不变的，并且可以在积分之外取得

${\ displaystyle {\ begin {aligned} \ int _ {\ pi} ^ { - \ pi} Q \，dh＆= int _ {h_ {o}} ^ { - h_ {o}} Q \，dh \\ ＆= S_ {o} {\ frac {R_ {o} ^ {2}} {R_ {E} ^ {2}}} \ int _ {h_ {o}} ^ { - h_ {o}} \ cos（ \ theta）\，dh \\＆= S_ {o} {\ frac {R_ {o} ^ {2}} {R_ {E} ^ {2}}} \ left [h \ sin（\ phi）\ sin （\ delta）+ \ cos（\ phi）\ cos（\ delta）\ sin（h）\ right] _ {h = h_ {o}} ^ {h = -h_ {o}} \\＆= - 2S_ {o} {\ frac {R_ {o} ^ {2}} {R_ {E} ^ {2}}} \ left [h_ {o} \ sin（\ phi）\ sin（\ delta）+ \ cos（ \ phi）\ cos（\ delta）\ sin（h_ {o}）\ right] \ end {aligned}}}$
因此：

$\ overline {Q} ^ {{{text {day}}}} = {\ frac {S_ {o}} {\ pi}} {\ frac {R_ {o} ^ {2}} {R_ {E} ^ {2}}} \ left [h_ {o} \ sin（\ phi）\ sin（\ delta）+ \ cos（\ phi）\ cos（\ delta）\ sin（h_ {o}）\ right]$
设θ是描述行星轨道的传统极角。在春分点时θ= 0。作为轨道位置函数的赤纬δ是

${\ displaystyle \ delta = \ varepsilon \ sin（\ theta）}$
其中ε是倾斜度。传统的近日点经度π是相对于春分点定义的，因此对于椭圆轨道：

$R_ {E} = {\ frac {R_ {o}} {1 + e \ cos（\ theta - \ varpi）}}$
要么

${\ frac {R_ {o}} {R_ {E}}} = {1 + e \ cos（\ theta - \ varpi）}$
有了π，ε和e的来自天体动力学计算的知识，所以来自观察或理论的共识， $\ overline {Q} ^ {{{\ mathrm {day}}}}$ 可以计算任何纬度φ和θ。由于椭圆轨道，并且由于开普勒第二定律，θ不随时间均匀地进展。尽管如此，θ= 0°恰好是春分时间，θ= 90°恰好是夏至的时间，θ= 180°恰好是秋分的时间，而θ= 270°恰好是时间冬至。

给定日的辐照度的简化方程是：

${\ displaystyle Q = S_ {0} \ left（1 + 0.034 \ cos \ left（2 \ pi {\ frac {n} {365.25}} \ right）\ right）}$
其中n是一年中某一天的数字。

变异
总辐照度
总太阳辐照度（TSI）在十年和较长的时间尺度上变化缓慢。太阳能循环21期间的变化约为0.1％（峰 – 峰值）。与较旧的重建相比，最近的TSI重建指出Maunder Minimum和现在之间仅增加了约0.05％至0.1％。

紫外线辐照度
对于200至300 nm波长，紫外辐照度（EUV）从太阳最大值到最小值变化约1.5％。然而，一项代理研究估计，自Maunder Minimum以来，UV增加了3.0％。

米兰科维奇周期

日照的一些变化不是由于太阳的变化，而是由于地球在其近地点和远地点之间移动，或者是纬度的纬度分布的变化。这些轨道变化或米兰科维奇周期长期导致辐射变化高达25％（局部;全球平均变化小得多）。最近的重大事件是在全新世气候最佳值的北方夏季轴向倾斜24°。

获取a的时间序列 $\ overline {Q} ^ {{{\ mathrm {day}}}}$ 对于一年中的特定时间和特定的纬度，在米兰科维奇循环理论中是一个有用的应用。例如，在夏至时，赤纬δ等于倾角ε。与太阳的距离是

${\ frac {R_ {o}} {R_ {E}}} = 1 + e \ cos（\ theta - \ varpi）= 1 + e \ cos（{\ tfrac {\ pi} {2}} - \ varpi ）= 1 + e \ sin（\ varpi）$
对于今夏的夏至计算，椭圆轨道的作用完全包含在重要产品中 $e \ sin（\ varpi）$ ，进动指数，当偏心率大时，其变化主导65°N日照的变化。在接下来的10万年中，随着偏心率的变化相对较小，倾斜度的变化占主导地位。

