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##正文###一、太阳是光能的源泉知识风向标万物生长靠太阳。太阳以它灿烂的光芒和巨大的能量给人类以光明，给人类以温暖，给人类以生命。那么，太阳到底是个什么样子，它距离我们有多远，究竟有多大，是由什么组成的，构造又是怎样的呢？太阳和人类的关系再密切不过了。没有太阳，便没有白昼；没有太阳，一切生物都将死亡。人类所用的能源，不论是煤炭、石油、天然气，还是风能和水力，无不直接或间接来自太阳。人类所吃的一切食物，无论是动物性的，还是植物性的，无不有太阳的能量包含在里面。完全可以说，太阳是光和热的源泉，是地球上^^切生命现象的根源，没有太阳便没有人类。太阳是光能的源泉我们肉眼看见的太阳，高悬在蔚蓝色的天空，金光灿烂，绚丽多姿，轮廓清晰，表面十分平静。但是，实际上太阳却是一个巨大的球状炽热气团，整个表面是一片沸腾的火海，极不平静，每时每刻都在不停地进行着热核反应。据科学家们的研究和探索，可把太阳分为太阳大气和太阳内部两大部分。太阳大气的结构，有3个层次，最里层为光球层，中间层为色球层，最外层为日冕层。(1）光球层我们平常所见的那个光芒四射、平滑如镜的圆面，就是太阳的光球层。它是太阳大气中最下面的一层，也就是最靠近太阳内部的那一层，厚度约为500千米左右，仅约占太阳半径的万分之七，非常薄。其温度在55001左右，太阳的光辉基本上就是从这里发出的。它的压力只有大气压力的百分之一，密度仅为水的数亿分之一。⑵色球层在发生日全食时，在日轮的四周可以看见一个美丽的彩环，那就是太阳的色球层。它位于太阳光球层的上面，是稀疏透明的一层太阳大气，主要由氢、氦、钙等离子构成。色球层的厚度各处不同，平均约为2000千米左右。温度比光球层要高，从光球顶部约43001，到色球顶部，温度可增加到几万度，但它发出的可见光的总量却不及光球层。(3)日冕层在发生日全食时，我们可以看到在太阳周围有一圈厚度不等的银白色环，这便是日冕层。日冕层是太阳大气层的最外层，在它的外面，便是广漠的行星际空间了。日冕层的形状很不规则，并且经常变化，同色球层没有明显的界限。日冕层的厚度不均匀，但范围很大，可以延伸到500万?600万千米。它的组成物质特别稀少，只有地球高空是大气密度的几百万分之一。亮度也很小，仅为光球层的一百万分之一、光可是它的温度却很高，达到100多万摄氏度。根据高度的不同，日冕层可分为两个部分，高度在17万千米以下范围的叫内冕，呈淡黄色;温度在100万摄氏度以上，高度在17万千米以上范围的叫外冕，呈青白色，温度比内冕略低。太阳的物质，几乎全都集中在内部，大气在太阳总质量中所占的比重极小，可以说是微不足道的。在太阳内部的最外层，紧接着光球的，是对流层。这一区域的气体，经常处于升降起伏的对流状态。它的厚度大约为几万千米。科学家利用太阳光谱分析法，已经初步揭示了太阳的化学组成。目前，在地球上存在的化学元素，大多数在太阳上都有。地球上的92种自然元素中，有66种已在太阳上先后被发现。构成太阳的主要成分是氢和氦。氢的体积占到整个太阳体积的78.4^，氢的体积占到整个太阳体积的19.8^。此外，还有氧、镁、氮、硅、硫、碳、钙、铁、钠、铝、镍、锌、钾、锰、铬、钴、铁、铜、钒等60多种元素，但它们所占的比重极小。太阳是距离地球最近的一颗恒星。地球与太阳的平均距离，最新测定的精确数值为千米，一般可取为1.5亿千米。用肉眼观看，太阳的大小和月亮的大小差不多，都宛如一个大圆盘。但是实际上，太阳的体积却是极其巨大的，是^^个庞大的星球。据到目前为止最精确的测定，太阳的直径为1392530千米，一般可取为139万千米，相当于九大行星直径总和的3.4倍，比地球的直径大109.3倍，比月亮的直径大400倍。太阳的体积为14122亿个百万立方千米，为地球体积的130万倍。我们肉眼观看太阳和月亮的大小差不多，那是因为月亮同地球的平均距离仅为384400千米，比太阳同地球的平均距离近400多倍的缘故。太阳的质量，据推算，约有I989亿亿亿吨，相当于地球质距离地球最近的恒星太阳量60万亿亿吨的33丨34万倍。物体的质量同它的体积的比值，称为物体的密度。太阳的密度，是很不均匀的，外部小，内部大，由表及里逐渐增大。太阳的中心密度为1立方厘米160克，为黄金密度的8倍，但其外部的密度却极小。就整个太阳来说，它的平均密度为1立方厘米1.41克，比水的密度在4时1立方厘米为1克大将近半倍，比地球物质的平均密度这就是太阳的外观。曰全食立方厘米5.5克小得多。曰全食现象光芒四射的太阳，平日是那样灿烂辉煌。可有时，一轮圆曰突然被一个黑影挡住，黑影越来越大，太阳的光辉渐渐减弱，甚至整个日轮被黑影吞没了；一瞬之间，夜幕降临，繁星缀空。这就是“曰全食”现象。由于月球比地球小，在发生日食时地球上被月球影子掠过的地面是一个狭窄的地带，称为“全食带”。全食带的平均宽度只有200?300千米，长度达千米。全食带两旁，有较广阔的半影扫过的区域，称为“半影区”，在这里看到的是偏食。半影区以外就看不到日食了。因此，地球上同一地点平均要相隔300多年才能看到一次日全食。在整个日全食中，从初亏到复圆，虽然长达2小时以上，但全食阶段一般只有3?4分钟，最长的也只有7分40秒.太阳是光能的源泉1.无比的能量知识风向标太阳是和我们住在地球上的人类关系最密切的天体，是热和光的泉源。它伟大庄严，懷慨无私，一刻不停地把大量的热和光供给地球家族的每一个成员，射向宇宙空间。地球受太阳的照耀，才有光明温暖，才有风风雨雨，才有江水奔流，才有鸟语花香，才有生机万物。没有太阳，地球就会变成一个黑暗的、死气沉沉的世界。那么，太阳的能量有多大呢？是谁给予它无穷无尽的光和热呢？法国作家拉，封登著的《拉，封登寓言选》中，有一则“太阳和北风”的故事：“初秋的一天，一位旅行家在匆匆地赶路。太阳和北风见了，决定打个赌，看谁威力大，逼使这位旅行家脱掉外套。北风说：‘只要我把风呼呼一吹，准会把他的外套吹得无影无踪。。于是，风鼓足了气，呼号奔腾，晡晡作响，房顶被它掀掉了，树木被吹得七歪八斜。旅行家却把外套裹得紧紧的，北风吹得白费气力。于是，太阳出来了，它驱散了乌云，使大地充满了活力。阳光照在旅行家身上，暧洋洋的，这位旅行家穿着外套，浑身汗湿，不得不乖乖地脱去了外套。太阳胜利了，它那柔和的阳光战胜了狂怒的北风。这个有趣的寓言，说明太阳的威力是十分巨大的。它具有无比的能量，一刻也不停息地向外发射着巨大的光和热。太阳是一颗熊熊燃烧着的大火球，温度极高。太阳的表面温度为54971，太阳内部的温度，据据天体物理学的理论计算，高达1500万?2000万I，压力高达3000多亿个大气压，密度高达1立方厘米160克。太阳是映入人们眼帘中的一颗最明亮的恒星，人们称它为“宇宙的明灯”。骄阳当空，金光四射，使人不敢正视。对于生活在地球上的人类来说，太阳光是一切自然光源中最明亮的。那么，太阳究竟有多亮呢？据科学家计算，太阳的总亮度大约为2丨5^1027烛光（烛光是光源明亮度的单位，中国大陆的早些时候，把每1瓦的白炽灯的发光强度称之为1烛光〕。这里还要指出，地球周围有一层厚达100多千米的大气，使太阳光大约减弱了20^左右。在修正了大气吸收的影响之后，我们得到的太阳的真实亮度就更大了，大约为3乂1027烛光。这真是一个大得惊人的天文数字。太阳的温度既然如此之高，太阳的亮度既然如此之大，那么它的辐射能量也一定会是很大的。是的。平均来说，在地球大气外面正对着太阳的1平方厘米的小面积上，每分钟接受的光能量大约为1.96卡。这是一个很重要的数字，叫作太阳常数。这个数字表面上看来似乎不大。但是，太阳距离地球1.5亿千米之外，它的能量只有1/22亿到达地球之上。整个太阳每秒钟释放出来的能量，高达3.826乂1088尔格，或8.95.1026卡，相当于每秒钟燃烧1.28亿亿吨标准煤所放出的能量。###是谁给予太阳无穷无尽的光和热呢？起初，有人猜想，太阳的能量可能是由物质的熊熊燃烧发出来的。但是，简单计算一下就会明白，如果太阳是靠烧煤的办法来获得能量，那么它一秒钟之内就得烧掉1.3亿亿吨好煤，即使整个太阳都是用煤做成的，也只能燃烧几千年，哪里能维持这么长的寿命？也有人认为，宇宙空间有大量的陨星、尘埃，它们以每秒钟600千米的高速度，与太阳碰撞、摩擦而产生热量。但是研究证明，通过这种方式产生的光和热是微不足道的。19世纪中叶，又有人提出“收缩学说”，认为太阳由于引力作用逐渐收缩而产生能量。还有人设想，放射性元素蜕变是太阳获得能量的基础。所有这些说法，后来都被科学发展的事实否定了。直到20世纪，当人们对原子能逐渐有了认识以后，终于揭开了太阳放热发光之谜。原来，太阳的能量来源于原子核反应。通过对太阳的光谱分析，可以知道太阳是由70多种化学兀素组成的。其中最多的是氢，约占太阳总质量的議其次是氦，约占：27^，其他还有氧、碳、氮等，这些元素只占太阳总质量2^。在太阳内部，越往里温度越高，压力越大。太阳中心的温度达1500万?2000万摄氏度，压力可达3000亿个大气压。我们知道，原子是由原子核和绕核旋转的电子组成的。原子失去全部或大部分核外电子，就变成了赤裸裸的原子核。在太阳内部这样一个高温高压的环境里，原子核到处乱窜，相互激烈碰撞，发生4个氢原子核聚变成1个氦原子核的过程，同时释放出巨大的能量，正像氢弹爆炸时发生的热核聚变反应一样。现在我们明白了，氢原子核才是太阳获得能量的真正燃料。太阳光宇宙空间的是宇宙空间一座庞大的热核聚变反应堆。数十亿年来，太阳就是靠这种反应产生巨大的能量，由太阳内部传到表层，不断地发射光和热。根据目前对太阳内部氢的含量的估计，这种状态还能维持约50亿年。假曰奇景:有时，我们在天空中会看到出现三个太阳的奇景，这是为什么呢？原来，这是由太阳光照射到空中悬挂着的无数小冰晶上，发生折射而产生的一种现象。有时，天空中会出现一块半透明的薄云，里面有许多飘浮在空中的六角柱形状的小冰晶体。它就像一段段六角形的绘图铅笔，整整齐齐地、竖直地排列在空中。