氣候學/日照

太陽輻照度（SI）是功率每單位面積從太陽以電磁輻射的形式接收，如測量儀器的波長範圍所報告的那樣。這種綜合的太陽輻照度稱為太陽輻照度、太陽暴露度、太陽日照度或日照度。太陽是地球的主要能源。太陽以短波長的形式向太空各個方向輻射能量，這被稱為太陽輻射。

地球表面只接收了這些輻射能量的一部分（太陽輻射能量的 10 億分之 2 個單位）。
地球表面以短波形式接收的能量被稱為入射太陽輻射或日照度。
由於地球體積小，距離太陽遙遠，地球表面接收的日照量遠小於太陽輻射的量。
此外，大氣中存在的水蒸氣、塵埃顆粒、臭氧和其他氣體吸收了少量的太陽輻射。
由於地球與太陽之間距離的變化，大氣頂部的太陽輻射量在一年中略有變化。
在地球繞太陽公轉過程中，地球在7 月 4 日距離太陽最遠。地球的這個位置被稱為遠日點。在1 月 3 日，地球距離太陽最近。這個位置被稱為近日點。
由於地球與太陽之間距離的變化，地球在1 月 3 日接收到的年日照量略高於7 月 4 日接收到的量。
然而，這種變化的影響被其他一些因素掩蓋，例如陸地和海洋的分佈以及大氣環流。因此，這種變化對地球表面的日常天氣變化沒有更大的影響。

太陽能接收方法

地球大氣層和表面接收的太陽輻射是透過直接輻射或漫射能量。太陽輻射有五種方式。它們是：--

傳輸
散射
折射
吸收
反射

傳輸

當太陽輻射透過介質到達地球表面時，被稱為太陽輻射的傳輸。傳輸的字典意義是短波和長波能量（電磁能量）透過大氣層或水體的過程，但太陽的能量是從太空到達地球的，沒有介質。它也被稱為輻射。大氣能量包括短波輻射輸入(紫外線、可見光和近紅外波長) 和長波輻射輸出(熱紅外)，它們透過傳輸穿過大氣層。在我們的地球大氣層中，並非所有輻射都到達地球表面，或者換句話說，大氣層並非對所有輻射都是不透明的。這種不同的傳輸導致大氣層中產生溫室效應。由於大氣層的溫室效應，地球的大氣溫度適宜。如果沒有這種效應，就無法創造生存條件。

散射

大氣氣體和塵埃顆粒透過散射過程與入射的太陽輻射發生物理相互作用。透過折射和反射的能量重定向稱為散射。大氣中存在的塵埃、煙霧、氣溶膠、海鹽噴霧、汙染物、大氣溼度、煙霧噴射等固體顆粒負責散射太陽電磁能量。它改變了光的運動方向，但不改變光的波長。這種現象被稱為散射，佔地球反射率或反照率的 7%。由於粒子和平面的多次反射，電磁波的散射是“不可預測的”。但在反射中，反射方向是可以預測的。塵埃顆粒、汙染物、冰、雲滴和水蒸氣會產生進一步的散射。

折射

折射是指光的彎曲。當太陽輻射進入大氣層時，它會從一種介質穿過大氣層的另一種介質，從幾乎空的太空進入大氣氣體。大氣本身由不同的層組成。不同的層具有不同的密度，大氣的密度變化導致入射太陽輻射以不同的角度彎曲。這種折射在水中也能看到。它被稱為入射輻射的折射。例如，稜鏡會折射透過它的光線，使不同的波長以不同的角度彎曲，從而將光分離成不同的顏色成分以顯示光譜。在自然界中，當可見光穿過許多雨滴並以精確的角度折射和反射到觀察者時，就會形成彩虹。

反射

反射是指當一部分到達的能量撞擊材料時產生的現象。反射率的大小取決於撞擊表面特徵和撞擊位置。能量可能被完全反射回太空，或者在被吸收後反射回太空。這種返回的能量被稱為反射，特別是當入射角和反射角相等時的鏡面反射。鏡子就是一個例子，它能反射超過90%的可見光。術語反照率用於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陽輻射量的重要因素。因此，從大氣、雲層頂部以及陸地和水體等地表反射回的太陽輻射比例，在沒有加熱接收表面的情況下，稱為反照率。

吸收

在地球大氣中，由於成分不同，大氣會阻擋太陽輻射或吸收一部分太陽輻射，這種被物體吸收的太陽輻射通常被稱為大氣吸收。地球上不同的物質對不同波長的太陽輻射具有不同的吸收能力。這是大氣中存在的成分在某些光譜帶內對所有電磁輻射產生的現象。在這方面，太陽輻射最有效的吸收體是水 (H2O)、二氧化碳 (CO2)、臭氧 (O3)、氧氣 (O2)、氧化亞氮 (NO2)。各種成分的吸收累積效應會導致大氣在光譜的某些區域完全封閉，從而導致溫度升高。一般來說，良好的輻射體也是良好的吸收體，而差的輻射體也是差的吸收體。就顏色而言，深色表面在可見光譜範圍內比淺色表面更有效地吸收輻射。

