第一节 太阳辐射的性质及其变化

一、太阳光谱

太阳光极为宽阔的连续谱以及数以万计的吸收线和发射线是一个丰富的太阳信息宝藏。太阳光谱属于G2V光谱型，有效温度为5770 K。光是太阳的辐射能以电磁波的形式投射至地球表面上的辐射线。太阳辐射（solar radiation）波长的范围很广，它能从0至无穷大，但主要波长范围为0.15～4 μm，绝大部分能量集中在此范围内，占太阳辐射总能量的99.5%，辐射最长的波段为0.475 μm。

太阳光谱（solar spectrum）是指太阳辐射经色散分光后按波长大小排列的图案，它包括无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线等几个波谱范围（图2-1）。太阳辐射能按波长不同顺序排列称为太阳辐射光谱。根据人眼所能感受的光谱段，光可分为可见光和不可见光两部分。可见光谱段的波长在0.38～0.76 μm，即人眼能看见的白光。可见光谱又分为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种色光。红光波长为0.76～0.63 μm，橙光0.63～0.60 μm，黄光0.60～0.58 μm，绿光0.58～0.49 μm，蓝光0.49～0.44 μm，紫光0.44～0.38 μm。波长大于0.76 μm和小于0.38 μm的太阳辐射，是人眼看不见的光，即不可见光。波长大于0.76 μm的光谱段叫红外光，可借助热的感受察觉这种光的存在，地表热量基本上是由这部分太阳辐射能产生的，其波长越大，增热效应也越大。波长小于0.38 μm的光谱段叫紫外光，其中波长短于0.29 μm的部分被大气圈上层（平流层）的臭氧层吸收，所以紫外光部分真正射到地面上的多为波长在0.29～0.38 μm的紫外光。在全部太阳辐射中，红外光区约占47%，紫外光部分约占9%，其余的44%为可见光部分（图2-2）。

地面观测到的太阳辐射的波段范围大约为0.295～2.5 μm，其中被植物色素吸收的具有生理活性的波段称为生理有效辐射，约在0.38～0.74 μm，此波段与可见光波段基本相符。可见光中对植物生理活动具有最大活性的是橙光、红光，其次是蓝光。植物对绿光吸收少而多被反射，所以植物叶片多为绿色。在短波方面，0.29～0.38 μm波长的紫外光能抑制茎的延伸，促进花青素的形成；短于0.295 μm和大于2.50 μm波长的太阳辐射，因地球大气中O3、水汽和其他大气分子的强烈吸收，不能到达地面；小于0.29 μm波长的紫外光对生物有很强的杀伤作用，不过这部分光多被高空臭氧层吸收。在长波方面的红外光，不能引发植物的生化反应，但有增热效应。所以，太阳辐射中各种不同波长的光，对植物具有不同的光化学活性及刺激作用。光是绿色植物进行光合作用不可缺少的能量源泉，只有在光照下，植物才能正常生长、开花和结实，同时光也影响植物的形态结构和解剖特征。光对植物的影响表现在光照强度、光照时间和光质三个方面。

二、太阳辐射穿越大气层后的变化

太阳辐射在大气层上界的分布是由地球的天文位置决定的，称为天文辐射（astronomical radiation）。由天文辐射决定的气候称为天文气候。天文气候反映了全球气候的空间分布和时间变化的基本轮廓。

光强一般用能量单位来表示，在夏季晴天，落到地平面上的太阳光强度可达5～5.5 cal/（cm2·min）。在测量某生境的光照强度时，也可用照度单位勒克斯（lx），主要指可见光部分。在地球大气层上界，太阳光的强度是恒定的，为1.94cal/（cm2·min），这一数值称为太阳常数。地球周围的大气层在垂直方向上可分为对流层、平流层、电离层。主要成分为分子和其他微粒，分子主要有N2和O2，约占99%；O3、CO2、H2O及其他分子约占1%。微粒主要有烟、尘埃、雾、小水滴及气溶胶等。距地面越高，大气成分含量越少，空气越稀薄。太阳光通过大气层后，由于被反射、散射和被气体、水蒸气、尘埃微粒吸收，其强度和光谱组成都发生了显著减弱和变化（图2-3），通过大气层后，仅有约48%到达地面，其中约30%为直接辐射，18%为散射辐射。在穿越大气层的过程中，一部分太阳辐射被反射，其中被反射回太空的那部分不再对地球生态起作用，但大多数被反射的部分会被大气再吸收，从而使大气升温，对全球气候的形成有非常重要的作用。