当太阳光射在这一根根六角形冰晶柱上，就会发生很有规则的折射现象。从冰晶柱出来的三条光线都射到人的眼睛中，中间一条太阳光线，是由中间位置的太阳直接射来的，是真正的太阳；旁边两条光线，是太阳光经过六角形冰晶柱，折射而来的。这样，在人们的感觉中，另外还有两个太阳，但它实际是太阳的虚象，也称假曰。知识风向标地球上有火山、地震、风暴等各种变化，在太阳上是否也有类似的变化呢？我们每天看到的太阳似乎总是一个样子，那么，是否太阳上一切都很平静呢？其实，太阳上每时每刻都在发生着变化，这些变化大得简直与地球上的那些变化无法相比：地球上的风暴，每小时50千米的风速已经凶猛得可怕；而太阳上的风速，每小时竟可达20万千米！地球上的火山爆发，堪称自然界的壮观，但太阳上类似的爆发其规模比地球大何止千百万倍。太阳上常常发生类似于氢弹的爆炸，它所产生的宇宙线流的强度，却要比氢弹爆炸大100万倍。由于太阳距离地球十分遥远，因而我们用肉眼往往很难发现太阳的变化，但太阳上的变化却对地球和人类的生活有着重要的影响。太阳上的变化被称为太阳活动，下面就对几项主要的太阳活动，分别进行简要的介绍。最早发现的太阳活动就是太阳黑子。太阳黑子是太阳表面最突出的现象，大的黑子不用望远镜，用肉眼也可以看到。在地球上看，黑子是一些大小不同、形状不规则的黑色斑点。但用天文望远镜仔细观测黑子，就可以发现黑子可以分成两部分：中心比较暗的部分叫作“本影”；外围稍为明亮的部分叫作“半影”。现在已经知道，黑子是太阳表面上的“凹坑”，其深度大约为100千米。黑子很少单独出现，常常成群地出现，往往几个黑子包在同一个半影里。小黑子的本影直径只有1000千米左右，大的黑子可达10万多千米，近百年来观测到的一个最大的黑子，其面积竟是地球表面积的144倍。黑子出现后，小的黑子在数小时乃至数天内就可消失，大的黑子往往要一两个月，有的甚至要一年半载才消失。黑子数目的多少和黑子的总面积，经常是变化的，黑子少的时候太阳上可以一个黑子也看不到，黑子多的时候，它们成群地出现，总面积可以达到太阳全部表面积的千分之三四。黑子数目或总面积的改变，平均每隔11年左右就有2次最盛或最衰的时期，这叫作黑子周期。黑子的另一个特点，就是往往在原来黑子消失的地方又会出现黑子，这说明扰动的区域是半永久性的。我们用大的天文望远镜还可以看到，太阳的光球还有许多呈颗粒状的亮斑点，使圆形的日轮像开了锅的粥似的翻腾，因而人们把这些颗粒状的斑点称为“米粒组织”。米粒在太阳表面上闪闪发光，它们的温度要比周围温度高出二三百摄氏度，但它们的寿命却很短，从出现到消失往往只要几分钟。米粒看起来很小，其实也大得惊人，小的米粒直径在300千米左右，一般的米粒直径都在1200千米左右。米粒的实质是什么呢？大多数人认为这是从太阳内部上升到光球表面来的炽热气流，上升的速度是每秒1000米左右。多数米粒出现在太阳圆面的中心，在同一时间里可能有250万个米粒出现，约占整个太阳圆面积的40^。除黑子和米粒之外，在太阳表面还可观测到大范围的亮区，这些亮区称作光斑。仔细分辨就可看出，光斑并不是紧密的组织，而是斑剥疏落，分布在黑子区域，它们在太阳边缘最为显著。光斑好像是潜伏的火山，因为在它们存在的区域，往往会出现活动性很强的日珥和耀斑等现象，会喷出发亮的气体，高达几十万千米。光斑的形状变化极快，但就整体来说，它又是稳定的现象。光斑往往出现在黑子形成之前，而消失又远在黑子消失之后，它往往是同一区域中各黑子群前后相继扰动的联系。和光斑相类似的有亮谱斑，它是出现在色球层里的亮区。和亮斑一样，它们都是表示太阳表面激动的区域。亮谱斑是稳定的，另外有一种突然出现的亮区，叫作耀斑。耀斑发亮的时期很短暂，短则一二十分钟，长的也不过几小时。这些发亮区域的核心大约数百千米，发射能量极高，可达邻近区域的1000倍。这种现象和天体演化上有重大意义的某些不稳定星的亮度突然增加很相似。耀斑和活动性强的黑子有密切关系，并且往往在太阳表面某一小区域重复出现。耀斑和地球上电磁扰动、无线电通信失灵等都有很大的关系。在太阳表面还可看到玫瑰红色的突出部分，它们高达数十万千米，有X朵状、流烟状、龙卷状、树林状等形状，这就是日5耳。它们是由白质的发光质构成的，这种物质的运动速度，每秒可达400千米。按日珥的形状、运动以及其他特征，又可分为几种。形状变化迟缓的，称为宁静日珥，它有时能存在1个月以上。所谓激动日珥，就是由发光质构成的而不断激动的细流。最壮丽的日珥是“爆炸日珥”。它原本是宁静日珥或比它活跃些的光所谓“活动日珥”。但后来突然爆发起来，形成一种极其壮丽的焰火，以每秒数百千米的速度，升腾至数十万到一百余万千米的高空，然而很快就又消失得毫无踪影。因而，它的继续时间甚短，而变化甚速。日冕所在部分所出现的日珥被称为日冕日珥。此外另一大类就是上文提到的“活动日珥”，它包括有“电磁日珥”、“龙卷日珥”、“相互作用日珥”等许多种类。日珥的温度有人认为与反变层的温度相似，约为5000。太阳是活动着的，这正是物质运动的特性，太阳的活动也表明了宇宙是在不断发展、变化和运动着的。我国关于太阳黑子的记载我国早在2000多年以前，就有关于太阳黑子的记载。在一本2000年前的《汉书，五行志》古书上，对公元前28年出现的黑子，曾作了详细的描述。书中把太阳黑子称作为“黑气”、“黑子”、“乌”等，书中它的大小被描述为“大如钱”、“大如卵”等，书中还记载了出现黑子的时间。从汉末到明末的1500年间中，我国史书上共有100多次关于黑子的记录。我国古人观测黑子的方法有两种：一种是把一盆油或者一盆加有墨汁的水放在太阳光下，观测太阳的反射象；另一种是用肉眼在早晚太阳光不太强烈，或者有烟、雾和风沙的时候，进行观测。知识风向标太阳是地球上光和热的主要源泉。太阳一刻也不停息地把它巨大的能量源源不断地传送到地球上来。那么，它是如何传送的呢？大家知道，热量的传播有传导、对流和辐射三种形式。太阳是以辐射的形式向广阔无垠的宇宙传播它的热量和微粒的。这种传播的过程，就称作太阳辐射。太阳辐射不仅是地球获得热量的根本途径，并且也是影响人类和其他^^切生物的生存活动以及地球气候变化的最重要的因素。太阳辐射可分为两种。一种是从光球表面发射出来的光辐射，因为它以电磁波的形式传播光热，所以又叫作电磁波辐射。这种辐射由可见光和人眼看不见的不可见光组成。另一种是微粒辐射，它是由带正电荷的质子和大致等量的带负电荷的电子以及其他粒子所组成的粒子梳。微粒辐射平时较弱，能量也不稳定。在太阳活动极强期最为强烈，对人类和地球高层大气有一定的影响。但是，一般来说不等它辐射到地球表面上来，便在漫长的日地遥远的路途中逐渐消失了，所以不会给地球送来什么热量。因此，下面介绍的太阳辐射，主要是指光辐射。太阳辐射被送往地球，不但要经过遥远的旅程，并且还要遇到各种阻拦，受到各种影响。大家知道，我们生息居住着的地球表面，是被对流层、平流层和电离层三层大气紧紧地包围着的，总厚度高达1200千米以上。从地面到10?12千米以内的一层空气，叫作对流层。从对流层之上到50千米以内的一层大气，叫作平流层。从平流层之上到950千米左右的一层大气，叫作电离层。当太阳从1.5亿千米的远方把它的光热和微粒流以每秒30万千米的速度向着地球辐射时，就要受到地球大气层的干扰和阻挡，不能畅行无阻地投射到地球表面上来。地球是个大磁体，在它周围形成了一个很强大的磁场。磁场控制的1000千米以上，直至几万千米，甚至高达几十万千米的广大区域，叫作地球的磁层。当太阳微粒辐射直奔地面而来时，磁层就有如一堵厚厚的墙壁一样把它挡住，使其不能到达地面。即使会有少数微粒闯入，也往往被磁层内部的磁场当场“俘获”。这可以说是地球对太阳辐射所设置的“第一道防线”。太阳是光能的源泉从而使得人类和各种生物得到保护，能够在地球上平安地生存下来。下面，再介绍一下地球大气层中的各种物质对太阳辐射的影响。大气中的氧，臭氧、水、二氧化碳和尘埃等，对太阳辐射均有不同的吸收作用。其中，氧在西非地区上方的1气层在地球磁层下面的地球大气层中，对流层、平流层和电离层都对太阳辐射有吸收、反射和散射的作用。其中，电离层不仅可以将太阳辐射中的无线电波吸收或反射出去，而且会使有害的部分紫外线和X射线在这里被阻，不能到达地面。这就是“第二道防线”。“第三道防线”是在平流层里24千米左右的高空中，有一个臭氧特别丰富的层次，叫作臭氧层。臭氧层的作用很大，可以将进入这里的绝大部分紫外线吸收掉。由于地球设置了这样“三道防线”，把太阳辐射中的有害部分消除了，大气中的含量约占21^，它主要吸收波长小于0丨2微米的太阳辐射波段，特别是对于0.155微米的辐射波段的吸收能力最强，所以在低层大气内很难找到小于0.2微米的太阳辐射；臭氧主要吸收紫外线，它吸收的能量占太阳辐射总能量的21^左右；大气中如果含水汽较多，太阳的位置又不太高，水汽可以吸收太阳辐射总能量的20^，液态水吸收的太阳辐射能量则更多；二氧化碳和尘埃吸收的太阳辐射能量则很少。大气中的水分子，小水滴以及灰尘等大粒子，对太阳辐射有反射作用。它们的反射能力约占平均太阳常数的7义。特别是云层的反射能力很大。但云层的反射能力同云量、云状和云的厚度有关。3000米厚的高积云反射能力可达72^，积云层的反射能力为52乂。据测算，以地球的平均云量为54^计算，大约就有近1/4的太阳辐射能量被云层反射回到宇宙空间去了。当太阳辐射以平行光束射向地球大气层时，要遇到空气分子、尘埃和云雾等质点的阻挡而产生散射作用。这种散射不同于吸收，它不会将太阳辐射能转变为各个质点的内能，而只能改变太阳辐射的方向，使太阳辐射在质点上向四面八方传出能量，从而使一部分太阳辐射变为大气的逆辐射，射出地球大气层之外，无法来到地球表面。这是太阳辐射能量减弱的一个重要的原因。由于大气的存在和影响，到达地球表面的太阳辐射能可分成两个部分，一个部分叫作直接辐射；一个部分叫作散射辐射，这两个部分的总和叫总辐射。投射到地面的那部分太阳光线，叫作直接辐射。不是直接投射到地面上，而是通过大气、云、雾、水滴、灰尘以及其他物体的不同方向的散射而到达地面的那部分太阳光线，叫散射辐射。这两种辐射能的强度，差别是很大的。