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影響太陽輻射的因素

地球表面接收的太陽輻射量並不均勻，它會根據地點和時間而變化。當熱帶地區接收到的年太陽輻射量最大時，它會逐漸向兩極遞減。夏季太陽輻射量較多，冬季太陽輻射量較少。影響太陽輻射量的主要因素是：

太陽輸出/常數
太陽光線的入射角
白天的時間長度
地球與太陽的距離
大氣的透明度

太陽輸出/常數

地球大氣層頂端接收到的太陽輻射稱為太陽常數。它是在大氣層頂端（熱層頂）垂直於太陽光線的平面上接收到的。熱層頂接收到的平均太陽輻射量為1368Wm2（瓦特每平方米）能量（太陽常數），以短波形式。因此，對於地球與太陽的平均距離而言，它被稱為太陽常數。這些太陽常數會因太陽表面的週期性擾動和爆炸而發生變化，其變化幅度在1 Wm2以內，主要與太陽黑子有關。太陽黑子是太陽表面可見的黑暗且較冷的區域。最近的研究表明，當太陽黑子數量較多時，會釋放出更多的能量。太陽黑子的數量也會定期增加或減少，形成一個11年的週期。

入射角

由於地球是一個類似球體的地球體，因此太陽光線在不同地點以不同的角度照射到地球表面。這取決於地點的緯度。緯度越高，太陽光線與地球表面形成的角度越小。垂直光線照射到的面積總是小於斜射光線照射到的面積。如果照射到更大的面積，能量就會分散，每個單位面積接收到的淨能量就會減少。與大角度照射的光線相比，小角度照射的太陽光線穿過更多的大氣層。太陽光線照射到地球表面的角度稱為入射角。它控制著地球表面接收到的太陽輻射量。太陽輻射量由一天中的時間（早上、中午和晚上）、緯度（赤道到兩極）和季節（夏季、秋季、冬季和春季）決定。當太陽光線垂直照射或太陽直接位於頭頂時，光線的入射角為90度。與傾斜的太陽光線相比，光線束在更小的面積上散佈。當太陽處於垂直位置時，光束將在1英里的區域內散佈，但在太陽傾斜（300角）的情況下，相同的太陽光束將在2英里的區域內散佈。很明顯，傾斜光線比垂直光線損失的輻射能量更多。因此，平均而言，赤道地區接收到的太陽輻射量大約是極地地區的2.4倍。

白天的時間長度

白天的時間長度決定著陽光照射的時間，從而影響著地球表面接收到的太陽輻射量。陽光照射時間越長，地球的一部分接收到的太陽輻射量就越多。例如，在赤道地區，一年中所有月份的白天和黑夜時間都是12小時，但在北極和南極的熱帶地區，陽光照射時間在0到24小時之間變化。在秋分和春分(分別為9月23日和3月21日)，太陽在中午位於赤道上空。這些日子裡，地球各地的黑夜和白天時間都相等，赤道接收到的太陽輻射量最大，太陽輻射量向兩極遞減。這是因為赤道地區的陽光垂直照射，而隨著緯度的增加，光線變得越來越傾斜。因此，向兩極方向，接收到的能量會不斷下降。

地球與太陽的距離

地球以橢圓軌道繞太陽執行，導致地球與太陽之間的距離每年發生持續變化。這會導致地球接收到的太陽能發生季節性變化。地球與太陽之間的平均距離約為149,600,000公里（92,900,000英里）。當地球距離太陽最遠(15200萬公里)時，稱為‘遠日點’，發生在7月4日。它是近日點（14700萬公里），發生在1月3日。在遠日點期間，北半球朝向太陽，因此接收到的能量比近日點（南半球）少大約7% 。

大氣的透明度

大氣層並非對所有來自太陽的輻射都是透明的，其原因在於大氣層的不同組成和層次。大氣層也是影響到達地球表面的太陽輻射量的一個重要因素。大氣層由氣體、水蒸氣和顆粒物組成。大氣層主要由氮氣 (N)、氧氣 (O2)、氬氣、二氧化碳、氖氣 (Ne)、氦氣 (He)、甲烷 (CH4)、氪氣 (Kr)、臭氧 (O3)、氧化亞氮 (N2O)、氫氣 (H) 和氙氣 (Xe) 等氣體組成。大氣層還包含水蒸氣，即氣態的水。

大氣層加熱和冷卻的機制

大氣層的加熱和冷卻透過以下過程實現：

大氣層對太陽輻射的部分吸收
傳導
地面輻射
對流
平流
凝結潛熱
空氣膨脹和壓縮