能够对太阳辐射起反射作用的物质主要有大气分子、水汽分子、小水滴以及灰尘等，其中反射作用最强的当属云层，平均反射率为50%～55%。高而薄的云反射率小，为20%～25%；低而厚的云反射率大，约70%，最大可达90%。通过大气吸收作用，太阳辐射被削弱的部分主要是红外线和紫外线，而对可见光影响不大。大气中的不同成分，对太阳辐射的吸收特性不同：①水汽吸收太阳辐射的红外线部分能力最强，其吸收波长范围主要在0.93～2.85 μm之间。由于大气水汽含量是变化的，所以其太阳辐射吸收量也是变化的。②大气中O2含量虽高，但对太阳辐射的吸收能力不强，其主要吸收波长小于0.2 μm的紫外线辐射。③大气中O3含量虽低，但对太阳辐射的吸收能力很强。它能大量吸收小于0.29 μm的紫外线辐射，大大降低地表紫外光强度，对0.6 μm附近的太阳辐射中最强部分也有一定吸收能力。因此，O3对太阳辐射的吸收对平流层的增温起着重要作用。④CO2对太阳辐射的吸收能力较弱，仅对红外线4.3 μm附近的辐射有一定吸收能力（这部分的太阳辐射很微弱），所以CO2对太阳辐射的影响较小。⑤悬浮于大气中的水滴、尘埃等杂质也能吸收一部分太阳辐射，其影响大小主要取决于水滴、尘埃等杂质在大气中的含量。例如，当大城市上空出现沙尘暴等天气时，它们对太阳辐射的吸收作用才较显著。在对流层里，对太阳辐射起吸收作用的成分主要是水汽、杂质和CO2；在平流层里主要是O3；在高层大气里主要是O2。

太阳辐射在大气中遇到空气分子或微小尘埃时会发生散射。散射有两种情况：①当发生散射作用的质点是空气分子或微小尘埃时，其散射能力与波长的四次方成反比。因此，在可见光部分，蓝紫色光波长最短，散射能力最强，所以在晴朗的天空，特别是雨过天晴时，天空呈现蔚蓝色；充满尘埃（如污染较重的城市工业区）的天空呈现棕色或红色，日出和夕阳落山时太阳四周出现红色就是因为在近地表处的大气中尘埃较多。②当发生散射作用的质点是颗粒较大的尘埃、雾粒、小水滴等时，其散射无选择性，各种波长同样被散射，天空呈白色，所以在阴天或者大气中尘埃、烟雾较多时，天空呈灰白色。因散射作用而使太阳辐射削弱的主要部分是可见光中的短波部分。

由上可知，太阳辐射通过地球大气层时，由于大气的吸收、反射和散射作用，到达地面的太阳辐射受到削弱，削弱的主要部分是波长较长的红外线和波长较短的紫外线，而可见光部分被削弱的较少，所以到达地面的太阳辐射主要集中在可见光部分（图2-3）。可见光集中了太阳辐射一半的能量，它给予地球表面以巨大的能量，是发生在地理环境的各种现象和过程中最重要的能量源泉。

三、地表处的太阳辐射状况

太阳辐射到达地球表面，一部分被地表反射，另一部分被地表吸收。被反射的部分与已到达地表的太阳辐射量的比值称为反射率（albedo）。地表对太阳辐射反射的多少主要取决于地表介质的差别，地球表面的反射率在3%～95%之间。地表对太阳反射率最大的为新降的积雪，约95%；反射率最小的是森林和深海，约为3%。另外，对不同波长太阳辐射的反射也要看介质如何，有的介质因对不同波长的太阳辐射反射等同，如雪等，因而呈白色；有的介质对不同波长的太阳辐射反射率不同而呈不同的颜色，如绿色植物的叶片对太阳辐射中绿色部分反射较多，因而呈绿色。

地表介质对太阳辐射的吸收因介质不同而有所不同，但最终会导致地表升温，地表升温后，又会向外辐射一部分热量，而此时被辐射的部分其波长峰值在10 μm处（红外光），大气对该长波辐射几乎是不传播的，从而造成大气升温，产生类似温室的保温效应现象，这种现象就是“温室效应”。在生产实践中，仿效该种效应创造了温室、大棚等，温室的玻璃或大棚的塑料薄膜等透明或半透明的密闭空间，就像大气层一样，能允许太阳辐射进入内部使其温度升高，而向外辐射部分却不能被传播只能被吸收，这样便达到保温和升温的目的。

