气候变化/科学/日照分布

太阳-地球系统 应该清楚地说明，太阳-地球系统的几何形状在到达地球的阳光数量及其到达位置方面发挥着关键作用。本节简要介绍了全年进入地球的太阳辐射或日照的模式。这种模式是上述几何因素的直接结果，由于日照是整个气候系统的能量来源，因此能量进入系统的哪些位置对于能量的后续分布至关重要。也就是说，太阳照射的位置会直接影响天气和气候。

在一个理想化的系统中，轨道是圆形的，行星的自转轴垂直于黄道（即倾角为零），问题几乎微不足道，因为每一天都相同。但是，行星的球形需要考虑。对这颗假设行星的极点为什么比赤道冷的第一个猜测可能是因为极点比赤道离太阳更远（距离等于行星半径）；事实上，这也是人们对地球的常见误解。为了让我们相信情况并非如此，请考虑例如 6800 公里与地球-太阳距离的入射能量变化：它微不足道。但是，如果我们允许太阳常数在赤道和极点保持不变，几何形状仍然会产生重要的影响，即入射光子（我们可以将其视为平行光线）与表面法线方向（可以认为是局部垂直方向，朝上看，太阳并不总是位于头顶）之间的角度。日照量会随着该角度的余弦值而减小，该角度被称为 朗伯余弦定律。这不是大气效应，而只是一个光学效应，因此请将其视为大气顶部的日照量，而不是表面的日照量。原理很简单，即地球的曲率意味着随着光子与表面法线之间的角度从零度增加到极点的 90 度，相同的辐射（或光子通量或阳光）会散布到更大的区域。因此，即使太阳在世界各地一样明亮，到达大气顶部的每单位面积的功率也会随着太阳在空中显得越低而发生变化。结果是局部日照量的变化，I，

$I(\phi )=S\cos(\phi ),$

其中 $\phi$ 是纬度。

到目前为止，我们忽略了地球的自转。当然，一次只有一半的行星面对太阳。考虑一个时间快照。一半的行星面对太阳，一半处于黑暗之中。从日常经验中，我们知道太阳在一天中的不同时间出现在地平线上不同的距离。在黎明时，太阳从东方的地平线上升起，在空中以弧线运动，在当地正午达到最高点，然后向西方的地平线下沉。让我们将天顶定义为正上方的那一点；从这个天顶点到太阳当前位置的角度称为天顶角。在上述假设行星中，没有季节，太阳只在正午沿着赤道出现在头顶；远离赤道，太阳会越来越低，朝向赤道方向的地平线下沉。在南极点，太阳在当地正午正好位于北方的地平线上，几乎没有提供日照量。定义一个新角度，即地球赤道与太阳最高局部位置（当地正午的位置）之间的角度，将其称为赤纬角；它本质上是衡量太阳每天将达到的地平线上方的高度，并且等于太阳在正午直接位于头顶的纬度。在上面的假设世界中，条件永远是昼夜平分，因此赤纬为零，因为太阳每天都直接位于赤道上方。地球的倾角约为 $23.45^{\circ }$（0.409 弧度），这与地球的 365 天旋转 360 度相结合，为赤纬角提供了表达式，

$\delta =23.45\sin({\frac {360}{365}}(284+N)),$

其中 N 是儒略日。这个表达式是一个近似值，但可以满足我们的目的。

在当前轨道参数下，进入地球的太阳辐射分布，平均到每天。注意，极夜由深蓝色区域表示，在至日点到达北极圈和南极圈。这种分布是根据本节中的方程计算得出的，并且在零值处被截断，因为负日照不存在。

有了纬度和赤纬，如果再有一条与系统几何形状相关的信息，就可以对日照量进行估计：一天中的时间。一天中的时间是必要的，因为它会影响局部垂直方向与太阳光线之间的整体角度，正如注意到夜晚、黎明/黄昏和正午之间的差异很清楚的那样。为了描述一天中的时间，引入了一个额外的角度，方便地表示为“时角”，

$H=15^{\circ }*(LT-12),$

其中，$15^{\circ }$ 是旋转速度（即，$360^{\circ }/24h$）并且 LT 是当地时间。请注意，在当地正午，H = 0。这些计算通常在弧度中进行，但是由于大多数人对角度更直观的理解，因此我们在这里使用它们。

将所有这些放在一起，实际的太阳天顶角可以用上述角度来描述

$Z=\cos ^{-1}(\sin \phi \sin \delta +\cos \phi \cos \delta \cos H)$

这种关系可以在没有明确表示赤纬角和时角的情况下从几何形状推导出来。这些角度在物理上是有意义的，因此包含在本文中。

回到朗伯余弦定律，我们可以写出日照量的简单表达式：$I=S\cos Z$。这描述了在任何特定时刻进入气候系统的能量通量，给定位置和一天中的时间。

参考文献

1. ^ Cooper, P.I., 太阳能，12, 3 (1969)。"太阳能蒸馏器中太阳辐射的吸收。"
2. ^ [D. Fletcher]