一般来说，晴朗的白天直接辐射占总辐射的大部分，阴雨天散射辐射占总辐射的大部分，夜晚则完全是散射辐射。利用光能，实际上是利用太阳的总辐射。但是，对于大多数光能设备来说，则主要是利用太阳辐射能的直接辐射部分。总之，太阳发射出来的总辐射能量大约为3.75X1036瓦，是极其巨大的。但是只有1/22亿到达地球。到达地球范围内的太阳总辐射能量大约为173万亿千瓦。其中：被大气吸收的太阳辐射能大约为40万亿千瓦，占到达地球范围内的太阳总辐射能量的23^；被大气分子和尘粒反射回宇宙空间的太阳辐射能大约为52万亿千瓦，占30^；穿过大气层到达地球表面的太阳辐射能大约为81万亿千瓦，占471在到达地球表面的太阳辐射能中，到达地球陆地表面的大约为17万亿千瓦，大约占到达地球范围内的太阳总辐射能量的10^。到达陆地表面的这17万亿千瓦是个什么量级呢？形象地说，它相当于目前全世界一年内宇宙中的地球消毛的#种能源产的总能量的3.5万多倍。在陆地表面所接受的这部分太阳辐射能中，被植物吸收的仅占0.015^，被人们利用作为燃料和食物的仅占0.002^，已利用的比重微乎其微。可见，利用光能的潜力是相当大的，开发利用光能为人类服务是大有可为的。###世界的寒极和热极世界的寒极在南极。不过，第一次正式获得世界寒极称号的地方是在北极。这是1885年2月，人们在北炜的奥依米康，测得了一67.81。直到1957年5月，位于南极“极点”的美国安莫森一斯考脱观测站，传出了一个惊人的消息，那里的最低温度降到了一73.61，因而世界寒极山北半球转换到南极去了。看来南极极点该是真正的寒极了。不！1958年5月，位于南炜72。的前苏联“东方”观测站，那里的温度下降到了一76.01。1960年8月，又测得最低温度一88.31。然而，在1967年，挪威在极点附近记录到一94.51的气温，成为迄今最低的温度。再找一找世界的热极吧！号称“火焰山”的我国新疆吐鲁番盆地，那里于1941年7月出现过47^800的最高温度。不过早在1879年7月，在阿尔及利亚的瓦格拉就测到了53.61的温度。1922年9月，在利比亚的加里延，测得了57.81的最高温度。然而，事隔11年后的墨西哥圣路易斯也测得了57.81的最高温度，一度曾和加里延共享世界“热极”的称誉。之后，伊拉克和巴士拉观测到58.81的最高气温，成为新的热极。知识风向标上节的介绍已经说明，太阳是以光福射的方式把能量输送到地球表面上来的，我们所说的利用光能，就是利用太阳光线的能量。那么读者一定会问：太阳光的本质是什么，它有哪些特征呢?现代物理学认为：各种光，包括太阳光在内，都是物质的一种存在形式。光，既具有波动性，又具有粒子性，这叫作光的波粒二象性。一方面，任何种类的光都是某种频率或频率范围内的电磁波，在本质上与普通的无线电波没有什么差别，只不过是光的频率比较高，波长比较短。例如，太阳光中的白光的频率就比厘米波段的无线电波的频率至少要高1万多倍。所以，不管何种光，都可以产生反射、折射、绕射以及相干等波动所具有的现象。因此，我们平常又把光叫作“光波”另一方面，任何物体发出的光，都是由不连续的、运动着的、具有质量和能量的粒子所组成的粒子流。这些粒子极小极小，就是用现代最高倍的电子显微镜也无法看见它们的外貌，这些微观粒子被称作光量子或光子，它们具有特定的频率或波长。单个光子的能量是极小的，它们是能量的最小单元。但是，即使在最微弱的光线中，光子的数目也超过千千万万。这样，集中起来就可以产生人们能够感觉得到的能量了。科学研究表明，不同频率或波长的光子或光线，具有不同的能量，频率越高能量就越大。泉光的波动性，我们眼睛所能看见的太阳光，叫可见光，呈白色。但是科学实验证明，它并不是单色光，而是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫7种颜色的光所组成的，是一种复色光。每种颜色的光都有自己的频率范围。红色光的波长范围为76?163微米；橙色光为63?160微米;黄色光为0.60?0.57微米；绿色光为0.57?0.50微米；青色光为0.50?0.45微米；蓝色光为0.45?0.43微米；紫色光为0丨43?0丨40微米。通常，我们把太阳光中的各色光按频率或波长大小的次序排列而成的光带图，叫作太阳光谱。太阳不仅发射可见光，同时还发射许多人眼看不见的光，可见光的波长范围只占整个太阳光谱的一小部分。整个太阳光谱包括紫外区、可见区和红外区3个部分。但其主要部分，即能量很强的骨干部分，是由0.3?3.0微米的波长所组成的。其中，波长小于0.4微米的紫外区和波长大于0丨76微米的红外区，则是人眼看不见的紫外线和红外线；波长为0.4?0.76微米的可见区，就是我们所看到的白光。在到达地面的太阳光辐射中，紫外区的光线占的比例很小，大约为6^，主要是可见区和红外区的光线，分别占50^和43^。太阳是光能的源泉太阳光中不同波长的光线具有不同的能量。在地球大气层的外表面具有最大能量的光线，其波长大约为0.48微米。但是在地面上，由于大气层的存在，太阳辐射穿过大气层时，紫外区和红外区被大气吸收较多，紫外区和可见区被大气分子和云雾等质点散射较多，所以太阳辐射能随波长的分布情况就比较复杂了。大体情况是：晴朗的白天，太阳在中午前后的四五个小时这段时间，能量最大的光是绿光和黄光部分；而在早晨和晚间这两段时间，能量最大的光则是红光部分。可见，地面上具有最大能量的光线，其波长比大气层外表面的波长要长。在太阳光谱中，不同波长的光线对物体产生的作用和穿透物体的本领是不相同的。紫外线很活跃，它可以产生强烈的化学作用、生物作用和激发荧光等；而红外线则不是很活跃，被物体吸收后主要引起光射线的爆炸效果、光的粒子性热效应；至于可见光，因为它的频率范围较宽，既可起杀菌的生物作用，被物体吸收后也可转变成为热量。泉植物的生长主要依靠吸收可见光谱部分，大量的波长短于0.3微米的紫外线对植物是有害的。波长超过0丨8微米的红外线仅能提高植物的温度并加速水分的蒸发，而不能引起光化学反应（光合作用〕。太阳光线对人体皮肤的作用主要表现为：形成红斑和灼伤，这主要是由波长短于0.38微米的紫外线所引起的；使皮肤表层的脂肪光合成为可防止得佝偻病的维生素以；生成黝黑，这主要是由波长为0^3?0丨45微米的光线引起的。光的传播速度是非常快的。远在1.5亿千米之遥的太阳辐射光，传播到地球表面只要短短的8分19秒。实验得到的到目前最为精确的光速为每秒2千米，平常取为每秒30万千米。###峨眉“佛光”在海拔3000多米的蛾眉山高峰金顶和舍身崖上，人们经常可以看到一种巨大的，但又较模糊的彩色光环。彩色光环的排列次序同彩虹一样，红光在外，紫光在内。人站在崖顶，光环中呈现出人影儿，人静影静，人动影动。它好似佛像头上的一圈光环，所以人们又称这种彩色光环为“佛光”或“宝光”。其实，这是由于蛾眉山所处的特殊地理环境所造成的。蛾眉山的空气十分潮湿，在半山腰中经常有浓密的云雾围绕着。强烈的太阳光照射到云雾上时，悬浮在云雾里的小水滴往往起着凸透镜的作用，在后面的云层上面造成了一个太阳的实像。这个实像又作为第二个光源，从云雾的后面发出光线，经过无数小水滴之间的小孔隙，发生绕射现象〔这是光线经过小孔隙时发生偏折，绕到孔隙后面去，并分散开来，出现彩虹那样颜色的一种现象夂分散成彩色的光环。由于观察者是面向云雾，背着太阳而站立的，太阳光又是从后面射过来，所以观察者的影子恰好投射在光环的里面。太阳是光能的源泉太阳辐射的强度及特点上面讲过，利用光能就是利用太阳光辐射所产生的能量。那么，太阳光辐射能量的大小如何度量，它到达地面的量的多少受哪些因素的影响呢？人们在利用光能的科研试验工作中，都很关心这样一个数值，即地球在单位面积上于单位时间内能够接收多少光能。在地球大气层的上界，由于不受大气的影响，太阳辐射能有一个比较恒定的数值，这个数值就叫作太阳常数，又叫作太阳辐射通量。它指的是在平均日地距离时，在地球大气层的上界，在垂直于太阳光线的平面上，单位时间内在单位面积上所获得的太阳总辐射能的数值。通常是以热量单位卡义平方厘米分表示，也可以功率单位瓦丨平方米表示。我们上面所说的太阳辐射强度，是指太阳本身辐射出来的能量的多少而言的。由于大气层的存在，真正到达地球表面的太阳辐射能的大小，则要受多种因素的影响，一般来说由以下6种因素所决定。太阳是光能的源泉2500200015001000大气层外太阳辐照度曲线海平面太阳辐照度曲线92000220.61.01.41.82.2太阳辐射的光谱分布2.63.0太阳是光能的源泉(二）太阳局度太阳高度就是太阳位于地平面以上的高度角，常常用太阳光线和地平线的夹角即入射角来表示。入射角大，太阳高，则辐射强度大；反之，入射角小，太阳低，辐射强度则小。由于地球的大气层对太阳辐射有吸收、反射和散射作用，所以红外线、可见光和紫外线在光射线中所占的比例，也随着太阳高度的变化而变化。当太阳高度为90。时，在太阳光谱中，红外线占50^，可见光占46^，紫外线占4^；当太阳高度为30。时，红外线占53^，可见光占仏^，紫外线占3^；当太阳高度为5。时，红外线占72^，可见光占28^，紫外线则近于0。太阳高度在一天中是不断变化的。早晨日出时最低，为0。此后，逐渐增加，到正午时最高为90。；下午，又逐渐减小，到日落时，又降源低到0。。太阳高度在一年中也是不断变化的，这是由于地球不仅在自泉转，而且又在围绕着太阳公转的缘故。地球自转轴与公转轨道平面不是垂直的，而是始终保持着一定的倾斜。自转轴与公转轨道平面法线之间的夹角为23.5。。上半年，太阳从低纬度到高纬度逐日升高，直到夏至日正午，达到最高点90。。从此以后，则逐日降低，直到冬至日，降低到最低点。这就是，一年中夏季炎热、冬季寒冷和一天中正午比早晚温度高的原因。121大气质量由于大气的存在，太阳辐射能在到达地面之前将受到很大的衰减。这种衰减作用的大小，与太阳辐射能穿过大气路程的长短有着密切的关系。太阳光线在大气中经过的路程越长，能量损失得就越多；路程越短，能量则损失得越少。