高中地理课本太阳辐射图的判读

高中地理课本太阳辐射图的判读

课程教材研究所丁尧清

高中《地理1必修》（人教版）选用了一幅大气上界太阳辐射日总量立体图（图1），说明太阳为地球提供能量及其对自然环境的影响。在试教过程中，一些师生反映图像阅读困难，难以理解，在此作简要说明。

首先，该图表示大气上界（不是地表），即大气暖层距地表480千米处的太阳辐射状况。其次该图从两个方面即纬度和季节来反映太阳辐射日总量的分布情况。

按照课本要求，学生应当能够大致说出太阳辐射的纬度分布情况，对细节可不作过高追求，重点在于找大规律，例如太阳辐射日总量从低纬向高纬递减的趋势（图2，单位为W/m2），据测算，一年中赤道接受的太阳辐射是极地的2.5倍。下面作具体说明。

一太阳辐射分布的不均匀状况

赤道附近大气上界太阳辐射的年变化平缓（图3），两至日较低，两分日最高（350W/m2）。

在极圈内一年中有一段时间太阳辐射为零（图4），但6月北极太阳辐射甚至高于赤道（图4a）。这是因为夏季北极整日暴露在阳光下，而40°N和赤道的日照时间分别是15和12小时。但是由于极地正午太阳高度较低，所以尽管极地日照时数是赤道的两倍，但两者的辐射差值仅为100W/m2。

南极12月份的辐射（＞550W/m2）高于北极（图4b），这是因为日地距离较近（1月3日为近日点）的缘故。就日地距离而言，近日点时的太阳辐射比远日点时约多7％。

极圈与回归线之间呈单峰式的连续变化（图5）。北半球夏至日最高，冬至日最低；南半球相反，冬至日最高，夏至日最低。这主要是受太阳高度和日照时间的影响。

综上所述，到达大气上界的太阳辐射取决于太阳高度、日地距离和日照时间。其中以太阳高度的影响最为重要。

二地球辐射平衡和能量运动

由于地球距离太阳非常遥远，太阳释放的能量只有极微小的部分（20亿分之一）到达地球，以太阳常数计为1372W/m2。地球每分钟接受的太阳辐射相当于燃烧4亿吨烟煤产生的热量，是地球最主要的能量源泉。太阳常数的微小变化（0.5%或1%）都会引起地球能量系统包括气候的巨大变化。

太阳辐射到达地表以前，要经过大气的削弱作用（反射、散射和吸收），最后被地表吸收的太阳辐射约占47%。天气和气候就决定于接受的太阳辐射和散失热量（反射、散射和辐射）之间的平衡。从1978年开始，美国太空总署先后利用五颗卫星来监测地气能量平衡，卫星遥感器获取入射的短波辐射（光）和射出的长波辐射（热），就得到地气系统的净辐射（图6）。

由图可知，低纬净辐射为正值，高纬为负值。在中高纬度大约南北纬36°为平衡点。赤道附近热带海洋上空净辐射最大（约80W/m2），南极最低。

有趣的是北非撒哈拉地区的能量亏空（－20W/m2）。这里受副高控制，万里晴空，云量少，有利长波辐射散失，而且地表色浅，反射率高，因此净辐射较低。

由于地球系统的能量分布不均匀，使得大气和海洋成为巨大的热机。通过能量传递（如行星风系、洋流、天气系统），极地的能量亏空由热带的能量盈余来弥补（图7）。

就大气热力状况而言，一天内地表辐射和太阳辐射的平衡造成了气温的日变化（图8）。当地面热量由盈转亏时，气温达到最高（午后2时）。当地面热量由亏转盈时，气温达到最低（日出前后）。

三太阳辐射对植物的影响

太阳辐射在热量和光照两个方面影响植物的生长和分布。

首先，太阳辐射对自然环境的作用是间接的提供热量，影响环境的温度状况。温度实际上决定了森林植被和苔原植被的分野。一年当中10℃以上的气温必须维持一段时间（积温），才能保证乔木发育和生长；极地最热月气温＜10℃、长冬无夏，只有少数灌木和地衣才能生长。

其次，光照直接影响植物的生长。（1）光量直接关系到植物的光合生产能力。从全球来看，光照强度由赤道向两极递减，使得高大茂密的热带雨林和低矮的苔原形成鲜明对比。在雨林内部，光能由上而下衰减，形成垂直方向上的林灌草结构。（2）光质。海拔越高，紫外线（杀伤和抑制作用）越强，因此高山植物一般种类稀少、生长矮小。（3）光照时间影响生长周期，形成短日照植物（如玉米）和长日照植物（如冬小麦）。在温带，光照时间在秋季缩短、春季增长，相应的落叶植物呈现长日照生长、短日照休眠的景观。

植物的光能利用率很低（图9），实际测定值仅为2%-5%。生物量（净初级生产量）指植物固定的化学能，是用光合作用同化的太阳能扣除呼吸消耗的能量。植物的生产力受光照、降水和土壤等的影响。一般而言，热带森林的生物量最高（表1），其次是沼泽植被，荒漠植被最低。

表1不同生态系统的生物量