大氣頂?shù)奶?yáng)輻

關(guān)于大氣頂?shù)奶?yáng)輻12第一節(jié)作為能源的太陽(yáng)1、太陽(yáng)結(jié)構(gòu)2、太陽(yáng)表面的活動(dòng)：太陽(yáng)黑子第2頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天3太陽(yáng)太陽(yáng)的X射線圖片第3頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天4太陽(yáng)第4頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天5太陽(yáng)（氣體球）基本特性半徑：696000km（相對(duì)地球109倍）質(zhì)量：1.989

1030Kg（相對(duì)地球33萬(wàn)多倍）平均密度：1.41g/cm3（相對(duì)地球1/4）年齡：46億年，可繼續(xù)發(fā)光70億年組成：主要成分：原始的H（90%質(zhì)量）和He（10%），其它如鐵、硅、氖、碳等至少70種元素。太陽(yáng)的溫度由中心（約5×106K）向表面（約5800K）遞減。第5頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天62.1.1太陽(yáng)結(jié)構(gòu)第6頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天72.1.1太陽(yáng)結(jié)構(gòu)核反應(yīng)區(qū)太陽(yáng)中心到1/4太陽(yáng)半徑范圍內(nèi)是進(jìn)行熱核反應(yīng)產(chǎn)生能量的區(qū)域，占太陽(yáng)體積的1/64，卻集中了太陽(yáng)質(zhì)量的一半。這里溫度高達(dá)1500萬(wàn)K，壓力可達(dá)3000億個(gè)地球大氣壓。在太陽(yáng)中心區(qū)域這種超高溫高壓條件下，不斷進(jìn)行著大規(guī)模的氫熱核聚變反應(yīng)，釋放出巨大的能量。第7頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天82.1.1太陽(yáng)結(jié)構(gòu)輻射區(qū)核反應(yīng)區(qū)的外面是能量輻射傳輸區(qū)。熱核反應(yīng)產(chǎn)生的輻射能量在這里通過(guò)太陽(yáng)各層物質(zhì)的吸收、發(fā)射、再吸收、再發(fā)射的過(guò)程向外輸送。熱核反應(yīng)產(chǎn)生的高能

射線經(jīng)過(guò)這個(gè)過(guò)程逐步降低頻率，最后成為太陽(yáng)向空間輻射的較低能量的可見光和其他形式的輻射。第8頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天92.1.1太陽(yáng)結(jié)構(gòu)對(duì)流區(qū)位于輻射區(qū)外，是太陽(yáng)內(nèi)部稠密大氣的最外層，由輻射區(qū)輸送的能量使這里溫度達(dá)幾萬(wàn)度到幾十萬(wàn)度，稠密熾熱的氣體處于升降起伏的對(duì)流狀態(tài)。在太陽(yáng)大氣中產(chǎn)生的各種活動(dòng)現(xiàn)象(如黑子、耀斑等)都與對(duì)流區(qū)的活動(dòng)有關(guān)。第9頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天102.1.1太陽(yáng)結(jié)構(gòu)光球肉眼所見太陽(yáng)的耀眼奪目的太陽(yáng)視表面就是光球。它是太陽(yáng)的明晰界限，通常意義下的太陽(yáng)表面就是指的光球，太陽(yáng)的直徑也以光球?yàn)榻?。它是太?yáng)大氣的最底層，厚度僅約500km。光球的溫度由里向外逐漸降低，底部溫度約6000K，頂部溫度在4000—5000K之間。光球溫度與太陽(yáng)內(nèi)部形成極大的溫度梯度，這種溫度分布顯著的不均衡，造成對(duì)流區(qū)大氣的劇烈的對(duì)流運(yùn)動(dòng)。

第10頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天112.1.1太陽(yáng)結(jié)構(gòu)太陽(yáng)大氣：光球?qū)又系膮^(qū)域稱為太陽(yáng)大氣，它的特點(diǎn)是具有稀薄而透明的太陽(yáng)氣體。太陽(yáng)大氣分成色球?qū)雍腿彰醿蓚€(gè)區(qū)域。色球?qū)游挥诠馇驅(qū)又希钡郊s2000km的高度。溫度由4000K左右的極小值向上增加，到2000km高度停留在4000-6000K之間，在此高度以上，溫度顯著增高，達(dá)到105