测量
基于空间的TSI记录包括跨越三个太阳周期的十多个辐射计的测量值。

技术
所有现代TSI卫星仪器都采用有源腔电替代辐射测量法。该技术应用测量的电加热以使吸收的变黑的腔保持热平衡，同时入射的太阳光通过校准区域的精确孔径。通过快门调制光圈。检测长期太阳辐照度变化需要<0.01％的精度不确定性，因为预期变化在每个世纪0.05至0.15W / m2的范围内。

跨期校准
在轨道上，辐射校准漂移的原因包括腔体的太阳能退化，加热器的电子退化，精密孔径的表面退化以及改变表面发射和改变热背景的温度。这些校准需要补偿以保持一致的测量。

由于各种原因，消息来源并不总是同意。太阳辐射和气候实验/总辐照度测量（SORCE / TIM）TSI值低于地球辐射计预算实验（ERBE）在地球辐射预算卫星（ERBS），太阳直升机观测站（SoHO）上的VIRGO之前的测量值以及太阳能最大任务（SMM），高层大气研究卫星（UARS）和ACRIMSat的ACRIM仪器。由于辐照度标准缺乏绝对精度，因此发射前地面校准依赖于组件而非系统级测量。

测量稳定性包括将不同的辐射计腔体暴露于不同的太阳辐射积累，以量化暴露依赖的降解效应。然后在最终数据中补偿这些影响。观察重叠允许校正绝对偏移和仪器漂移的验证。

个别观测的不确定性超过辐照度变化（~0.1％）。因此，依靠仪器稳定性和测量连续性来计算实际变化。

长期辐射计漂移可能被误认为可能被误解为影响气候的辐照度变化。例子包括1986年和1996年周期最小值之间辐照度增加的问题，仅在ACRIM复合材料（而非模型）中明显，并且在2008年最小值期间PMOD复合材料中的低辐照度水平。

尽管ACRIM I，ACRIM II，ACRIM III，VIRGO和TIM都跟踪了冗余空腔的退化，但是在太阳黑子和光斑的辐照度和模拟影响方面存在显着和无法解释的差异。

持续不一致
重叠观测之间的分歧表明未解决的漂移表明TSI记录不足以在十年时间尺度上辨别太阳变化。只有ACRIM复合材料显示1986年至1996年间辐照度增加〜1 W / m2; 模型中也没有这种变化。

解决仪器差异的建议包括通过比较地面仪器和实验室参考来验证光学测量的准确性，例如国家科学技术研究所（NIST）; NIST验证孔径面积校准使用来自每个仪器的备件; 并从视图限制孔径应用衍射校正。

对于ACRIM，NIST确定来自视差限制孔径的衍射在三个ACRIM仪器中贡献了0.13％的信号。这种修正降低了报告的ACRIM值，使ACRIM更接近TIM。在ACRIM和除TIM之外的所有其他乐器中，光圈位于乐器内部，前部有一个更大的视野限制光圈。根据边缘缺陷，这可以直接将光散射到腔体中。这种设计允许仪器的前部承受两到三倍的待测量光量; 如果没有完全吸收或散射，这种额外的光会产生错误的高信号。相比之下，TIM的设计将精密光圈放在前面，以便只有所需的光线进入。

其他来源的变化可能包括与ACRIM III数据中的太阳 – 地球距离几乎同步的年度周期和VIRGO数据的90天峰值与2008年太阳能最小值期间最明显的SoHO航天器机动一致。

TSI辐射计设施
TIM的高绝对精度为测量气候变量创造了新的机会。 TSI辐射计设施（TRF）是一种低温辐射计，可在带有受控光源的真空中工作。 L-1标准和技术（LASP）设计并建造了该系统，于2008年完成。它针对NIST主光瓦特辐射计进行光功率校准，这是一种低温辐射计，可将NIST辐射功率范围维持在0.02％的不确定性（ 1σ）。截至2011年，TRF是唯一能够在太阳能发电水平和真空条件下测量辐照度（而不仅仅是光功率）的太阳辐射计发射前验证所需的<0.01％不确定度的设施。

TRF将参考辐射计和被测仪器封装在一个共同的真空系统中，该真空系统包含一个固定的，空间均匀的照明光束。面积校准为0.0031％（1σ）的精密孔径决定了光束的测量部分。测试仪器的精密孔径位于相同位置，无需光学改变光束，以便与参考直接比较。可变光束功率提供线性诊断，可变光束直径诊断来自不同仪器组件的散射。

