气候学/日照

太阳辐照度（SI）是功率每单位面积从太阳以电磁辐射的形式接收，如测量仪器的波长范围所报告的那样。这种综合的太阳辐照度称为太阳辐照度、太阳暴露度、太阳日照度或日照度。太阳是地球的主要能源。太阳以短波长的形式向太空各个方向辐射能量，这被称为太阳辐射。

地球表面只接收了这些辐射能量的一部分（太阳辐射能量的 10 亿分之 2 个单位）。
地球表面以短波形式接收的能量被称为入射太阳辐射或日照度。
由于地球体积小，距离太阳遥远，地球表面接收的日照量远小于太阳辐射的量。
此外，大气中存在的水蒸气、尘埃颗粒、臭氧和其他气体吸收了少量的太阳辐射。
由于地球与太阳之间距离的变化，大气顶部的太阳辐射量在一年中略有变化。
在地球绕太阳公转过程中，地球在7 月 4 日距离太阳最远。地球的这个位置被称为远日点。在1 月 3 日，地球距离太阳最近。这个位置被称为近日点。
由于地球与太阳之间距离的变化，地球在1 月 3 日接收到的年日照量略高于7 月 4 日接收到的量。
然而，这种变化的影响被其他一些因素掩盖，例如陆地和海洋的分布以及大气环流。因此，这种变化对地球表面的日常天气变化没有更大的影响。

太阳能接收方法

地球大气层和表面接收的太阳辐射是通过直接辐射或漫射能量。太阳辐射有五种方式。它们是：--

传输
散射
折射
吸收
反射

传输

当太阳辐射通过介质到达地球表面时，被称为太阳辐射的传输。传输的字典意义是短波和长波能量（电磁能量）通过大气层或水体的过程，但太阳的能量是从太空到达地球的，没有介质。它也被称为辐射。大气能量包括短波辐射输入(紫外线、可见光和近红外波长) 和长波辐射输出(热红外)，它们通过传输穿过大气层。在我们的地球大气层中，并非所有辐射都到达地球表面，或者换句话说，大气层并非对所有辐射都是不透明的。这种不同的传输导致大气层中产生温室效应。由于大气层的温室效应，地球的大气温度适宜。如果没有这种效应，就无法创造生存条件。

散射

大气气体和尘埃颗粒通过散射过程与入射的太阳辐射发生物理相互作用。通过折射和反射的能量重定向称为散射。大气中存在的尘埃、烟雾、气溶胶、海盐喷雾、污染物、大气湿度、烟雾喷射等固体颗粒负责散射太阳电磁能量。它改变了光的运动方向，但不改变光的波长。这种现象被称为散射，占地球反射率或反照率的 7%。由于粒子和平面的多次反射，电磁波的散射是“不可预测的”。但在反射中，反射方向是可以预测的。尘埃颗粒、污染物、冰、云滴和水蒸气会产生进一步的散射。

折射

折射是指光的弯曲。当太阳辐射进入大气层时，它会从一种介质穿过大气层的另一种介质，从几乎空的太空进入大气气体。大气本身由不同的层组成。不同的层具有不同的密度，大气的密度变化导致入射太阳辐射以不同的角度弯曲。这种折射在水中也能看到。它被称为入射辐射的折射。例如，棱镜会折射通过它的光线，使不同的波长以不同的角度弯曲，从而将光分离成不同的颜色成分以显示光谱。在自然界中，当可见光穿过许多雨滴并以精确的角度折射和反射到观察者时，就会形成彩虹。

反射

反射是指当一部分到达的能量撞击材料时产生的现象。反射率的大小取决于撞击表面特征和撞击位置。能量可能被完全反射回太空，或者在被吸收后反射回太空。这种返回的能量被称为反射，特别是当入射角和反射角相等时的镜面反射。镜子就是一个例子，它能反射超过90%的可见光。术语反照率用于描述被反射回的能量百分比。反照率是表面的反射特性。它是控制表面吸收太阳辐射量的重要因素。因此，从大气、云层顶部以及陆地和水体等地表反射回的太阳辐射比例，在没有加热接收表面的情况下，称为反照率。

吸收

在地球大气中，由于成分不同，大气会阻挡太阳辐射或吸收一部分太阳辐射，这种被物体吸收的太阳辐射通常被称为大气吸收。地球上不同的物质对不同波长的太阳辐射具有不同的吸收能力。这是大气中存在的成分在某些光谱带内对所有电磁辐射产生的现象。在这方面，太阳辐射最有效的吸收体是水 (H2O)、二氧化碳 (CO2)、臭氧 (O3)、氧气 (O2)、氧化亚氮 (NO2)。各种成分的吸收累积效应会导致大气在光谱的某些区域完全封闭，从而导致温度升高。一般来说，良好的辐射体也是良好的吸收体，而差的辐射体也是差的吸收体。就颜色而言，深色表面在可见光谱范围内比浅色表面更有效地吸收辐射。