～106K左右。第11頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天12日冕：色球?qū)又系奶?yáng)大氣稱為日冕。在日全食的時(shí)候或使用日冕儀可觀測(cè)到一圈白光和淡黃光裹住了日輪，這就是日冕。它范圍可延伸到十幾個(gè)太陽(yáng)半徑的地方，其物質(zhì)極其稀薄，它的亮度僅及色球的千分之一。日冕的形狀經(jīng)常在變化，厚度也處處不同。在太陽(yáng)活動(dòng)極大期，日冕呈圓形，太陽(yáng)活動(dòng)極小期的日冕在太陽(yáng)兩極縮短，在太陽(yáng)赤道帶突出。日冕的溫度極高可達(dá)100—200萬(wàn)度。太陽(yáng)光譜的遠(yuǎn)紫外線和X射線主要是在日冕中產(chǎn)生，太陽(yáng)的射電輻射的大部分也產(chǎn)生在日冕中。日冕的溫度極高，說(shuō)明日冕中的物質(zhì)是以極高的速度在運(yùn)動(dòng)著，日冕中的快速粒子能擺脫太陽(yáng)引力場(chǎng)的束縛，向外膨脹而進(jìn)入行星際空間，這種現(xiàn)象叫做“日冕膨脹”。熱電離子連續(xù)不斷地從太陽(yáng)流出，就形成太陽(yáng)風(fēng)。第12頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天13日冕及其微細(xì)結(jié)構(gòu)第13頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天142.1.2太陽(yáng)活動(dòng)現(xiàn)象指太陽(yáng)表層的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和變化過(guò)程。在太陽(yáng)大氣中可以觀察到各種活動(dòng)變化現(xiàn)象，如太陽(yáng)黑子的出現(xiàn)和消失、日珥的變化、耀斑的爆發(fā)等等，此外在太陽(yáng)大氣中還可以觀測(cè)到不斷運(yùn)動(dòng)和變化著的米粒組織、譜斑、色球網(wǎng)絡(luò)、針狀物、噴焰等。太陽(yáng)活動(dòng)是太陽(yáng)大氣里的一切活動(dòng)的總稱。強(qiáng)烈的太陽(yáng)活動(dòng)能使一些波段的太陽(yáng)輻射發(fā)生很大變化，并能把大量的物質(zhì)粒子射入空間，影響地球磁場(chǎng)和大氣層。太陽(yáng)活動(dòng)有時(shí)劇烈，有時(shí)平靜，存在一個(gè)11年的準(zhǔn)周期。當(dāng)太陽(yáng)活動(dòng)處于低潮時(shí)，稱為寧?kù)o太陽(yáng)；太陽(yáng)活動(dòng)處于高潮時(shí)，稱為擾動(dòng)太陽(yáng)。太陽(yáng)活動(dòng)主要是指擾動(dòng)太陽(yáng)的活動(dòng)。擾動(dòng)太陽(yáng)的主要標(biāo)志之一是太陽(yáng)黑子，特別是黑子群的頻繁出現(xiàn)，擾動(dòng)太陽(yáng)的另一個(gè)更重要的標(biāo)志是太陽(yáng)耀斑的頻繁出現(xiàn)。耀斑是太陽(yáng)上最強(qiáng)烈的，也是對(duì)地球影響最大的活動(dòng)。第14頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天15美國(guó)科學(xué)家作出驚人預(yù)測(cè)：地球在3年后，即2012年，遇到史上最強(qiáng)的超級(jí)太陽(yáng)風(fēng)暴（Solarstorm），并引發(fā)大災(zāi)難，短短90秒內(nèi)，太陽(yáng)風(fēng)暴足以令全球陷入黑暗時(shí)代。

由于太陽(yáng)發(fā)出的高能量粒子，影響地球磁場(chǎng)，依靠電力較大的歐美災(zāi)情最為嚴(yán)重，估計(jì)數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的人間接因此而死，復(fù)原時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10年。

新一期《新科學(xué)家》一篇文章寫道：“2012年9月22日午夜，紐約曼哈頓上空有色彩繽紛的光。數(shù)秒鐘后燈泡變暗、閃爍不定，但突然變得異常明亮，隨后熄滅。90秒鐘后，整個(gè)美東停電?！?/p>

這種有如科幻小說(shuō)情節(jié)的景象，聽起來(lái)有些荒謬，但美國(guó)科學(xué)院報(bào)告聲稱，這些災(zāi)難在太空風(fēng)暴吹襲時(shí)，完全有可能發(fā)生。

通常，每隔11年就會(huì)進(jìn)入一個(gè)太陽(yáng)風(fēng)暴活躍期，而未來(lái)最接近的一次超強(qiáng)太陽(yáng)風(fēng)暴，最可能在2012年春分或秋分前后發(fā)生，受影響地區(qū)非常廣泛，北美、歐洲、中國(guó)等均難幸免。