通常，我们把太阳处于天顶即垂直照射地面时，光线所穿过的大气的路程，称为1个大气质量。太阳在其他位置时，大气质量都大于1。例如，在早晨8?9点钟时，大约有2?3个大气质量。大气质最越多，说明太阳光线经过大气的路程就越长，受到的衰减就越多，到达地面的能量也就越少。131大气透明度在大气层上界与光线垂直的平面上，太阳辐射强度基本上是一个常数；但是在地球表面上，太阳辐射强度却是经常变化的。这主要是由于大气透明程度的不同所引起的，大气透明度是表征大气对于太阳光线透过程度的一个参数。在晴朗无云的天气，大气透明度高，到达地面的太阳辐射能就多些；天空中云雾很多或风沙灰尘很多时，大气透明度很低，到达地面的太阳辐射能就较少。可见，大气透明度是与天空中云量的多少以及大气中所含灰尘等杂质的多少有很大关系的。太阳是光能的源泉小行星围绕太阳运动0地理纬度太阳辐射能量是由低纬度向高纬度逐渐减弱的。这是什么原因呢?我们假定高纬度地区和低纬度地区的大气透明度是相同的，在这样的条件下进行比较。取春分中午时刻，此时太阳垂直照射到地球赤道3点上，设同一经度上有另外两点8、2，3点纬度比2点纬度高。阳光射到8点所需经过的大气层的路程比阳光射到2点所需要经过的大气层的路程更长，所以，8点的垂直辐射通量将比2点的小。在赤道上3点的垂直辐射通量最大，因为太阳光在大气层中经过的路途最短。例如，地处高纬度的列宁格勒（北纬603，每年在1平方厘米的面积上，只能获得80千卡的热量；而在我国首都北京，由于地处中纬度(北纬3057^，则可得到140千卡的热量；在低纬度的撒哈拉地区，则可得到高达220千卡的热量。正是由于地理纬度的高低，影响着太阳辐射能到达地面的强弱，所以才形成了赤道地带全年气候炎热，四季一片葱绿；而在北极圈附近，则终年严寒，银妆素裹，冰雪覆盖，宛如两个不同的世界。曰照时间日照时间也是影响地面受热强度的一个重要因素。如果某地区某日白天有14个小时，其中有6个小时是阴天，8个小时出太阳。那么，我们就说该地区那一天的日照时间是8个小时。日照时间越长，地面所获得的太阳总辐射量就越多。海拔高度海拔越高，大气透明度也越高，从而太阳直接辐射的强度也就越高。此外，日地距离、地形、地势等，对太阳辐射强度也有一定的影响。例如，地球在近日点要比近日点的平均温度高41。又如在同一纬度上，盆地气温要比平川气温高，阳坡要比阴坡热。总之，影响地面太阳辐强度的因素很多，但是某一具体地区的太阳辐射强度的大小，则是由上述这些因素的综合所决定的。知识全手指常定辐射和异常辐射太阳辐射的强度，可根据不同波长范围的能量的大小及其稳定程度，划分为常定辐射和异常辐射两类。常定辐射，包括可见光部分、近紫外线部分和近红外线部分三个波段的辐射，是太阳光辐射的主要部分。它的特点是能量大且稳定，它的辐射能占太阳辐射能的90^左右，受太阳活动的影响很小。表示这种辐射强度的物理量，叫作太阳常数。异常辐射，则包括光辐射中的无线电波部分、紫外线部分和微粒子流部分，它的特点是随着太阳活动的强弱而发生剧烈地变化，在极大期能量很大，在极小期能量则很微弱。光能的优点很多，并且有些优点是其他能源所无法比拟的。概括起来，可以说成是“一大”、“二长”、“三公”、“四洁”。你知道这些分别是什么意思吗？这在前面已经作过比较详细的描述和讨论了。再举个例来说，假如把目前全世界人类每年所用的各种能源〔包括常规能源和核能〕比作1吨黄色炸药爆炸时所发出的能量的话，那么每年到达地球表面能供人类利用的太阳辐射能就相当于第一颗原于弹〔2X104吨级〕爆炸时所发出的能量，两者相比，真可谓是“小巫见大巫”了。⑵时间长久根据恒星演化的理论，太阳按照目前的功率辐射能量，其时间大约可以持续101。年，也就是100亿年。按照天文和地质观测的结果，已知太阳系的生成年龄大约为4.5.109年，即45亿年左右。因此可以说，太阳维持目前的辐射功率的时间，还能够比太阳系已经生成的年龄多出不少。怪不得有人常说，光能是“取之不尽，用之不竭”的。尽管从哲学的观点看来，这样的提法过分绝对化，不够科学，因为太阳系总有天要消亡，太刚的光芒也总有一天会“熄灭”的。但是，与人类形成的历史不超过106年即100万年相比较，总可以认为是足够长久的了。不用像对地球上所蕴藏的常规能源那样，担心它会在几百年后就完全“枯竭”，普照大地光能分布广阔，获取方便。尽管由于地理和气象条件的差异，各地可以利用的光能资源多少有所不同，但它既不需要开采和挖掘，又不需要运输。大家都知道，开采煤矿的主要投资在于挖掘坑道和掌子面，并且随着开采的深度越来越大，投资额也直线上升；开采出来以后，由于太阳能电池板无以为继了。光能资源的特点：产地分布不均，运输也是个大问题。我国北方的煤炭蕴藏量远比南方多，“北煤南运”曾经占用了全国铁路货运能力的30^?40^。目前世界范围内陆地的大油井已经所剩不多，各国都把注意力移向开发海洋石油，这样不仅投资大幅度增加，并且阳光普照大地还经常容易受到飓风的影响而发生严重的事故。在运输方面，除了采用输油管道以外，还建造了越来越大的超级油轮，从二三十万吨级直发展到50万吨级以上，连通过一些海峡和运河都很困难，然而光能就不存在以上问题。0清洁干净光能既安全卫生，又对于环境毫无污染，可以当之无愧地称为“清洁的能源”。这是光能所独有的优点，远非其他任何能源所可比拟的。目前，人类所利用的常规能源，都严重地污染环境，既污染大气，又污染水源，还经常造成“酸雨”，毁坏庄稼和森林，动物和人体健康也深受其害。如核能这种新能源（核裂变能〕，一般情况下污染较少，但需特别注意放射性的安全防护，核废料的处理也是件相当麻烦的事情。此外，有人曾经估算过，由于目前人类所用的各种常规能源燃烧后都要排出大量的二氧化碳，不仅使到达地球表面的太阳辐射能受到影响，更加严重的是大气层中二氧化碳的含量不断增加，地面对天空光能资源的特点的长波辐射多半被它吸收，因此，造成全球范围内的气温持续升高。最终将会使南极洲的大面积冰山融化，从而使全球的海平面升高，不少沿海地地区（包括大城市〕都将被淹没，这会导致不堪设想的严重后果。根据目前世界范围内的估算，一致认为要清除空气中的污染所需的经费，大约是所用燃料经费的10倍。而光能就丝毫不存在以上的问题。知识全手相美丽的极光在地球南、北两极附近的高空中，漆黑的夜晚，常常会出现灿烂美丽的光弧，这就是极光。极光是高空中稀薄气体的一种放电现象，它同太阳内部的活动变化有很大的关系。当太阳内部热核反应激烈时，通过太阳表面向外射出的电子，比平时要多好几倍。这些电子，由于受到地球磁极的影响，一般只飞到南、北两极地带。在南、北两极80?800千米的高空中，空气十分稀薄，由于高压的电子对少量氧、氮等气体的猛烈冲击，就会放出光来，这就形成了极光。极光开始时，往往是一个很小的明亮的光点，这个光点慢慢地越变越强，最后形成了很多彩色的光辉。光辉里面还会出现几条特别明亮的光带或光弧，把极区的黑暗天空照耀得雪亮。极光颜色很多，而且活跃善变。极光微弱时，一般呈现白色；较明亮时，呈现黄绿色，也有带红色、蓝色、灰色和紫色的；最光亮时，可以看见下面一部分呈红色，中间部分呈黄色，最上面部分呈绿色，射出来的光犹如阶梯。###光能资源的特点1.光能资源的缺点光能虽然具有上面所说的许多优点，并且其中有些优点还是它所特有的。但是，它也不可避免地存在一些缺点，使它未能迅速地和大面积地推广应用。那么，它究竟有哪些缺点呢？概括起来说，光能的缺点不外乎是“一弱”、“二断、“三不稳”，下面就来具体地说明一下。(1）强度弱虽然到达地球大气上界和到达地球表面的光能都十分巨大，但它的强度却是相当弱的，也就是说，在单位时间内投射到单位面积上的光能是相当少的。从到达地球大气上界的光能来说，太阳常数的值就表明了这个强度的大小，即在地球大气层外每平方米垂直于太阳光线的面积上接收到的太阳辐射功率只有1353瓦。而垂直投射到地球表面每平方米面积上的太阳辐射功率就只有1353瓦乂'7%#640瓦，相当光能资源的特点光库资源于在1平方米的面积上放一只640瓦的电炉。⑵不连续光能的一个最大弱点就是它的不连续性。对于地球上的绝大部分地区来说，一年到头总有将嵌入式电炉近一半的时间处于“黑暗”之中，而在其余的一半时间内还要受到天气的影响，这就严重地限制了光能的应用。难怪我国有些地方的群众经常说：“光能，光能，有太阳就能，没太阳就不能。”这是一句简单能明了、直截了当的评语。意思就是说，阴雨天利用光能已经十分困难，资而夜晚就根本无法利用光能了。⑶不稳定光能的另一个弱点就是它的不稳定性。经验表明，同一个地点在同一天内，日出和日落时的太阳辐射强度远远不如正午前后；而在同一个地点的不同季节里，冬季的太阳辐射强度显然又远远比不上夏季。以上的情况主要是由于下列两个原因所造成的。第一，由于太阳的高度角不同，对于同一个水平面的入射角自然不同。而在单位水平面上所接收到的太阳辐射能，除了与太阳辐射强度本身成正比外，还与太阳高度角的正弦成正比，或者说与太阳辐射的入射角的余弦成正比。显然，当太阳高度角越大，或者说太阳辐射入射角越小，也就是说越接近于正射时，地面上同一水平面内所接收到的光能就越多；反过来，当太阳高度角越小，或者说太阳辐射入射角越大，也就是说越接近于“掠射’时，地面上同一水平面内所接收到的光能就越少。这一点，大家在晾晒衣服时一定体会很深：把要晾晒的衣服平面正对太阳辐射时干得最快，而侧对太阳辐射时就干得最慢。第二，当太阳的高度角不同时，太阳辐射所透过的大气层厚度也不同。一般说来，日出或日落时与正午时太阳辐射所透过的大气层厚度之比，常可达到10：1以上。这时会产生两方面的效应：一方面是由于大气分子和灰尘对于太阳辐射的带有光能充电系统的电子表光能资源的特点吸收，使得日出或日落时的太阳辐射强度弱得多。另一方面是由于大气分子和灰尘对太阳辐射的散射，波长越短的辐射所受到的散射程度就越厉害。既然开发和利用光能的主要目的，是把它作为一种新能源来补充和逐步替代原有的常规能源。那么，很自然地就要求它具有一般常规能源所具备未来光能的储存的共同特点，就是能够成为一个连续而稳定的能源。