第二节 外来能

外来能中占绝对地位的当推太阳辐射能。它是热核反应能。如果用 4 克

氢去参加热核反应，放出的能量与一架 20 匹马力的机器，连续工作七年所需要的能量相等。如果有一堆如太阳体积那样大的煤炭，按照现在太阳所辐射出的能量数值去消耗它（太阳每秒钟辐射到太空中的能量相当于一秒燃烧115 亿吨的煤炭），只须燃烧三千年，即可全部将它们变为灰烬。但太阳持续地发射巨额数值的能量，至少已经保持一百亿年以上的时间了。这正是太阳进行热核反应的结果。

人们注意到两种最轻的化学元素氢和氦的原子量关系。氢的原子量是1.008，氦的原子量是 4.003，当四个氢原子合成一个氦原子时，就可以多余出 0.029 单位的质量。按照爱因斯坦的质量和能量关系公式，即能量（E）等于质量（m）与光速（c）的平方的乘积：

E=mc² (4．2)

据此，多余出来的质量可以转换成巨额的能量，这个著名的质能转换公式，不仅揭示了质量与能量间的联系，而且告诉我们太阳为何能提供巨额能量的原因。因为氢和氦这两种元素，在太阳的物质组成中占绝对优势。

太阳的总质量约为 2×10³³ 克，假若全部由氢组成，根据热核反应来计算，可以放出的总能量达到 1.28×10⁵² 尔格，现在测定太阳向外部空间发射的总能量为每秒钟 3.7×10³³ 尔格，据此推断，太阳中由质子合成氦的过程， 至少可以延续 10¹¹ 年，即一千亿年以上。这样，从地球形成直至目前的几十亿年内，可以认为太阳向外发射的能量稳定地保持着比较固定的数值。地球每时每刻接受着太阳投在其上的辐射能，它从太阳接受的能量只占太阳同时向太空辐射总量的二十亿分之一。由于日地距离较远的缘故，太阳光线要经过 498 秒的时间，方能抵达我们所在的地面。因此，地球上接受的太阳光线， 被当作平行光线看待。这对我们处理地表面辐射平衡的问题时，是很有帮助的。

能量一般都具有一定的质量作为载体，而任何质量本身又包含着一定量的能量，正如爱因斯坦所阐明的质能转换定律那样，于是在进行能量交换时， 必须也伴随着质量的变化。太阳不断发光，发射的虽然是能量，但它的质量也是在不断地减少的。太阳每秒钟由于电磁辐射而损失的质量约为 400 万吨。地面接受了太阳辐射，吸收了能量，但其质量也相应地增加，只是由于太微小的缘故，一般是无法觉察出来的。

地球在一日之内，从太阳辐射总量中接受到 20 亿分之一的能量，等于爆

炸 10 万颗氢弹所释放的能量，或者相当于上万个飓风中所包含的能量。一日中地球所接受的太阳能，等于现在全世界在一年内消耗总能量的二百倍。可见外来能数量之巨大。

太阳的温度很高，因此它所发出射线的波长相应也较短，这样一般人也将太阳辐射称之为短波辐射。为了说明短波辐射到达地表的过程，首先需要阐明“太阳常数”的含义，这是计算地表能量平衡的基本依据。

所谓太阳常数，是指位于地球的大气之外，在日地平均距离上，垂直于太阳光线的一平方厘米面积上，每分钟所接受的太阳辐射能数量。长期以来， 太阳常数的数值被近似地认为等于 1.9 卡／厘米 ²·分，也有人取 2.0 卡／ 厘米 ²·分，在全世界范围组织的“国际地球物理年”中，确定太阳常数等

于 1.98 卡／厘米 ²·分，但最近的观测表明稍微小于此数值，介于 1.94—1.95卡／厘米 ²·分。应当指出，对于许多研究者来说，更为重要的不是太阳常数的“理论真值”，而是它的“条件值”，即相应于抵达大气对流层上界的太阳能辐射值。现今这个“条件值”通常采用 1.90—1.92 卡／厘米 ²·分。太阳常数随时间的稳定性问题，一直是人们十分关注的。一些人倾向认

为，即使太阳常数发生了变化，这个变化的幅度也不可能超过测量该数值时的误差范围。应当记住的是，太阳常数如果真的发生了较大的变化，即可对地球产生显著的效应，这对研究气候变迁有很大关系。理论计算表明，太阳常数如果有 1％的改变，则地球温度相应的变化可达 1.5℃左右，由此可以看出它的重要作用来。但在讨论地表能量平衡时，一般都把太阳常数作为一个恒定值来处理。这对于确定自然地理面的外部环境输入时，给定了一个计算的标准。

确定了太阳常数的数值，整个地球所截获的太阳辐射能总量就不难推算出来。这个数值等于太阳常数与正对太阳时地球最大截面积的乘积。地球的最大截面积约为一亿三千万平方公里，所截获的总能量数值就是 2.5×10¹⁸ 卡／分。事实上，地球并不是垂直于太阳射线的一个平面圆盘，而是一个旋转椭球体，其表面积应是上述截面积的四倍，这样大气上界每平方厘米平均收入的太阳辐射能（对全球来说）只能是太阳常数的四分之一。

太阳辐射能抵达地球的轨道时，其数值为 S0／l2，S0 为太阳常数，l 为日-地（在给定的时间）之间的距离与日地平均距离之比率。这样，在地球水平面上，如暂不考虑大气及其它因素的干扰，所接受的太阳辐射能数值即为：

Q = S0 cos Z

s l2 0

(4.3)

Z0 为太阳的方向和天顶之间的角度。天顶角的数值取决于地球本身的形状及运动状况，即取决于纬度、一日中的时间和季节。如以Φ代表地理纬度， δ0 代表太阳的偏角，ω代表太阳的时角，那么

cosZ0=sinφsinδ0+cosφcosδ0cosω (4．4)

太阳辐射能是地表面所吸收的最主要的外来能，但并非是唯一的外来能。在外来能中，尚有星际之间的引力能，如月亮和太阳对于地球的潮汐作用。此外，这些外来能中还有：由于陨石物质在地球引力场中的堕落而带来的机械能；有各种宇宙射线与地表物质的作用及辐射化学效应而致的化学能等⋯⋯，这些外来能的量级与太阳辐射能相比，一般均可将它们忽略，但在某种专门的讨论中，它们的作用还是必须被提及的。