太阳辐射在线视频

下面我们讲第二节 太阳辐射

太阳我们天天见

但是我们对它有多少了解呢

建筑环境学课程

首先给大家介绍太阳的光谱

光谱是什么呢

我们来看这样一张图

横坐标是波长

我们从这张图里面可以看到

这个波长的范围

从0.2μm一直到2.2μm

也就相当于200nm---2200nm

纵坐标是指的某一个波长的太阳辐射强度

也就是每平米每个微米波长

它的辐射强度W

叫做单色辐射力

你可以看到这条线是呈这么一个形状

仔细看这里面实际上有三条线

在大气层外

也就是地球范围以外

太阳的波谱是这样一条线

这条虚线是6000K的黑体辐射波谱

因为太阳的辐射特点相当于一个大火球

向地球和其他星球进行辐射

到达大气层以后

相当于光穿过玻璃

会被吸收 反射和散射

有所改变

所以进到大气层以后就是这一条线

就是在地球表面的太阳波谱

大家可以看到有什么改变呢

对了 这条线掉下来了

事实上就是变弱了

另外还可以看到有一部分可能还没了

像这样一部分

我们画了个色条可以看到

0.38微米也就是380纳米波长以下的

就是紫外线

进入到大气层之后

有一个波段的紫外线没有了

就是短波这部分对应的紫外线没有了

我们可以看到太阳辐射能量最多的

是在哪些波段呢

我们把从0.38微米到0.76微米波段

之间的太阳光叫做可见光

那么从0.76微米以上到3微米以下

这一段叫做近红外线

2.5微米以上的辐射叫做远红外线

远红外线在我们专业中

更多的称之为长波红外线

或者就叫长波辐射

现在很多广告里面

动不动就以远红外的概念来讲

事实上远红外线指的是非高温物体

向周围以辐射散热的一种形式

来发射热量

我们在房间里

常温的情况下 人与人相互之间的热交换

其中一种形式就是叫做长波辐射

也就是所谓的远红外线

因此红外不是什么新奇 高科技的东西

是一种普遍存在的自然现象

可以看到这个太阳光谱里面

是不是可见光占的比例很大

然后就是近红外线占的比例也很大

它虽然高度不是很高

但是波长范围宽

所以我们可以看到

主要是可见光和近红外线

组成了太阳辐射的能量部分

而紫外线和长波辐射占的量就非常少

这张饼图

是给大家展示了不同波长的具体比例

在大气层以外

差不多是可见光占到45.6%

近红外线的能量占到了45.2%

长波辐射占2.2%

剩下的7%是紫外线

进入到大气层以后呢

这两部分进一步得到削弱

原因就是地球大气层

吸收了部分长波辐射

就是温室气体二氧化碳的作用

紫外线是被臭氧层挡掉了

剩下的主要就是近红外线和可见光

那么近红外线这部分的能量

如果进入到人的身上

它是没有起到任何光的作用的

但是会起到一种热的作用

比如这两部分辐射进到屋子里

就会变成热

区别是有一半的可见光

会起到改善光环境 也就是采光的作用

那么太阳的总能量是多少呢

有一个太阳常数来表述

就是每平米1353W

它指的是大气层外的太阳辐射强度

进入大气层后阳光被反射和吸收

光谱成分有所改变

辐射强度也会改变

为什么在大气层外有个太阳常数

进入到大气层后

就没有一个具体的数了呢

是因为太阳的辐射能量

和太阳的高度角有关

早上 中午 晚上都不一样

此外进入大气层前后也是有区别的

为什么进入大气层会变了呢

就是因为大气层对太阳辐射的影响很大

它的厚度的改变对太阳辐射的吸收作用

是影响很大的

我们下面就给大家介绍一下

大气层对太阳辐射是怎么影响的

首先我们看一下这部分太阳辐射中

有超短波 短波 长波

可见光 还有近红外线

超短波包括X射线

和其他的一些超短波射线

在通过电离层的时候

就会被氧 氮和其他大气成分强烈地吸收了

所以我们通常都说

大气层是保护人类的屏障

还有一些短波

受到天空中各种气体分子

尘埃 水分子的散射

是天空导致蓝色的一个原因

紫外线的部分是被大气中的臭氧所吸收

也都被削弱了

所以臭氧层也是一个重要的保护层

长波辐射部分