史上最嚴(yán)重太陽(yáng)風(fēng)暴1859年發(fā)生持續(xù)8日

歷史記載最嚴(yán)重的太陽(yáng)風(fēng)暴，于1859年發(fā)生，當(dāng)時(shí)被稱為“卡林頓事件”。這場(chǎng)風(fēng)暴持續(xù)8日，全球各地的夜空，被白光照亮，人們的睡眠時(shí)間錯(cuò)亂。幸運(yùn)的是，當(dāng)時(shí)人類不像現(xiàn)時(shí)般依賴電力和科技生活，因此影響有限。

1989年3月13日，太陽(yáng)風(fēng)暴對(duì)人類造成嚴(yán)重影響，美國(guó)和加拿大北部地區(qū)電壓器燒毀導(dǎo)致大停電，加拿大900萬(wàn)人受影響。太陽(yáng)風(fēng)暴也對(duì)中國(guó)造成影響，2001年4月10日中午，青島、蘭州、重慶和廣州等地通訊中斷半小時(shí)。2003年10月23日，北京錄得太陽(yáng)風(fēng)暴爆發(fā)，多處無(wú)線電訊號(hào)受到干擾。

太陽(yáng)風(fēng)暴是太陽(yáng)因能量增加，釋放大量帶電粒子，形成的高速粒子流。太陽(yáng)風(fēng)暴中的氣團(tuán)，主要含帶電等離子，以時(shí)速150萬(wàn)至300萬(wàn)公里闖入太空，對(duì)地球產(chǎn)生龐大沖擊，影響大氣的濕度和溫度，可令流感病毒更易傳播。

第15頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天162.1.2太陽(yáng)活動(dòng)現(xiàn)象-太陽(yáng)黑子用小倍率的望遠(yuǎn)鏡，甚至肉眼就可看到在太陽(yáng)光球上有一些黑的斑點(diǎn)，它是光球中的大氣渦旋，其中心溫度約為4200K，比周圍溫度低1000多度，因此顯得比光球暗。黑子通常成對(duì)出現(xiàn)，或以復(fù)雜的黑子群出現(xiàn)。太陽(yáng)黑子幾乎完全限制在太陽(yáng)赤道和南北緯40度之間的區(qū)域，絕不會(huì)在兩極附近出現(xiàn)。大部分黑子壽命不長(zhǎng)，常不到一天，有一些黑子的壽命達(dá)一個(gè)月以上。長(zhǎng)期記錄日面上的黑子數(shù)目，黑子數(shù)較多的時(shí)期，而過(guò)幾年黑子幾乎不出現(xiàn)，太陽(yáng)黑子數(shù)的周期性變化，稱為黑子周期，兩次黑子極大之間的平均時(shí)間長(zhǎng)度約為11年，所謂11年周期。第16頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天172.1.2太陽(yáng)活動(dòng)現(xiàn)象-太陽(yáng)黑子第17頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天182.1.2太陽(yáng)活動(dòng)現(xiàn)象-光斑在全色光照片上能看到一種比光球更明亮一些的斑點(diǎn)。它的溫度比光球高不了多少，據(jù)測(cè)定只比周圍高100一300K；平均壽命2—3d。光斑常出現(xiàn)在黑子的周圍，一般環(huán)繞著黑子，與黑子有密切的關(guān)系，光斑比黑子早出現(xiàn)幾小時(shí)或幾天。在色球?qū)又校獍咧暇o接著分布著譜斑，形狀與光斑相似，是光斑在色球?qū)拥难永m(xù)。譜斑的溫度比周圍高，大部分譜斑附近有黑子群，其壽命比黑子長(zhǎng)，它的大小從幾千公里到幾十萬(wàn)公里，其面積大小也是太陽(yáng)活動(dòng)的強(qiáng)弱的標(biāo)志。第18頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天192.1.2太陽(yáng)活動(dòng)現(xiàn)象-日珥色球?qū)又?，有時(shí)有巨大的氣柱升騰而起，如同火焰噴舌，可以達(dá)到幾萬(wàn)公里甚至百萬(wàn)公里以上的高度，然后落回日面，或脫離太陽(yáng)的引力而消散不見。這些氣柱稱為“日珥”。它是突出在太陽(yáng)邊緣外面的發(fā)光氣團(tuán)，呈朱紅色。一般在日全食時(shí)利用色球望遠(yuǎn)鏡或分光鏡等儀器進(jìn)行觀測(cè)時(shí)才能被看見。形態(tài)多變，大小不一，一般長(zhǎng)約20萬(wàn)km，高約3萬(wàn)km，厚約5000km；有的氣流上升的速度較低，約10km/s，有的變化劇烈，達(dá)幾百公里/秒。日珥主要存在于日冕中，但下部與色球相連。可分為寧?kù)o日珥、爆發(fā)式日珥和活動(dòng)區(qū)日珥三種。寧?kù)o日珥壽命較長(zhǎng)，在日面上表現(xiàn)為伸得很長(zhǎng)的暗條。爆發(fā)式日珥比較罕見，運(yùn)動(dòng)速度可高達(dá)每秒幾百公里。當(dāng)上升到相當(dāng)高度時(shí)，會(huì)分裂出凝團(tuán)和股流，然后沿近似垂直的方向落回太陽(yáng)。第19頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天202.1.2太陽(yáng)活動(dòng)現(xiàn)象-耀斑色球中局部區(qū)域亮度突增的現(xiàn)象，表現(xiàn)為特別明亮的斑點(diǎn)，稱為色球爆發(fā)。耀斑的溫度很高，達(dá)1萬(wàn)度左右或更高，常出現(xiàn)在太陽(yáng)表面大黑子或黑子群附近，壽命由幾分鐘到幾小時(shí)。耀斑活動(dòng)與黑子有密切關(guān)系，在一個(gè)黑子群的存在期間，平均每7h出現(xiàn)一個(gè)耀斑。耀斑是太陽(yáng)大氣中的一種不穩(wěn)定過(guò)程，是太陽(yáng)上最強(qiáng)烈的，也是對(duì)地球影響最大的活動(dòng)現(xiàn)象。太陽(yáng)所發(fā)射電波的強(qiáng)度可以在幾年內(nèi)不發(fā)生多大的變化，但當(dāng)日面出現(xiàn)耀斑時(shí)，太陽(yáng)射電可以一下子增強(qiáng)幾百萬(wàn)倍。在耀斑爆發(fā)時(shí)除發(fā)射可見光外，還發(fā)射大量的紫外線、X射線和