四、光照的影响因素

进入地球表面的太阳辐射，由于不同因素的影响而发生变化，这些因素归根到底可分为空间因素和时间因素两大类。

（一）空间因素

影响太阳辐射的空间因素主要有纬度、海拔、坡向与坡度以及大气状况四种。

1．纬度

纬度（latitude）的变化对太阳辐射的影响主要通过太阳高度角的变化来实现。太阳光线与地平面的夹角称为太阳高度角，它有日变化和年变化。太阳高度角大，则太阳辐射强。光强随纬度的增加而减弱，这是因为纬度越低，太阳高度角越大，太阳光通过大气层的距离越短，地表光照就越强。在赤道，太阳直射光的射程最短，光照最强；随着纬度增加，太阳高度角变小，光强相应减弱（图2-4）。例如，春分时，太阳辐射量在北纬40°处比在赤道附近约低30%。

2．海拔

海拔（altitude）是影响太阳辐射强度的因子之一。光照强度随海拔高度的升高而增强，这是因为随着海拔升高，大气层厚度相对减小，空气密度减小，大气透明度增加。如在海拔1000m的山地可获得全部太阳辐射能的70%，而在海平面上只能获得50%。在高海拔处紫外光的量比低海拔处多，这也是高海拔处植物生长受抑制的原因之一。

3．坡向与坡度

坡向（aspect）也影响光照强度。在坡地上，太阳光线的入射角随坡向和坡度而变化。在北半球纬度30°以北的地区，太阳位置偏南，南坡所接受到的光照比平地多，北坡则较平地少。原因在于南坡上太阳的入射角较大，照射时间较长，北坡则相反，而且这种差异会随着坡度的增加而增加。

（二）时间因素

光照强度一般随季节和昼夜而发生有规律的变化。在时间变化上，一年中以夏季光强最大，冬季最小；一天中，以中午光强最大，早、晚最小。日照长度反映每天阳光的照射时数，即昼长。在北半球，夏半年（春分到秋分）昼长夜短，以夏至的昼最长，夜最短；冬半年（秋分到春分）则昼短夜长，以冬至的昼最短，夜最长。日照长度的季节变化随纬度不同而不同，在赤道附近，终年昼夜相等；随着纬度增加，冬半年昼越短，夜越长；在两极地区出现极昼、极夜现象，即夏季全是白天，冬季全是黑夜（表2-1）。表2-2列出了我国不同纬度城市的日照长度。

（三）树冠与植物群落中的光照情况

照射在植物叶片上的太阳光约有70%为叶片所吸收，20%左右被叶面反射，通过叶片透射下来的光较少，一般为10%。叶片吸收、反射和透射光的能力因叶的厚薄、构造和颜色的深浅以及叶表面的性状不同而异。一般地说，中生形态的叶透过光辐射约10%，非常薄的叶片可透过40%以上，厚而坚硬的叶片可能完全不透光，但对光的反射率相对较大，密被毛的叶片能增加反射量。

光辐射波段不同，叶片对其反射、吸收和透射的程度也不同。在红外光区，叶片反射垂直入射光约70%。在可见光区，叶片对红橙光和蓝紫光的吸收率最高，为80%～95%，而反射较少，约为3%～10%；绿色叶片对绿光吸收较少，反射较多，约为10%～20%。在紫外光区，只有少量光被反射，一般不超过3%，大部分紫外光被叶表皮截留。一般地说，反射最大的波段透过率也最大，即红外光和绿光的透过最多，所以在林冠下红绿光的阴影占优势。

在树冠中，叶片相互重叠并彼此遮阴，从树冠表面到树冠内部光强度逐步递减，因此，在一棵树的树冠内，各个叶片接受的光辐射量是不同的，这取决于叶片所处的位置以及与入射光的角度（图2-5）。

在植物群落内，由于植物群落对光的吸收、反射和透射作用，所以群落内的光照强度、光质和日照时间都会发生变化，而且这些变化随植物种类、群落结构以及在不同的时间和季节而不同。例如，在较稀疏的栎树林中，上层林冠反射的光约占18%，吸收的约占5%，射入群落下层的约为77%。在针阔混交林群落，上层树冠反射的光约占10%，吸收的约占70%，射入群落下层的约为11%。越稀疏的林冠，光辐射透过率越大。

一年中，随季节更替，植物群落的叶量不断变化，因而透入群落内的光强也随之变化。冬季在落叶阔叶林的林地上可照射到50%～70%的阳光，春季树木发叶后可照射到20%～40%，但在盛叶期林冠郁闭后，透到林地的光照仅在10%以下。对常绿林而言，则一年四季透入到林内的光照强度较少并且变化不大。光辐射透过林冠层时，生理辐射大部分被林冠吸收，因此，群落内对光合作用有效的光辐射比群落外的要少。针对群落内的光照特点，在配置植物时，上层应选阳性喜光树种，下层应选耐阴性较强或阴性植物种。