其实对人一点害处都没有

能量也不大

但是它依然是被二氧化碳 水蒸气

等温室气体所吸收

剩下的可见光 近红外线

尽管也会被吸收和反射

但是由于它的量还是非常大

还是能进入到我们地球表面

因此剩下的主要部分

是可见光和近红外线

近红外线和远红外线

尽管功能都一样

都是一种热

发热我们也看不见

但是我们不要把它们混在一起讨论

比如说我们讲玻璃

有的人一谈起玻璃

就说玻璃是能够遮挡红外线的

玻璃挡的是长波的红外线

也就是远红外线

而近红外线 普通的玻璃基本是挡不住的

落到咱们这个环境里面的太阳辐射

就是可见光和近红外线一半对一半

落到地球上的太阳辐射能量由三部分组成

第一部分叫做直射辐射

直射辐射主要是可见光和近红外线

紫外线和长波辐射也有

远红外线也有

但是它们不是一个量级

第二个 是散射辐射

我们知道空中有很多水蒸气和云层 以及颗粒

太阳照到它上面 它就会出现反射

照到一个颗粒上会反射

由于它不是平面 不是直反射

朝什么方向反射都有

这样的话最终就形成了一种散射

如果没有大气层

这边是太阳 这边是亮的

那时候没有太阳 那边是黑的

就是因为天空中有散射

太阳光落到这些颗粒上 会导致散射

那么的话 大气中的水蒸气和云层散射

散射这部分主要是可见光和近红外线

第三部分 我们叫做大气长波辐射

那么大气中的水蒸气和二氧化碳

会吸收到阳光中

尽管它们的比例很小

但是由于有长波辐射

它吸收了长波辐射 远红外线

吸收之后 它自己的温度就升高了

而具有一定温度

但温度又不是很高的物体

就会往外散热

例如我们在暖气附近有点热

这事实上是有两种热

一种是对流散热 还有一种就是辐射

比如一个高温物体在你附近

它的热壁面对人有一种烘烤的感觉

这就是一种长波辐射

如果一边放一块冰

另外一边放的是电热板

除了对流换热散热之外

还有一部分就是辐射

人的温度比冰的表面温度高

人就向冰辐射

但是人 他的温度比电热板低

又是电热板向人辐射热量

事实上只要两个表面存在温差 互相可见

就存在长波辐射

可见光 近红外线 远红外线

非常不一样

白天由于太阳辐射太强了

大气长波辐射量非常的小

我们可以忽略不计

但是晚上没有太阳的情况下

往外散热基本上都是长波辐射了

正如我们夏季夜间为什么跑到屋顶乘凉

因为屋顶的温度可以很快地降下来

它主要依靠的就是夜间长波辐射降温

我们一般讲的太阳总辐射

用一个概念

就是太阳总辐射照度来描述

或者简称叫辐照度

一般手册上给出的辐照度

就包括直射辐射和散射辐射两个部分

太阳辐射的能量最终都去哪了

我们来给大家介绍一下

如果整个太阳辐射能量是100%的话

那么落下来之后大概有6%

被大气层反射回去

如果从统计的角度来说

有时候会有阴天

那么的话 会又被云层反20%

然后这样剩下的还有19%

被大气层和云层所吸收

反射的部分和散射 你可以看见

吸收有一部分就是长波辐射讲的那部分

剩下的51%会往地面上落

也就是说大气层给挡掉了一半

但是挡掉的这一半这部分

不见得完全都是跟地球无关

它还会以长波辐射跟地球进行交换

地球的表面也会反射

直接反射掉4%

不同资料给出的比例有所不同

但是量级是差不多的

这是另外一个资料给出的结果

其中我们可以看到

太阳辐射的50%到达地面

散射辐射有28%变成了散射辐射

27%是直射辐射到地面

散射部分会有20%到地面

8%被云层散射

最终相当于50%到达地面

然后10%是靠对流和导热回到空气中

8%对大气层长波辐射

23%的热量蒸发走掉

这样加起来大概有60%直接回到了天上

我们再看看这张图

它表示的是太阳辐射能

与太阳高度角的关系

纵坐标是每天的日辐射量

单位是瓦每平米

横坐标是太阳高度角

图里有三类线

分别代表垂直面 水平面和法线面

法线面指的是和太阳光线

成一个直角关系的平面

太阳高度变化时 它也跟着变

而水平面和垂直面是不变的