所以，怎样尽量弥补和克服上面所提到的几方面缺点，就成为开发和利用光能的研究工作的重点课题了。虹的形成“赤橙黄绿青蓝紫，谁持彩练当空舞?”这是毛、泽、东，生动描绘在大柏地所看到的雨后彩虹的一句诗。那么，虹是怎么形成的呢？悬浮在空中的小水滴，相当于一面面小型的三棱镜。当太阳光射进小水滴时，折射成一条七色光带，它又通过小水滴的另外一边反射回来，最后又经过一次折射，将七色光带反映了出来，而成为虹。由于紫色光的偏折程度最大，所以位置在里面，红色光的偏折程度最小，所以在外面。有时，我们还会看到在虹的外面，有一条色彩较淡的光弧，我们叫作霓，又称为副虹。它的七色光排列次序同虹相反，红色光在内，紫色光在外。霓和虹的不同之处，主要是：太阳光射入和射出的角度不同。产生虹的小水滴，太阳光在里面只反射一次；而产生霓的水滴，太阳光在里面要反射两次，阳光所走的路线长了，吸收作用也大了，所以霓显得比虹暗淡些。光能资源的特点聚焦提高太阳辐射的能流密度光能虽然有许多常规能源或其他新能源所没有的优点，但也存在它本身所固有的缺点。在利用光能时，应该“扬长避短”，也就是说，要充分利用和发扬它的优点，同时尽量避免和克服它的缺点。只有这样，才能最大限度地发挥它的效能和威力。那么，我们在利用光能的时候应该如何“扬长避短”呢？由于太阳到地球的距离非常遥远，因此太阳光是准直度极高的平行光，在太阳光所经过的路径上，下行放置的任何物质上的太阳辐射能流密度都完全一样。所以，除了将接收平面转到垂直于太阳光线的方位以外，就不可能使接收平面再接收到更多的太阳辐射能了。唯一可行的改进办法就是采用在光学实验中所曾用过的聚焦方法，通常的聚焦方法又可以分为下列两种。反射式聚焦反射式聚焦就好像五官科医生头上所戴的反射镜或汽车前灯后面的拋物面反射镜一样，在垂直于太阳光线的平面上放置一块反射镜，使它的对称轴与太阳光线平行，这样就可以把原来是平行的太阳光线变成聚焦的光束。根据反射镜面的弯曲程度（主要取决于它的开口半径与焦距之比，称为“集光比”），可以把太阳光聚焦在焦面内，形成面积大小不同和亮度不同的焦斑。把用热器（例如饭锅、菜锅、水壶等）放在焦斑处，就可以得到较大的太阳辐射能流密度，也就是说，在单位面积上可以得到较高的太阳辐射功率。集光比的数值，往往可以从几十到几千。这种聚焦型集光器的反射镜，既可以直接用平面玻璃在烘箱内加热软化成型后背面镀银制备，也可以用玻璃小镜片（例如镜厂的边角料）粘贴在横具上做成。但是由于玻璃的密度较大，并且容易破碎，所以使用寿命不长。近年来，国内外大都改用在模具上粘贴镀铝塑料薄膜的办法来替代，不仅大为轻便，并且不容易破碎，成本也降低得很多。只是有些镀铝薄膜容易老化，表面发灰，反射率会显著减退，所以在工艺上还需要进一步改善。透射式聚焦透射式聚焦就好像老花眼镜或放大镜一样，多半采用平凸或双凸玻璃透镜制成。这样容易得到较高的集光比，但是由于大面积的玻璃透镜不仅加工工艺十分困难，并且成本也极高。所以，近年来国内外都逐步改用透明塑料代替玻璃来制作透射式集光器。它不仅可以做成圆型的，还可以与通常采用的平板型集热器相配合，做成条形的透射式集光器，使每一条形集光器的焦面都落在平板型集热器的管子上。这样，在管内流动的工作物质（简称工质〕就可以最有效地获得太阳辐射能，从而大大提高升温效果。不过，无论是反射式还是透射式聚焦型集光器，都还存在着一个共同的问题，那就是它们的轴线必须时时刻刻都与太阳光线平行，否则的话，焦面就不会落在用热器的表面上，就达不到聚焦的主要目的了。解决这个困难通常用下面两种办法。能够聚集光能的放大镜光能资源的特点采用自动跟踪系统根据地球绕轴自转以及沿椭圆轨道绕太阳公转的规律，可以制成机械式或光电式的自动跟踪装置，使聚焦型集光器的轴线始终对准太阳。这样的装置，需要有两个方向的跟踪系统。一个是跟踪太阳方位角的，即从日出开始到日落为止，每小时需要从东向西转过1501。另一个是跟踪太阳高度角的，从日出到正午，需要按照一定的规律由小到大地改变集光器轴线与水平面之间的夹角；而从正午到日落，则按光照同一规律由大到小地改变这个夹角。不仅如此，由于季节的不同，能同一地点同一时间的太阳高度角也是不同的，例如夏季的太阳高度角资就比冬季时要大得多。上述两个方向的跟踪，一般说来，需要采用双轴跟踪的太阳跟踪器。这样做的结果，会使整个设备变得笨重而庞大，造价也会大大增加。不过，随着生产水平的不断提高，特别是电子计算机技术的普遍使用，采用自动控制跟踪装置的成本一定会逐渐降低，这种做法也定会越来越被人们所接受。采用复合拋物面的固定装置这种装置的特点是制成后可以固定沿东西方向放置，在一天之内不用再自动跟踪太阳，而从日出直到日落，全天的太阳辐射都能聚焦在沿拋物面轴线放置的圆管上。此外，由于相邻两天内太阳高度角的变化是非常微小的，所以这种装置通常只需要在一个月内改变一二次倾角就足够了。可以根据使用地点的地理纬度和使用的季节不同，利用手动来调节它的倾角。这样，不仅大大简化了操作程序和装置设备，也大大降低了造价。薄透镜的性质由两个球面组成的光学系统称为透镜。两球面间通常是玻璃等透明介质。连接两球面曲率中心的直线称透镜的主轴。包含主轴的任一平面称主截面。透镜两表面在主轴上的同隔称厚度。厚度与曲率半径比可略去不计的称为薄透镜；不能忽略的称厚透镜。因薄透镜可忽略其厚度，故把两个球面的顶点看作是重合的，称为透镜的光心;在薄透镜中距离量度都从光心算起。除主轴外，通过光心的任一直线称为副轴，焦距大于零的焦点称实焦点，具有实焦点的透镜为会聚透镜，又称正透镜，一般中央厚边缘薄，故也称凸透镜。焦距小于零的焦点称虚焦点，具有虚焦点的透镜为发散透镜，又称负透镜，一般中央薄边缘厚，故也称凹透镜。4^前景广阔的热能贮存源光能是取之不尽，用之不绝的，除非有一天太阳灭亡。如果真的有一天太阳灭亡了，我们应该提前将这些能源储藏起来，那么如何去贮存热能呢？热能贮存是一种利用光一热转换效应，把光能直接地转换成热能来贮存的方法。热能贮存通常又可以分为显热贮存和潜热贮存两种。显热贮存：显热贮存就是利用矿热材料吸收热量后温度升高来贮存光能。因为任何一种物质在它没有发生物态变化时，吸收（或放出〕热量后温度都会升高〔或降低〕。所以，通常就把物体温度升高（或降低）时所吸收（或放出）的热量称为“显热”，意思就是说在吸收或放出热量的过程中，物体的温度会发生显著的变化。它的数值就等于物质的质量、比热和温度变化三者的乘积。很显然，利用显热贮能，要求贮热材料的密度和比热应该尽量大。这样，为了贮存一定的热量，就可以使用尽可能少的贮热材料，这种方法所用的贮热材料的数量是相当大的。因此，还要求材料的价格低廉和容易获得。有很多种固体和液体都可以作为显热贮能的材料（气体的密度过小，比热也比较小，不适于作为显热贮能材料〕，最常用的有水、土壤和岩头等。在温度变化相同的条件下，如果不考虑热损失，那么单位体积的贮热量以水为最大，土壤其次，岩石最小。世界上已有不少国家都用这些贮热材料进行了试验和应用。就目前来说，这是一种技术比较成熟、效率比较高、成本又比较低的贮能方法。因而，也比较容易推广使用。121潜热贮存潜热贮存就是利用贮热材料由固态转化为液态，或由液态转化为气态，或由固态直接转化为气态时吸收热量来贮存光能的一种方法。当贮热材料再由液态转化为固态，或由气态转化为液态，或由气态直接转化为固态时，就能把所贮存的热量释放出来以供使用。由于在这种物质状态变化（简称“相变”）的过程中，无论是吸收或放出热量，物质的温度仍旧保持不变，所以通常就把这种相变过程中所吸收或放红黏土中含有水合娃酸盐出的热量称为“潜热”。意思就是说，在这种相变过程中，尽管吸收或放出了热量，但是物质的温度却并不显示任何变化。单位质量的物质在相变时所吸收或放出的热量，称为这种物质的“相变潜热”，它的数值只与物质的材料种类有关。物质在相变时所吸收或放出的热量等于贮热材料的质量与其相变潜热的乘积。因此，利用潜热贮存时就要求贮热材料的相变潜热尽可能大，并且在相变时的体积变化尽可能小(不然的话，对容器的要求就会过高〕。目前，可供实际应用的贮热材料，主要是含结晶水的无机盐，称为“水合盐”，如十水硫酸钠、五水硫代硫酸钠和六水氯化钙等。光能的短、中、长期贮存光能不仅可以贮存，并且还能根据不同的需要进行贮存。一般来说，根据贮存时间的长短，可以分为短期贮存（或称日贮存，就是说所贮存的光能可供1?3天使用\中期贮存（或称周贮存或旬贮存，就是说所贮存的光能可供7?10天使用〕和长期贮存（或称月贮存或季度贮存，就是说所贮存的光能可供一个月甚至跨季度使用〕三类。在当前的技术和经济条件下，已经实现的多半是短期贮存；而对于中、长期贮存，无论是国内或国外都正处于小规模的探索性试验研究阶段。光能的其他贮存方式在现代科学技术日趋发达的前提下，能量的存储方式也越来越多样化。而太阳能源的存储设备却依然稀少，开发与研制新的太阳能存储设备成为许多科学家争相研究的课题。那么，光能还有哪些其他的贮存方式呢？(工）机械能贮存这是一种利用光一热或光一电转换效应，把光能间接地转换成机械能来贮存的方法。最典型的做法就是利用光能作为原动力来驱动一个惯性很大的圆轮，在圆轮上再悬挂一个重物。随着太阳辐射能的不断积累，圆轮缓慢地朝一个方向转动，并将重物提升一个高度。等到太阳辐射能减弱或中断后，重物就开始下落，并使圆轮缓慢地朝相反的力向转动，从而带动其他装置运动。在这里，圆轮的转动就好像给闹钟上发条一样，所用圆轮的惯性大小以及重物的质量大小都由所能收集到的太阳辐射能确定。这种贮能的方法虽然比较简单，但是所要求的圆轮较大，安装和光能资源的特点光能资源的特点拥有光电传感技术的0(63大米色选机运输都很不方便。特别是这种方法不可能贮存大量的太阳辐射能，因此，直到目前为止，主要还只具有理论上的意义，世界上仅有的少数几个装置至多也只能供小规模的短期贮存之用。⑵电能贮存这是一种利用光电转换效应，把光能转换成电能来贮存的方法。一般使用普通的蓄电池贮存。这种方法的优点是效率较高，可以工业化生产，贮存的容量可以调节，还能够立即供电。此外，蓄电池可以放置在用户处，这样就能解决用电高峰时输电线路上的负荷超载问题，还能减少输电费用和线路上的耗电损失。