氣候變化/科學/日照分佈

太陽-地球系統 應該清楚地說明，太陽-地球系統的幾何形狀在到達地球的陽光數量及其到達位置方面發揮著關鍵作用。本節簡要介紹了全年進入地球的太陽輻射或日照的模式。這種模式是上述幾何因素的直接結果，由於日照是整個氣候系統的能量來源，因此能量進入系統的哪些位置對於能量的後續分佈至關重要。也就是說，太陽照射的位置會直接影響天氣和氣候。

在一個理想化的系統中，軌道是圓形的，行星的自轉軸垂直於黃道（即傾角為零），問題幾乎微不足道，因為每一天都相同。但是，行星的球形需要考慮。對這顆假設行星的極點為什麼比赤道冷的第一個猜測可能是因為極點比赤道離太陽更遠（距離等於行星半徑）；事實上，這也是人們對地球的常見誤解。為了讓我們相信情況並非如此，請考慮例如 6800 公里與地球-太陽距離的入射能量變化：它微不足道。但是，如果我們允許太陽常數在赤道和極點保持不變，幾何形狀仍然會產生重要的影響，即入射光子（我們可以將其視為平行光線）與表面法線方向（可以認為是區域性垂直方向，朝上看，太陽並不總是位於頭頂）之間的角度。日照量會隨著該角度的餘弦值而減小，該角度被稱為 朗伯余弦定律。這不是大氣效應，而只是一個光學效應，因此請將其視為大氣頂部的日照量，而不是表面的日照量。原理很簡單，即地球的曲率意味著隨著光子與表面法線之間的角度從零度增加到極點的 90 度，相同的輻射（或光子通量或陽光）會散佈到更大的區域。因此，即使太陽在世界各地一樣明亮，到達大氣頂部的每單位面積的功率也會隨著太陽在空中顯得越低而發生變化。結果是區域性日照量的變化，I，

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

其中 $\phi$ 是緯度。

到目前為止，我們忽略了地球的自轉。當然，一次只有一半的行星面對太陽。考慮一個時間快照。一半的行星面對太陽，一半處於黑暗之中。從日常經驗中，我們知道太陽在一天中的不同時間出現在地平線上不同的距離。在黎明時，太陽從東方的地平線上升起，在空中以弧線運動，在當地正午達到最高點，然後向西方的地平線下沉。讓我們將天頂定義為正上方的那一點；從這個天頂點到太陽當前位置的角度稱為天頂角。在上述假設行星中，沒有季節，太陽只在正午沿著赤道出現在頭頂；遠離赤道，太陽會越來越低，朝向赤道方向的地平線下沉。在南極點，太陽在當地正午正好位於北方的地平線上，幾乎沒有提供日照量。定義一個新角度，即地球赤道與太陽最高區域性位置（當地正午的位置）之間的角度，將其稱為赤緯角；它本質上是衡量太陽每天將達到的地平線上方的高度，並且等於太陽在正午直接位於頭頂的緯度。在上面的假設世界中，條件永遠是晝夜平分，因此赤緯為零，因為太陽每天都直接位於赤道上方。地球的傾角約為 $23.45^{\circ }$（0.409 弧度），這與地球的 365 天旋轉 360 度相結合，為赤緯角提供了表示式，

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

其中 N 是儒略日。這個表示式是一個近似值，但可以滿足我們的目的。

在當前軌道引數下，進入地球的太陽輻射分佈，平均到每天。注意，極夜由深藍色區域表示，在至日點到達北極圈和南極圈。這種分佈是根據本節中的方程計算得出的，並且在零值處被截斷，因為負日照不存在。

有了緯度和赤緯，如果再有一條與系統幾何形狀相關的資訊，就可以對日照量進行估計：一天中的時間。一天中的時間是必要的，因為它會影響區域性垂直方向與太陽光線之間的整體角度，正如注意到夜晚、黎明/黃昏和正午之間的差異很清楚的那樣。為了描述一天中的時間，引入了一個額外的角度，方便地表示為“時角”，

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

其中，$15^{\circ }$ 是旋轉速度（即，$360^{\circ }/24h$）並且 LT 是當地時間。請注意，在當地正午，H = 0。這些計算通常在弧度中進行，但是由於大多數人對角度更直觀的理解，因此我們在這裡使用它們。

將所有這些放在一起，實際的太陽天頂角可以用上述角度來描述

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

這種關係可以在沒有明確表示赤緯角和時角的情況下從幾何形狀推匯出來。這些角度在物理上是有意義的，因此包含在本文中。

回到朗伯余弦定律，我們可以寫出日照量的簡單表示式：$I=S\cos Z$。這描述了在任何特定時刻進入氣候系統的能量通量，給定位置和一天中的時間。

參考文獻

1. ^ Cooper, P.I., 太陽能，12, 3 (1969)。"太陽能蒸餾器中太陽輻射的吸收。"
2. ^ [D. Fletcher]