这张图告诉我们

对于水平面而言

早上太阳高度角低的时候

其表面的太阳辐射量是很小的

到了90°以后

水平面上太阳辐射量达到最大值

对于法线面的情况 也就是实线这部分

可以看到太阳高度角很低的时候

法线面上的日辐射量很小

太阳高度角升上去之后

比如说太阳高度角为30度的时候

法线面的日太阳辐射量就稳定在一个值了

对于垂直面而言

太阳高度角小的时候

其表面太阳辐射量比较小

太阳高度角达到90°最大的时候

其表面太阳辐射量也是最小

反而是30°左右最高

为什么会这样呢

首先 法线面上的太阳直射辐射照度

等于太阳常数乘以大气透明度的m次方

m就是这个路径之比

相当于是sinβ分之一

比如说太阳高度角是30度的时候

这个数就是2

m我们称之为大气层的质量

早晨的这个时候 路径长度最大

即太阳高度角为零的时候

大气层质量就非常的大

中午路径长度短

意味着大气的层质量比较薄

因此法线面太阳高度角为30度以后

综合起来 中午太阳的辐射能量最高

看下面一张图

太阳高度角比较低

太阳的位置就在这里

那么光线需要穿透的大气层的厚度

明显增加了很多

因此太阳辐射的能量会在云层里面有衰减

而太阳高度角达到90度的时候

从上面往下射 这个路径是最短的

法线面太阳辐射能量达到最高

但是对于垂直面而言

太阳光这个时候是和其表面是平行的

所以能量还是低

因此对于垂直面而言

太阳高度角为30度的时候

反而其表面太阳辐射能量最高

下面以北纬40度为例

告诉大家太阳辐射能量

在不同表面 朝向 和不同月份的分布情况

首先我们看看中国传统四合院的图

四合院南向表面

夏天得到的太阳辐射能量反而最小

是什么原因呢

这张图告诉大家

实际上总辐射照度

跟着太阳高度角有很大的关系

南向的这个垂直面

夏天它太阳高度角比较高

所以很多时候 它就晒不到

或者即使晒到的时候 辐射量也比较小

太阳高度角和太阳通过的路径长度

密切相关

从而影响了日射强度的大小

太阳高度角低的时候日射强度就小

那么太阳高度角的特点是什么呢

它的特点是北半球冬季比较低 夏季比较高

清晨和傍晚低 中午较高

此外就是高纬度地区低 低纬度地区比较高

这是日本的一个建筑杂志上面的一个例子

第一眼印象是

建筑物有个大屋檐

没错

这是非常传统的东方古典建筑造型

包括日本 中国 韩国的古代建筑

也有这样的屋檐

那么这个屋檐有什么作用呢

我们先看看冬天的情况

冬天的时候太阳高度角比较低

这个屋檐并不妨碍太阳入射到房间里面

夏季由于太阳高度比较高

入射角度和冬天不一样

那么这个时候

屋檐就会起到非常好的遮阳作用

阳光是无法直接进入到房间里的

这正是科学地利用了

太阳高度角不同季节的特点

合理地实现了

建筑的冬季得热和夏季的遮阳

演变到今天

很多绿色建筑经常在南向设计了水平遮阳

可以产生类似的很好的效果

下面介绍一下大气透明度的概念

大气透明度指的是在地面上

获得的太阳辐射照度

也就是水平面辐射照度与太阳常数的比值

它和大气层的消光系数k

以及大气层的厚度L有关

如果P等于1 就是最透明

但一般的变化范围是在0.65到0.75之间

在一个月份的晴天中可以近似为常数

夏季由于空气中的水蒸气比较多

所以夏季这个数往往比较小

而冬季比较干燥

那么这个数在冬季就比较大

也就是比较透明

我们国家把大气透明度做了六个等级的分区

从一级到六级

一级是最透明的

六级最不透明

大气透明度每个月都是不一样的

这里给出了东京的全年

大气透明度逐月的分布的一个图

我们可以看到

夏天大气透明度接近0.65

而1月份的时候大概是在0.8

这张图就是我们国家的大气透明度的分区图了

可以看到

最透明的区在新疆乌鲁木齐的西南部

其次就是青藏高原

然后是内蒙和黑龙江的北部

大气透明度最低的地方在哪里呢

就在重庆

日照比较少

华东地区和北京这一片

大气透明度属于四级

然后南方的大部分是属于五级