对于容量较大的电能贮存来说，常用的酸性铅蓄电池仍是目前最好的贮存装置，它的贮存效率可以超过70^，价格也比较便宜。至于碱性铁镍电池或镍镉电池，虽然机械的和化学的耐用性能较好，寿命较长，并且比酸性铅蓄电池轻得多，但是它们单位容积所贮存的电能较少，效率也较低，大约为55^?65^，价格昂贵，所以使用较少。目前，国内外正在研制和试用的还有其他一些特殊类型的蓄电池，例如有机电解液蓄电池、固体电解质蓄电池、熔盐蓄电池以及钠硫蓄电池等，这里就不一一介绍了。但是，概括起来说，无论是哪种蓄电池，贮能容量都比较小，一般只能作日贮存用，至多也只能作周贮存用。至于长期贮存电能，目前还是十分困难的。总的情况是，电能贮存目前只能用在小型电子器件〔例如电子钟、电子表、电子计算器等〕或者特殊用途（例如航标灯以及航天器等）上，还不容易大规模推广应用。这是一种利用光化学转换效应，把光能转换成化学能来贮存的方法。一般都采用可逆的无机化学反应来实现。例如，可以用下列可逆的化学反应方程式来表示：这意味着两种反应物9和8在一定温度下化合成化合物98时要放出热量那么，当化合物98在同一温度下分解成9和8时，自然就需要供给它热带；才行。显然，还存在着另外一类可逆的化学反应：0+2+0^02这意味着需要给两种反应物0和2提供热量；，才能使它们在一定的温度下化合成化合物012那么，当化合物02在同一温度下分解成0和2时，自然就会放出热量；。总之，这些可逆的化学反应，可以在一个方向上由于吸热作用而贮存能量，而在相反的方向上则由于放热作用而供应能量，这一点和相变潜热贮存很相似。不过，由于进行上述吸热和放热可逆化学反应所需要的温度较高，一般都在2001以上，而在高电子计算器温时这些化学试剂的腐蚀性又都比较强，所以对容器的要求较高。特别是，既能满足反应温度低、同时又能满足腐蚀性低的化学试剂价格都比较昂贵。因此，直到目前为止，可用的化学试剂和可逆化学反应都为数不多，所以还远远没有达到大规模实际应用的阶段。生物质能贮存这是一种利用植物的光合作用，把光能转换成生物质能来贮存的方法。迄今为止，光合作用一直是地球上重要的光能的转换和利用过程，一切植物的生长都有赖于这个过程。光合作用不仅效率较高，并且无污染，是自然界能量转换循环过程中的不可缺少的一环。充分地利用光合作用，例如大面积种植快速生长林，可以解决部分地区的燃料和建筑用材的短缺问题；又例如大量培植蛋白质含量极高的藻类，可以为在不久的将来改善人类的食品供应和营养结构提供广阔的发展前途。利用光能来提高沼气池温，以便增加沼气的产量，延长沼气池的产气时间或使它全年都能产气，也是一种很有前途的方法。以我国为例，由于地处北半球温带和亚热带，并且沼气池多半建于地下或半地下，而冬季的地温和气温都偏低。因此，长江流域、黄淮流域、华北地区以及东北地区的沼气池每年分别有3?6个月不能产气或产气率极低；即使在华南地区，每年也有1个月左右的时间产气率很低。如果把光能和沼气池个“天上”和一个“地下”结合起来加以综合利用，也是一种贮存光能的十分可取的方法。目前国内已经开始这方面的研究和初步应用工作，将来很有可能加以推广。总的来说，光能的贮存不仅可以克服光能本身的缺陷，使它成为连续和稳定的独立能源，在开发新能源和节约常规能源两方面都能作出贡献；并且还能使氢气和沼气等其他“二次能源”（指不能直接天然地产生，而需要通过人工的方法，消耗其他能源才能形成的能源。煤、石油和天然气等可以直接天然地产生的能源，称为“一次能源”）得到更加充分的利用。可以说，光能贮能问题的解决，将是今后光能时代到来的必不可少的先决条件。从长远来说，利用光能制氢作为贮存手段，倒是相当可取的。首先，因为氧是高能燃料，1千克氢的含热值高达1.4X105千焦，约为石油的2.8倍或为标准煤的4.9倍。其次，氢的供能稳定性与矿物燃料不相上下。最后，氢燃烧后只生成水和少量的氮化氢。水不仅是清洁的，并且本身又是制氧的原料，因此可以反复使用而不致破坏自然循环；而少量的氯化氢经过适当的处理后也不会污染环境。所以，有人把氢叫作“无污染的稳定能源”。现在已经有若干种利用光能制氧的设想和试验力法，国内外都正在进行深入的研究，如果能够取得突破性的成功，就将为解决能源短缺的困难提供美好的前景。###光能的直接利用太阳辐射能的直接利用，基本上有三种方式，即光能直接转换成热能，称为光一热转换；光能直接转换成电能，称为光一电转换；光能直接转换成化学能，称为光一化学转换。你想了解一下它们都是如何转换的吗？下面分别加以简单介绍。(1）光一热转换这是目前光能利用中理论和技术都最为成熟，成本最为低廉，应用最为广泛的方式。其基本原理是将太阳辐射能收集起来，通过与物质的相互作用转换成热能而加以利用。目前使用得较多的光能收集装置有两种，一种是平板型集热器；另一种是聚焦型集热器。由于它们所能达到的温度不同，因而可以有多方面的用途。通常就根据所能达到的温度以及用途的不同而分为光能的低温热利用中温热利用?500。0和高温热利用0500。0。广州电力网模型的光一电转换将来光能的大规模被利用，主要是用来发电。利用光能发电有两种方式，一种是光一热一电转换方式；另一种是光一电直接转换方式。光一热一电转换其基本原理就是利用太阳辐射所产生的热能发电。一般是用光能集热器将所吸收的热能转换成作为工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光一热转换过程，后一个过程是热一电转换过程，与通常的火力发电一样。光能热发电的缺点是效率很低，而成本很高，估计它的投资要比普通火电站多5?10倍。因此，目前只能小规模地应用于特殊的场合，例如电力网不能到达的高山峻岭或沙漠地区。光一电直接转换其基本原理是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，它的基本装置就是太阳电池。目前，常用的是硅太阳电池转换效率可达15^?20乂。太阳电池使用简单，维护方便，甚至可以做到无人管理，例如在人造地球卫星上。但是在目前阶段，它的造价还较高，因此大规模应用仍然受到经济上的限制。光一化学转换太阳电池这是一种利用太阳辐射能直接分解水制氢的光一化学转换方式。氢能的用途很广，既可作为化工原料，又可用于合成天然气和合成石油，尤其是可以直接作为氢燃料。一方面，由于可以用水作为制氢的原料，而水在地球上的储量是极为丰富的；另^^方面，氢燃料又是非常清洁的燃料，既便于贮存，又便于运输。所以，利用光能的光一化学转换方式制氢，能从根本上改善目前人类利用能源的状况。唯一令人感到遗憾的是，目前这种方法的效率还很低，成本又很高，同时还需消费大量的常规能源。因此，还需要经过相当一段时期的努力探索才有可能真正实现。太阳电池发电系统太阳电池发电系统主要由太阳电池板、蓄电池和控制器三部分组成。负载通常需要24小时供电，而太阳电池只有在阳光照射下才能发电，因此蓄电池是必需的。常用的有碱性镉一镍蓄电池，它的额定电压约为1.25伏，终止电压约为1.1伏。另一种是廉价的铅一酸蓄电池，它的额定电压为2伏，终止电压为1.7?1.8伏。这些技术指标，对太阳电池板的设计是必要的。在阳光照射下，太阳电池板不仅要有足够的能量供给负载，而且还要对蓄电池进行浮充电，即蓄电池与恒压直流电源及负载并联，以维持蓄电池接近完全充电状态，蓄电池内所有的活性物质都已转变成充电状态。通常浮充电压取1.4伏左右(镍一镉电池〕和2.35伏左右（铅一酸电池〕比较合适。为了保证蓄电池不过充〔完全充电后仍继续充电〕和过放（低于终止电压后仍放电八控制器起了调节作用。另外，为了防止蓄电池在太阳电池不工作时（如夜间）通过它放电，在太阳电池和蓄电池之间还接入一个起阻塞作用的二极管。1.我国的光能资源我国的疆界，南从北纬4。附近西沙群岛的曾母暗沙以南起，北到北纬50丨32。黑龙江省漠河以北的黑龙江省，西自东经73。附近的帕米尔高原起，东到东经135。10丨的黑龙江和乌苏里江的汇流处，土地辽阔，幅员广大。我国的国土面积，从南到北，自西至东，距离都在5000千米以上，总面积达960万平方千米，为世界陆地总面积的7^，居世界第3位。那么，我国的光能资源主要分布在哪些地方？分布又有哪些特点呢？在我国广阔富饶的土地上，有着十分丰富的光能资源。全国各地太阳年辐射总量为80?200千卡丨平方厘米，年，中值为140千卡义平方厘米，年。从全国太阳年辐射总量的分布来看，西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳辐射总量很大。尤其是青藏筒原地区最大，这里平均海拔筒度在4000米以上，大气层薄而清洁，透明度好，纬度低，日照时间长。全国以四川和贵州两省的太阳年辐射总量最小，尤其是四川盆地，那里雨多、雾多、晴天较少。例如素有“雾都”之称的成都市，年平特均日照时数仅为1152.2小时，相对日照为26^，年平均晴天为24.7点天，阴天达2446天，年平均云量高达8.4。其他地区的太阳年辐射总量居中。我国光能资源分布的主要特点有：光能的高值中心和低值中心都处在北纬22。?350这一带，青藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心；太阳年辐射总量，西部地区高于东部地区，而且除西藏和新疆两个自治区外，基本上是南部低于北部；由于南方多数地区云多雨多，在北纬3(0?4(0地区，光能的分布情况与一般的光能随纬度而变化的规律相反，光能不是随着纬度的增加而减少，而是随着纬度的增加而增长。为了按照各地不同条件更好地利用光能，可根据各地接受太阳总辐射量的多少，将全国划分为如下五类地区。一类地区是全年日照时数为小时。在每平方米面积上一年内接受的太阳辐射总量达160万?220万千卡，相当于225?285千克标准煤燃烧所发出的热量。主要包括宁夏北部、甘肃北部、新疆南部、青海西部和西藏西部等地。是我国光能资源最丰富的地区，与印度和巴基斯坦北部的光能资源相当。