射線，還有紅外和射電輻射和高能粒子流，甚至能量特高的宇宙射線。耀斑的短波輻射和帶電粒子流到達(dá)地球后，會(huì)引起地球上一系列的地球物理現(xiàn)象，如磁暴、極光和電訊騷擾以至中斷等。從日地關(guān)系方面來(lái)看，耀斑的作用比太陽(yáng)黑子的作用更加直接和重要。第20頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天21第二節(jié)地球繞太陽(yáng)的軌道和太陽(yáng)日射2.2.1繞日軌道的幾何形狀地球是太陽(yáng)系九大行星之一。自轉(zhuǎn)：地球每24小時(shí)繞通過(guò)自己兩極的極軸向東穩(wěn)定地旋轉(zhuǎn)一周。自傳是引起包括晝夜交替在內(nèi)的所有時(shí)間周期變化的最顯著的原因。公轉(zhuǎn)：同時(shí)地球也在以太陽(yáng)為一個(gè)焦點(diǎn)的橢圓軌道上，用大約365天完成一周的公轉(zhuǎn)。地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的軌道和地球自傳的軌道，是決定到達(dá)地球的太陽(yáng)輻射能量的最重要因子。第21頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天22太陽(yáng)系太陽(yáng)系中太陽(yáng)的質(zhì)量占太陽(yáng)系總質(zhì)量的99.8％，九大行星類地行星：水、金、地、火質(zhì)量小、體積小、衛(wèi)星數(shù)少、平均密度大、表面溫度高、公轉(zhuǎn)周期短、自轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)主行星：木、土、天王、海王特點(diǎn)與類地行星相反此外冥王星，大小、質(zhì)量近似類地行星；表面溫度、公轉(zhuǎn)周期又近于主行星小行星、彗星、流星第22頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天23太陽(yáng)系第23頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天24第24頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天25太陽(yáng)的位置由太陽(yáng)天頂角確定，太陽(yáng)天頂角可由另一些已知的角度算出：cos