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影响太阳辐射的因素

地球表面接收的太阳辐射量并不均匀，它会根据地点和时间而变化。当热带地区接收到的年太阳辐射量最大时，它会逐渐向两极递减。夏季太阳辐射量较多，冬季太阳辐射量较少。影响太阳辐射量的主要因素是：

太阳输出/常数
太阳光线的入射角
白天的时间长度
地球与太阳的距离
大气的透明度

太阳输出/常数

地球大气层顶端接收到的太阳辐射称为太阳常数。它是在大气层顶端（热层顶）垂直于太阳光线的平面上接收到的。热层顶接收到的平均太阳辐射量为1368Wm2（瓦特每平方米）能量（太阳常数），以短波形式。因此，对于地球与太阳的平均距离而言，它被称为太阳常数。这些太阳常数会因太阳表面的周期性扰动和爆炸而发生变化，其变化幅度在1 Wm2以内，主要与太阳黑子有关。太阳黑子是太阳表面可见的黑暗且较冷的区域。最近的研究表明，当太阳黑子数量较多时，会释放出更多的能量。太阳黑子的数量也会定期增加或减少，形成一个11年的周期。

入射角

由于地球是一个类似球体的地球体，因此太阳光线在不同地点以不同的角度照射到地球表面。这取决于地点的纬度。纬度越高，太阳光线与地球表面形成的角度越小。垂直光线照射到的面积总是小于斜射光线照射到的面积。如果照射到更大的面积，能量就会分散，每个单位面积接收到的净能量就会减少。与大角度照射的光线相比，小角度照射的太阳光线穿过更多的大气层。太阳光线照射到地球表面的角度称为入射角。它控制着地球表面接收到的太阳辐射量。太阳辐射量由一天中的时间（早上、中午和晚上）、纬度（赤道到两极）和季节（夏季、秋季、冬季和春季）决定。当太阳光线垂直照射或太阳直接位于头顶时，光线的入射角为90度。与倾斜的太阳光线相比，光线束在更小的面积上散布。当太阳处于垂直位置时，光束将在1英里的区域内散布，但在太阳倾斜（300角）的情况下，相同的太阳光束将在2英里的区域内散布。很明显，倾斜光线比垂直光线损失的辐射能量更多。因此，平均而言，赤道地区接收到的太阳辐射量大约是极地地区的2.4倍。

白天的时间长度

白天的时间长度决定着阳光照射的时间，从而影响着地球表面接收到的太阳辐射量。阳光照射时间越长，地球的一部分接收到的太阳辐射量就越多。例如，在赤道地区，一年中所有月份的白天和黑夜时间都是12小时，但在北极和南极的热带地区，阳光照射时间在0到24小时之间变化。在秋分和春分(分别为9月23日和3月21日)，太阳在中午位于赤道上空。这些日子里，地球各地的黑夜和白天时间都相等，赤道接收到的太阳辐射量最大，太阳辐射量向两极递减。这是因为赤道地区的阳光垂直照射，而随着纬度的增加，光线变得越来越倾斜。因此，向两极方向，接收到的能量会不断下降。

地球与太阳的距离

地球以椭圆轨道绕太阳运行，导致地球与太阳之间的距离每年发生持续变化。这会导致地球接收到的太阳能发生季节性变化。地球与太阳之间的平均距离约为149,600,000公里（92,900,000英里）。当地球距离太阳最远(15200万公里)时，称为‘远日点’，发生在7月4日。它是近日点（14700万公里），发生在1月3日。在远日点期间，北半球朝向太阳，因此接收到的能量比近日点（南半球）少大约7% 。

大气的透明度

大气层并非对所有来自太阳的辐射都是透明的，其原因在于大气层的不同组成和层次。大气层也是影响到达地球表面的太阳辐射量的一个重要因素。大气层由气体、水蒸气和颗粒物组成。大气层主要由氮气 (N)、氧气 (O2)、氩气、二氧化碳、氖气 (Ne)、氦气 (He)、甲烷 (CH4)、氪气 (Kr)、臭氧 (O3)、氧化亚氮 (N2O)、氢气 (H) 和氙气 (Xe) 等气体组成。大气层还包含水蒸气，即气态的水。

大气层加热和冷却的机制

大气层的加热和冷却通过以下过程实现：

大气层对太阳辐射的部分吸收
传导
地面辐射
对流
平流
凝结潜热
空气膨胀和压缩