荣耀/ TIM和PICARD / PREMOS飞行仪器的绝对标度现在可以在光功率和辐照度下追溯到TRF。由此产生的高精度降低了太阳辐照度记录中任何未来差距的后果。

相对于TRF的差异

仪器	辐照度：视图限制孔径过满	辐照度：精密孔径过满	可归因于散射误差的差异	测量的光功率误差	剩余光辐射协议	不确定
SORCE / TIM接地	NA	-0.037％	NA	-0.037％	0.000％	0.032％
荣耀/ TIM飞行	NA	-0.012％	NA	-0.029％	0.017％	0.020％
PREMOS-1地面	-0.005％	-0.104％	0.098％	-0.049％	-0.104％	~0.038％
PREMOS-3航班	0.642％	0.605％	0.037％	0.631％	-0.026％	~0.027％
VIRGO-2地面	0.897％	0.743％	0.154％	0.730％	0.013％	~0.025％

2011年重新评估
TSI代表太阳能最小值的最可能值为1360.8±0.5 W / m2，低于20世纪90年代建立的早期可接受值1365.4±1.3 W / m2。新值来自SORCE / TIM和辐射实验室测试。散射光是较早的卫星测量的较高辐照度值的主要原因，其中精确孔径位于较大的视图限制孔径后面。 TIM使用的视图限制孔径小于精确孔径，可以排除这种杂散信号。新的估计来自更好的测量而不是太阳能输出的变化。

基于回归模型的SORCE / TIM数据中太阳黑子和光斑影响的相对比例的划分占观察到的方差的92％，并将观察到的趋势跟踪到TIM的稳定带内。该协议进一步证明TSI变化主要是由于太阳表面磁活动。

2014年重新评估
2014年，使用更新的ACRIM3记录开发了新的ACRIM复合材料。它增加了最近在TRF测试和两次算法更新时显示的散射和衍射校正。该算法更准确地更新仪器热行为和解析快门循环数据。这些分别校正了准年信号的分量并增加了信噪比。这些修正的净效应降低了平均ACRIM3 TSI值，而不影响ACRIM复合TSI的趋势。

ACRIM和PMOD TSI复合材料之间的差异是显而易见的，但最重要的是太阳活动周期21-23期间的太阳能最小 – 最小趋势。 ACRIM发现从1980年到2000年增长了+ 0.037％/十年，此后有所下降。 PMOD自1978年以来呈现稳定下降。在太阳活动周期21和22的峰值期间也可以看到显着差异。这些因素来自ACRIM使用卫星实验团队公布的原始TSI结果，而PMOD将一些结果显着修改为使它们符合特定的TSI代理模型。在20世纪最后二十年全球变暖期间增加TSI的影响是，与CMIP5大气环流气候模型相比，太阳强迫可能是气候变化的一个稍大的因素。

地球表面的辐照度
到达地球大气顶部的年平均太阳辐射大约为1361 W / m2。太阳的光线在穿过大气层时会衰减，在晴天，海平面上的最大正常表面辐照度约为1000 W / m2。当1361 W / m2到达大气层之上时（当太阳在无云的天空中处于天顶时），直射太阳约为1050 W / m2，地面水平面上的全球辐射约为1120 W / m2。后一个数字包括大气和周围环境散射或重新发射的辐射。实际数字随太阳的角度和大气环境而变化。忽略云，地球的日平均日照约为6千瓦时/平方米= 21.6兆焦耳/平方米。

例如，光伏板的输出部分地取决于太阳相对于板的角度。一个太阳是功率通量的单位，而不是实际日照的标准值。有时这个单位被称为Sol，不要与sol混淆，这意味着太阳日。

吸收和反射
到达物体的部分辐射被吸收，其余部分被反射。通常，吸收的辐射会转换为热能，从而增加物体的温度。然而，人造或自然系统可以将部分吸收的辐射转换成另一种形式，例如电或化学键，如光伏电池或植物的情况。反射辐射的比例是物体的反射率或反照率。

投影效果
当表面直接面向（垂直于）太阳时，表面上的日照最大。当表面和太阳之间的角度从法线移开时，日照与角度的余弦成比例地减小; 看太阳角对气候的影响。

在图中，所示的角度在地面和阳光之间，而不是在垂直方向和阳光之间; 因此正弦而不是余弦是合适的。一英里（1.6公里）宽的阳光从顶部直接到达，另一个与水平方向成30°角。 30°角的正弦是1/2，而90°角的正弦是1.因此，成角度的阳光将光扩散到面积的两倍。因此，每平方英里有一半的光线。