0=sin

sin

+cos

cos

cosh.第25頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天26太陽(yáng)傾角黃道面與天赤道面有23o27'的交角，即黃赤交角。由于它的存在，太陽(yáng)的周年視運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為對(duì)天赤道的往返運(yùn)動(dòng)，稱為太陽(yáng)的回歸運(yùn)動(dòng)。太陽(yáng)在天球上對(duì)于天赤道的角距離就是太陽(yáng)的赤緯，稱為太陽(yáng)傾角。太陽(yáng)的回歸運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為太陽(yáng)赤緯在23o27'一-23o27'之間的周期性變化。太陽(yáng)在地球上的直射點(diǎn)，是在該時(shí)刻與太陽(yáng)赤緯相同的地理緯度上，并且有相同的周期性變化。第26頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天277月北阿拉斯加午夜前后的太陽(yáng)

太陽(yáng)的位置和時(shí)間第27頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天282.2.2太陽(yáng)常數(shù)的定義太陽(yáng)發(fā)射的電磁輻射在地球大氣頂上隨波長(zhǎng)的分布叫做太陽(yáng)光譜。太陽(yáng)常數(shù)是一個(gè)表征到達(dá)大氣頂?shù)目偺?yáng)能量（包括整個(gè)太陽(yáng)光譜）的數(shù)值。定義：在日地平均距離處通過(guò)與太陽(yáng)光束垂直的單位面積上的太陽(yáng)能通量，用S表示。第28頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天29太陽(yáng)以6.2×107W.m

2

的速率發(fā)射能量。根據(jù)能量守恒原理，且假定兩點(diǎn)之間沒有中間介質(zhì)，則由太陽(yáng)發(fā)射的能量在某個(gè)距離以外必定保持原樣，于是：F⊙

4

a⊙2=S4

r02F⊙

代表太陽(yáng)輻出度，a⊙為太陽(yáng)半徑，r0為日地平均距離。所以：S=F⊙

(a⊙/r0)2太陽(yáng)是各向同性發(fā)射體，所以：

S=I

a⊙2/r02=I

Ω第29頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天30太陽(yáng)輻射的能量主要集中在可見光波段，0.2～10.0

m波段占全部太陽(yáng)輻射的99.9％。與其它物理量的測(cè)量相比，輻射量測(cè)量準(zhǔn)確度最低。目前千分之幾的準(zhǔn)確度就是世界水平，一般只有百分之五。最初在地面不同時(shí)間測(cè)量太陽(yáng)輻射，用外推和訂正的方法計(jì)算大氣上界的太陽(yáng)輻射（長(zhǎng)法和短法），后來(lái)用飛機(jī)、氣球、火箭和衛(wèi)星測(cè)量太陽(yáng)輻射。1976年美國(guó)宇航局（NASA）根據(jù)飛機(jī)和空間觀測(cè)的結(jié)果，公布了地日平均距離時(shí)大氣上界太陽(yáng)輻照度（輻射能量密度）的譜分布，其太陽(yáng)常數(shù)值為1353W/m2。1981年WMO的儀器與觀測(cè)方法委員會(huì)綜合各機(jī)構(gòu)公布的數(shù)據(jù)，建議太陽(yáng)常數(shù)值取1366.97W/m2。按斯特藩-波爾茲曼輻射定律，其黑體溫度為5777K。第30頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天312.2.3日射的分布日射定義為：某一給定地點(diǎn)單位水平面上的太陽(yáng)輻射通量。它主要取決于太陽(yáng)天頂角，同時(shí)也依賴于日地距離的變化。第31頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天32日射：每單位水平面上的太陽(yáng)輻射通量。它強(qiáng)烈地依賴于太陽(yáng)天頂角，在某種程度上也依賴于日地距離的變化。設(shè)日地平均距離處的太陽(yáng)單色輻射能量密度為Fλ0，相應(yīng)太陽(yáng)輻射總能量密度為F0，如果觀測(cè)或資料給出能量密度的光譜分布（樣本總數(shù)為N），則第32頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天33大氣外界日射分布令d、dm分別為日地距離和日地平均距離，則對(duì)于日地距離的變化所對(duì)應(yīng)的實(shí)際輻射通量密度，可通過(guò)能量守恒（太陽(yáng)發(fā)出的能量在離太陽(yáng)不同距離處維持不變）得到第33頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天34大氣外界日射分布定義在大氣頂每單位面積接受的太陽(yáng)能量為Q，則太陽(yáng)輻射能量密度為給定時(shí)間范圍內(nèi)的日射為第34頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天352.3.1太陽(yáng)輻射譜標(biāo)準(zhǔn)第三節(jié)太陽(yáng)光譜及太陽(yáng)常數(shù)的測(cè)定第35頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天36SOLARSPECTRUM第36頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月