尤以西藏自治区的光能资源最为丰富，最高值达220千卡义平方厘米，年，仅次于撒哈拉大沙漠，居世界第2位。二类地区是全年日照时数为3000?小时。在每平中国领土方米面积上一年内接受的太阳辐射总量为140万?160万千卡，相当于200?225千克标准煤燃烧所发出的热量。主要包括河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地。此区为我国光能资源较丰富区。三类地区是全年日照时数为小时。在每平方米面积上一年内接受的太阳辐射总量为120万?140万千卡，相当于170?200千克标准煤燃烧所发出的热量。主要包括山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁，云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、江苏北部和安徽北部等地。此区为我国光能资源的中等类型区。四类地区是全年日照时数为小时。在每平方米面撒哈拉1沙、；莫积上一年内接受的太阳辐射总量为100万?120万千卡，相当于140?170千克标准煤燃烧所发出的热量。主要包括湖南、湖北、广西、江西、浙江、福建北部、广东北部，陕西南部、江苏南部、安徽南部以及黑龙江省等地。此区是我国光能资源较差地区。五类地区是全年日照时数为小时。在每平方米面积上一年内接受的太阳辐射总量为80万?100万千卡，相当于115?140千克标准煤燃烧所发出的热量。主要包括四川、贵州两省。此区是我国光能资源最少的地区。一类、二类、三类地区，年日照时数均大于2000小时，年辐射总量均高于140千卡丨平方厘米，年，是我国光能资源丰富或较丰富的地区，面积较大，约占全国总面积的2/3以上，具有利用光能的良好条件。四、五类地区虽然光能资源条件较差，但是也有一定的利用价值，仍可试用。总之，从全国来看，我国是光能资源相当丰富的国家，具有发展光能利用事业的得天独厚的优越条件，只要我们扎扎实实地努力工作，光能利用事业在我国是有着广阔的发展前景的。曰光城的由来在曰照时数最多和日照百分率最大的地名里，没有我们熟悉的“曰光城”拉萨的名字。既然拉萨的年平均曰照时数和曰照百分率连前几十位都排不上，为什么还要给它以“日光城”的称号呢？曰照时数只是曰光的一个方面，即数量方面。曰光还有另一个方面，即强度方面。拉萨炜度既南，海拔又高米八炜度南则太阳高度角大，太阳辐射强；海拔高则大气层薄，水汽、尘埃少（而西北地区尘埃多八太阳辐射在大气中的削弱就少。湛蓝的天空衬托着耀眼白色、光芒万丈的太阳。因此，拉萨获得的太阳辐射量高达每平方厘米每分钟202.4千卡，而全国曰照时数最多的青海柴达木盆地北缘的冷湖9小时〕却只有168.6千卡乂平方厘米^分，其他地方当然更加不在话下了。将拉萨称之为日光城，从这个意义上说，是受之无愧的。###三、光能的低温热利用从巧用反先镜谈起捉住光能，使它直接为人类服务，这是几千年来人们的愿望。你知道早期的人类是如何利用光能的吗？下面先讲一个“巧用反光镜”的传说。据说，公元前214年，罗马和希腊发生战争时，古希腊科学家阿基米德，曾用反光镜请来太阳光，烧退了强大的罗马船队。一天，阳光灿烂，万里无云，有一支罗马帝国的强大船队，逼近了古希腊西西里岛的叙拉古港口。战事危急。此时，城里的青壮年都已开赴前线，只留下了一些老弱和妇女。这时，75岁的大科学家阿基米德，挺身而出，领导了这场保卫城市的战斗。他号召城里数千名妇女拿着一面面反光镜，站在城堡上，迎击来犯的敌人。兵船渐渐驶进港口。“小伙子，你的眼睛好，你瞧岸上有什么动静。”年老的船长向旁边的舵手说。“我看见一群穿白裙子的女人站在城堡上。”“一群女人？他们要想干什么！”“呃，等一等，我还看见一个花白胡子的老头……”“糟了，糟了！那一定是阿基米德。他是一位能干的巧匠，这回可不知他又在想什么鬼主意啦?”老船长命令所有的船只首尾相连，士兵们都站到船舷旁边，准备战斗。蓦地，一道从未见过的金光，照到最前面的船上，刺得士兵们睁不开眼。突然，一个士兵惊叫起来：“不好，帆绳断了！”黑烟已爬上了船帆，血红的火苗很快裹住了船舱和甲板。罗马人吓破了胆。老船长下令船队退出港口。但是，港口全给一道道闪光的东西阻塞住了。原来，这些闪光都是从站在城堡上的妇女们手里放射出来的。她们每人手里都拿着一面小镜子，仿佛每个人手里都在转动一个道路拐角的反光镜“借”来了太阳光。还没等罗马船队退出港口，太阳光就将船队烧得差不多了。阿基米德就是利用太阳的反射光，将罗马船队打败的。虽然这个故事还没有得到确凿材料的证实，似乎夸大了一点，但它可以说明，古代的人们早已在设法利用光能了。在我国古代，劳动人民已经进行收集光能的尝试了。北宋科学家沈括，在《梦溪笔谈》一书中，曾记载了2600多年前，西周时劳动人民发明阳燧取火的事。所谓阳燧，就是一块凹面镜，它面对太阳，使太阳光聚合在镜前一二寸的焦点上，像黄豆或芝麻样大小。如果将易燃的艾绒、纸捻放在焦点上，就可以燃烧取火。阳燧取火，这是人类自觉而直接地利用光能的开始，这是我国古代一个有重大意义的发明。但是，2000多年来，这一发明一直没有得到很好的重视，更没有把它向前推进。阿基米德洗澡阿基米德曾经发现许多原理，是著名的学者。有一次他赤裸裸地走进澡堂，发现一个人也没有，热水满满地盛在浴池里。阿基米德轻轻地跨进水里，水顿时沙沙地向四面溢了出去。“哟！真奇怪，水溢出去了呀！我的身体进去，所以同体积的水就溢出去了。”这时他就注意到用浸入水中的方法，来计算各种形状不同的物体的体积。他高兴极了，赤裸着身子向外面飞奔出去，“懂了！懂了！”疯一般的欣喜。经过阿基米德多年悉心研究，他又发现了水中举物为何较轻的道理：“水中的任何物体，必须减轻其同体积的水的重量。”这就是永垂不朽的“阿基米德原理”。1.身边的温室效应在光能的各方面利用中，就目前的发展水平和经济效益来看，要数光能的低温（低于100。0热利用在理论上和技术上最为成熟了。它的绝大多数设备和装置制作都比较简单，操作比较方便，利用效率较高，成本低廉，经济效益比较明显。因此，容易大规模地推广应用。在光能低温热利用的范围内，主要只需要采用平板型集热器的“温室效应”，就可以使光能转换成1001以上的热能，然后进行多方面的应用。那么，什么是“温室效应”呢？通常所说的“温室效应”是指大气中的二氧化碳对于短波辐射(紫外线和可见光）是“透明”的，但它却能显著地吸收一部分长波辐射〔红外线由于太阳的表面温度很高，约为5700。。，所以太阳辐射中的红外部分所占的比例较低；但是地球表面则大不相同，它的平均温度仅为12。左右，因此地球向太空的辐射几乎全部都是红外辐射。由于太阳辐射与地球辐射二者的光谱分布之间存在着显著的差别，因此当大气中的二氧化碳含量提高时，一方面不会明显地减弱太阳对地球表面的辐射，但另一方面却会使地球表面通过红外辐射向太空散热的能力大为降低。这是因为在整个电磁辐射谱中，红外部分的热效应远比紫外部分和可见部分大的缘故。其实，大气的温室效应并不这么简单，因为二氧化碳在大气中所占的份额不大，按体积组分计算，目前大气中的二氧化碳含量大约是350克丨吨。当然，大气中含量最多的还是氮气和氧气，不过这类双原子分子气体对于短波辐射和长波辐射几乎都是透明的。因此，对于地球接受太阳辐射或是地球辐射向太空散热都没有什么影响。此外，大气中氩气的含量比二氧化碳多几十倍，但氩气也不是温室气体。而大气中除了二氧化碳以外，具有温室效应的气体还有水蒸气、甲烷、氧化氮以及氯氟烃（俗称氟利昂，就是目前通常压缩式电冰箱和空调机中所用的主要工质）等。这些气体中水蒸气的含量都比二氧化碳多好几倍，对气候的影响也更大。水蒸气在大气中的含量不仅比二氧化碳多，并且对红外辐射的吸收能力也更强，但是为什么一提到大气的温室效应时就只提二氧化碳而不提水蒸气呢？原来大气中的水蒸气和二氧化碳都是循环的。在太阳的照射下，每年都有总量约为500万亿吨的水从地面（包括海洋和陆地的水面〕热蒸发成为水汽升回空中，并且每年又有差不多同样数量的水汽在空中凝结成雨、雪后落回到地面和海洋，其中落回到地面的水又通过江河奔流入海。就这样，周而复始地保持着陆地和海洋中水量的总体平衡，也保持了大气中水量的总体平衡。与每年总计约5乂1014吨的蒸发量或降水量相比，大气中所保有的水量要少得多，大约只有1.35X10”吨。所以平均起来，在蒸发和降水的循环过程中，水蒸气在空中仅仅停留1天左右的时间。由于水蒸气在空中停留的时间相对较短.并且它的分布又很不均匀，所以短期内从局部地区来说，天空中水蒸气和云量分布的变化可以很大，对局部地区的天气影响很显著；但从较长时期和全球范围来说，大气中的水蒸气总含量并没有发生多大的变化。因此，对全球总体的气候影响并不显著，故而在讨论全球由于温室效应而变暧的问题时，通常就不考虑水蒸气的影响了。但是，碳的循环要比水的循环复杂得多。从人的呼吸直到矿物的沉积都涉及碳的迁移。其中，动、植物和有机质的呼吸、发酵和腐烂，每年约有3.5X10、屯的碳〔主要以二氧化碳的形式〕进入大气；因矿物燃料（煤、石油、天然气等〕和生物质〔秸杆、薪炭林〕等的燃烧每年进入大气的碳（主要也以二氧化碳的形式〕约为5乂109吨；陆地上的植物通过光合作用每年要从大气中吸收3丨5.101。吨的碳；此外，海洋表层与大气之间不断地交换二氧化碳，根据目前的情况估算，每年约有3乂109吨的碳进入海水。这样，总计一下，就可以知道目前大气中的二氧化碳每年大约增加2乂109吨。并且，进入大气中的二氧化碳要通过光合作用和溶入海水等过程相当缓慢地进入植物体或海洋。因此，二氧化碳在大气中的平均停留时间约为10年，要比水蒸气在大气中的停留时间长数千倍；并且二氧化碳在大气中的分布大体上是均匀的，所以它的逐年增多确实会对全球气候产生长时期和总体性的影响。因此，在讨论大气中的温室气体对地球气候的长期影响时，人们关注的焦点自然就是二^氧化碳而不是水蒸气了。冰川融化世界正在变热美国《幸福》杂志曾撰文指出：世界正在变热。同14世纪一样，21世纪将出现非常恶劣的气候。虽然地球过去也曾经历过变冷和变热的时期，但是科学家们普遍认为这次气温上升将比以往任何一次都更高更快。