这种“投射效应”是地球极地比赤道地区冷得多的主要原因。在年平均值上，两极的日照比赤道的日照少，因为两极总是比热带地区更远离太阳，而且在各自的冬季六个月内根本没有接受日照。

吸收效果
在较低的角度，光线也必须穿过更大的气氛。这使其衰减（通过吸收和散射）进一步减少表面的日照。

衰减受比尔 – 朗伯定律控制，即到达表面的透射率或日照分数在光学深度或吸光度（指数差异仅为ln（10）= 2.303的常数因子）的指数下呈指数下降通过大气层的日照。对于任何给定的短路径长度，光学深度与沿该长度的吸收器和散射体的数量成比例，通常随着高度的降低而增加。然后，整个路径的光学深度是沿路径的那些光学深度的积分（和）。

当吸收体的密度分层时，即，更多地取决于垂直而不是大气中的水平位置，很好地近似，光学深度与投影效果成反比，即与天顶角的余弦成反比。由于透射率随着光学深度的增加呈指数下降，因此当太阳接近地平线时，吸收在一天剩下的时间内主导投影。由于吸收剂含量相对较高，这可能是傍晚的相当一部分，同样也是清晨的相当一部分。相反，在（假设的）完全没有吸收的情况下，光学深度在太阳的所有高度处保持为零，即，透射率保持为1，因此仅投射效果适用。

应用

太阳能
太阳辐射数据用于规划太阳能系统的部署。在许多国家，这些数据可以从日照地图或日照表中获得，这些数据反映了过去30 – 50年的数据。不同的太阳能技术能够使用总辐射的不同组分。虽然太阳能光伏电池板能够将直接辐射和漫射辐射转换为电能，但是聚光太阳能仅能够通过直接照射有效地操作，因此使得这些系统仅适用于云覆盖相对较低的位置。

由于太阳能集热器板几乎总是以朝向太阳的角度安装，因此必须调整日照以防止冬季估计值不准确，夏季不准确。这也意味着在高纬度太阳能电池板上落在太阳能电池板上的太阳量与赤道处的阳光量相比并不像刚刚考虑水平表面上的日照那样低。

光伏电池板在标准条件下进行评级，以确定Wp额定值（瓦特峰值），然后可以与日照一起使用以确定预期输出，通过倾斜，跟踪和阴影等因素进行调整（可以包含这些因素以创建已安装的Wp）评分）。挪威的日照值从800到950 kWh /（kWp•y）到澳大利亚的高达2,900 kWh /（kWp•y）。

房屋
在建筑中，在为特定场地设计建筑物时，日照是一个重要的考虑因素。
投影效果可用于设计夏季凉爽和冬季温暖的建筑物，在建筑物的赤道面上提供垂直窗户（北半球的南面，或南半球的北面）：这会在冬季太阳低的时候最大化日照，并在夏天太阳高时将其最小化。（太阳的南北路径通过天空跨越47度）。

土木工程
在土木工程和水文学中，融雪径流的数值模型使用日照观测。这允许估计水从融化的积雪中释放的速率。使用日射强度计完成现场测量。

气候研究
辐照度在气候建模和天气预报中起着重要作用。大气顶部的非零平均全球净辐射表明气候强迫对地球的热不平衡有影响。

2014年TSI值较低对气候模型的影响尚不清楚。绝对TSI水平的百分之几十变化通常被认为对气候模拟的影响很小。新测量需要气候模型参数调整。

用GISS模型3进行的实验研究了模型性能对当前和工业化前时期TSI绝对值的敏感性，并描述了例如辐照度降低如何在大气和表面之间划分以及对出射辐射的影响。

评估长期辐照度变化对气候的影响需要更高的仪器稳定性和可靠的全球表面温度观测结果，以量化气候响应过程对十年时间尺度的辐射强迫。观察到的0.1％辐照度增加导致0.22 W / m2的气候强迫，这表明瞬态气候响应为0.6°C / W / m2。这种反应比IPCC评估的2008年模型大2倍或更多，可能出现在模型的海洋吸热量中。

太空旅行
日照是影响航天器设计和行星平衡温度的主要变量。

太阳活动和辐照度测量是太空旅行的一个关注点。例如，美国航天局NASA利用太阳辐照监视器发射了太阳辐射和气候实验（SORCE）卫星。