按地球平均温度衡量，1987年是有记录以来气温最高的一的年，20世纪80年代是一个世纪中最热的10年，而此后60年左右气低温上升的速度将相当于1.08万年前冰川开始漫长的消融过程以来全球温度上升的总数。热，这就是现在令全世界科学家密切关注并忧心忡忡的“温室效应”，至今为止，没有任何人能了解它的所有的可变因素，也无法预料它会产生的可怕后果。温室效应的应用2000多年前，有一次秦始皇在严寒的冬天想要吃瓜，真叫人大伤脑筋。冬天在露天地里种瓜，肯定要冻死。然而我们智慧的祖先还是想办法满足了皇帝的欲、望。当时想的是什么办法，现在已经无法详细考察了。据说，建造了一个温室。只有温室，才能在酷寒之中，给植物开辟一个“安乐窝”。而温室必须有一种透明材料，才能使阳光射入，使植物完成光合作用，并形成“温室效应”。这种透光的材料，多年来一直用的是纸，直到18世纪以后才出现了玻璃和塑料的温室。“塑料大棚”温室的搭建简单，价格便宜，但是塑料容易老化脆裂，也容易被大风吹破，所以使用寿命不长，需要经常更换。进一步的例子就是玻璃温室。它虽然造价较高，但是室内在必要时可以采用其他供暧手段来弥补光能的不足。例如可以生火炉或安装土暧气等，这样就能保证室内的温度波动幅度较小，全年都适宜于植物的生长。不仅可以供应蔬菜，还能四季养花，美化人民的生活。国内外在这方面都有很多示范性工程。温室是光能在农业中应用最古老、最广泛的种设施。它不仅可以用来种菜，还可以用来进行水稻育秧畜舍采暧等。利用温室效应，可以制成光能贮热温床。温床要建在背风向阳、地下水位较低、前无遮阳、管理方便的地方，床长22米，宽2米，东西取向，在床的中间挖长、宽各2米、深1.3米的贮热坑（如整个床长短于10米，可将贮热坑挖在一头，尺寸也可相应缩小〕。坑底铺酿热物〔例如牲畜粪、碎草、麦糠等）0.4米厚，四壁涂成黑色，以利于吸收太阳辐射能。床面在贮热坑两侧，各长10米，床面从地面向下挖0.4米取平。床面底部挖五股输热道，每道上口宽0.3米，底口宽0.2米。这种贮热温床可以用于春季育苗、冬季栽培蔬菜和花卉，还可以用于棉花营养钵育苗、水稻催芽、白薯老蔓越冬、养殖业冬季保种等方面。它的结构简单，造价低廉，不用燃料，节约常规能源，便于管理。湖北省某村庄过去用蒸汽温室育秧，不仅需要锅炉，而且要烧大量柴草，育秧成本高，推广应用有困难。改用光能温室育秧后，在一次27天的实验中，尽管遇到了寒潮、阴雨，仍然可以顺利地育秧7批，可供100多亩稻田插秧的需要。经收获后测定，用光能育秧比一般的育秧方法可以增产10^左右。另外，还可以利用温室效应来建造光能游泳池。大家知道，最适宜于游泳的水温约为2600，而一般的室外游泳池根本不可能全年都满足这样的水温条件，即使是“四季如春”玻璃室的地方，也不能例外。近年来，国外光能游泳池已像雨后春笋般地建立起来。例如在美国，面积3乂106平方米的光能热水器中，就有一半以上是专门用来为游泳池水加热的；仅从年的5年间，澳大利亚的光能游泳池就增加了6倍！我国如果利用光能的温室效应来加热游泳池水，游泳季节一般可以延长2个月左右，不仅能更好地满足广大游泳爱好者的需要，更能为延长训练时间、提筒运动员素质和游泳成绩提供良好条件。我国的游泳之乡一广东省东莞市，为了解决业余体校游泳班的冬训问题，专门在游泳池的上面建造了一个塑料大棚，在当地冬季日平均气温为141?171时，池水温度可以提高6。0左右，大大延长了冬训时间。秦始皇统一中国战国后期秦国成为七国中实力最强的国家。通过战争不断兼并邻国的土地，终于在公元前221年，秦王臝政灭六国，建立了历史上第一个统一的中央集杈的封建国家，定都咸阳。臝政即秦始皇，统一中国后，推行郡县制，把全国划分为36个郡，郡下设县，并统一法律，统一度量衡、货币和文字。秦始皇统一中国，结束动乱，符合历史进步方向，但他的残暴统治却使人民不满。他死后，他的儿子胡亥更是变本加厉地剥削压迫人民，终于激起了陈胜、吴广领导的秦末农民起义。陈胜、吴广被杀害后，项羽和刘邦继续领导农民战争，最终推翻了秦王朝。项羽和刘邦为争夺帝位，又进行了近4年的“楚汉之争”。大家熟知的“鸿门宴”、“霸王别姬”、“乌江自刎”等典故都发生在这一时期。最终，刘邦战胜了项羽。猎人要捉狼，先挖一个陷阱，里面藏起一只小猪。狼听到小猪的叫声，就来寻找，“扑通”一声，掉入了陷阱，狼被捉住了。捕捉阳光，也有各种各样的“陷阱”。其中最常见的一种叫作“太阳集热器”。那么，太阳集热器是如何做到捕捉阳光的呢？太阳集热器有“平板型”和“聚光型”两种，我们主要讲讲“平板型”太阳集热器。在寒冷的天气要想培育一棵小苗是很困难的。可是拿一个玻璃罩把小苗扣住，就形成了一个温室。冷风吹不进，阳光却可透过来，把里面的泥土、空气晒得很暧和。这种现象，叫作“温室效应”。我们说，光能已经被“捉住”了。不过，捉住的不是阳光，而是热能。这种“光热”转换，是捕捉光能的一个非常重要的办法。但是，我们总不能把玻璃罩乱扣，也不能把泥土乱撒。再说，泥土的吸热本领并不十分好。所以就要把玻璃罩换成一块平板玻璃，把泥土换成一块黑色的吸白台热板，为了把吸热板的热能取出来，为了让某些液体或气体从板上流过。因此，板上还要做一些流道，比如固定一些管子。把这些东西放利在一个盒子里，盒子的底和四周都涂有厚厚的保温层，这就做成了一个集热器。集热器的各部分在捕捉光能的战斗中，都立了哪些功劳呢？冲锋陷阵的是黑色的吸热板。在夏天，大家都穿浅色的衣服。而冬天，却爱穿深色的衣服。在和暧的阳光下，你甚至可以觉出，衣服被晒得热烘烘。可是要和一块：黑色的金属板相比，后者会晒得更热。所以，吸热板通常是用涂黑的丨钢板、铜板或招板做成的。我们知道，热的传递有传导、对流和辐射三种形式，而且，它总是从温度较高的地方向温度较低的地方进行。因此，吸热板在加热流；过的液体或气体的同时，也要以各种传热方式，向较冷的周围空间散：发热量，使捕捉到的战果损失掉。对于炉火，为了产生更多的热量可:以多加煤，而太阳集热器的燃料一阳光，却不是随意可以添加的。因此，我们只好想办法尽可能多地捕捉光能，把它转换成热能，并千方百计地保卫胜利的果实一减少无用的热量损失。这是在设计和制造光能热能利用设备中的一条重要原则。怎样达到减少热量损失的目的呢？现在，玻璃参加了捕捉光能的战斗。我们知道，吸热板热量的损失有一部分是和外面的冷空气发生对流而造成的，就像屋子里炉火的热量经空气对流而传到周围一样。如果在集热器上盖上一块玻璃，对流就能被抑制。玻璃不仅抑制了对流，而且，这里面还有更深一些的道理。原来，光辐射和热辐射都是物体辐射出的一种电磁波。实际上，任何物体，只要温度不是绝对V(绝对00是指绝对温标的0、它近似等于一2730，都有辐射电磁波的能力。温度高的物体，辐射的电磁波、波长较短；反之则长。太阳辐射的电磁波、波长很短，大约0.3?3微米〔1微米等于1/100万米久而一般热的物体辐射出的电磁波、波长大于3微米。玻璃像是一个有网眼的“筛子”，只许0.3?3微米的短波辐射通过，却不许波长3微米以上的长波辐射过去。于是，阳光大摇大摆地穿过了玻璃，撞在黑色的吸热板上，变成了“热”。而变热的吸热板发出的长波辐射却被玻璃挡住了，也就是说，减少了因辐射造成的热量损失。热量想从其他地方逃跑，可是集热器的底和四周都是厚厚的保温层，还是跑不了。因为在松软的保温材料里有无数细小的孔洞，里面关闭着很多不能流动的空气。而空气在静止时，热是不容易传导过去的。结果，集热器里的热量越积越多，温度就逐渐升高了。当然，热量的损失还是有的。比如集热器内部的对流还存在；玻璃虽然可以阻止长波辐射的透过，但也可以吸收这些辐射，使自身的温度升高，从而又通过辐射和对流的形式造成热量的损失。这就是为什么我们在捕捉光能的时候，总是不能百分之百地把热能捉到手的原因。阳光，就是这样掉入了“陷阱”，以转换成热能的形式被我们捉住了。虽然地球上水很充足，总贮水量高达1.5.1018立方米，然而其中97^都是海水，只有3^是淡水，并且淡水的分布很不均匀，使得世界上有不少地区淡水极为缺乏。利用车、船等交通工具向这些地区运送淡水，固然是一种比较简单的办法，但是运费非常昂贵，同时用量十分巨大，实际上很难满足人们日常生活需要。因此，很早以前就有一些国家利用光能蒸馏器来生产淡水。但是，由于当时的技术水平低，蒸馏器的产水量少，经济性差，所以没有引起人们足够的重视。20世纪70年代以来，利用光能淡化海水的工作又有了新进展，再次引起了世界各国的重视。据报道，目前世界上已有十佘个国家的100多个单位正在从事光能蒸馏器的研究工作。1967年，希腊兴建的一座光能蒸馏器是迄今规模最大的，它的蒸发面积达8667立方米，平均日产淡水31.3吨。###太阳晒出的冰棍你从大街上头了两根冰棍，准备带回家给弟弟吃。炎热的太阳无情地晒在冰棍上，等你走到家，冰棍都快化完了。太阳和冰棍真是冤家对头。但是我说，你吃的冰棍可以是用太阳“晒”出来的，你相信吗？让我们做个实验吧！太阳把地面晒得滚烫。你拿一盆水来，泼在地上。一会儿，周围好像凉爽些了，再看地面，水逐渐少了，干了，蒸发掉了。水在变成水蒸气时，要从周围的物体吸收热量。因此，地面的温度就降低了。你想过没有，利用这个道理可以使水结冰？集热器来大显身手了。它里面的吸热板，好比是晒得滚烫的地面;吸热板上有液体流过，好比是泼上去的水。在阳光的照射下，液体被很快蒸发了。这液体不是水，而是氨和水的混合液。物理课上已经讲过，在常压下，水的沸点是1001，而液氨的沸点是一331。集热器被太阳晒热的温度大约是701?80~0，因此，混合液中的氨首先被蒸发掉了。然后氨气被引了出来，送到一个“冷凝器”里。冷凝器的周围有冷水或冷空气不断流过，温度较低。氨气遇冷，就变成了液态的氨。既然氨在蒸发时要吸收热量，那么，它在液化时就要放出热量。这热量，是被冷凝器吸收了。最后，把液氨送到“蒸发液态氨储存罐器”里，蒸发器里套着一个冰箱，冰箱里放上牛奶和糖。这时，让液氨急速膨胀汽化而大量吸热，冰箱里的温度就会降到01以下，奶油冰棍就做成了。这就是太阳“晒”的冰棍。这种晒冰棍的机器我们叫它“简