反照率

反照率（albedo/ælˈbiːdoʊ/）通常是指物体反射太阳辐射与该物体表面接收太阳总辐射的两者比率或分数度量，也就是指反射辐射与入射总辐射的比值。反照率或反射系数，是从拉丁文的“白反照”（"albedo whiteness"），或“反射的阳光”衍伸出来的，意思是漫反射或是表面反射的能力。它是从表面反射辐射与入射辐射的比率，是无量纲量。其性质以百分比来表示，度量上从完全黑的表面反照率为0，至表面完美的白色反照率为1。注解：因为它是以全部的反射辐射对入射辐射，所以包括漫反射和镜面反射。射辐射对入射辐射的它将包括弥漫性和镜面反射辐射反映。它们共同承担表面的反射，然而我们通常假设只有完全漫射或只有完全的镜面反射，以简化计算。反照率取决于辐射的频率。当引用时未加说明，通常是指适当且平均跨越可见光的光谱。一般情况下，反照率取决于入射辐射的方向分布，除了朗伯表面，其分散是以余弦函数辐射在所有的方向上，因此反照率是独立分布的事件。在实务上，双向反射分布函数（BRDF）可能需要精确的表面特征的散射特性，但反照率是非常有用的一次近似值。反照率在气象学、天文学是非常重要的概念，在LEED可持续系统性的评量建筑物，计算表面的反射率。地球的整体平均反照率，是行星反照率，因为云层的覆盖，是30到35%，但由于不同的地质环境特征，局部的表面有广泛的不同。约翰·海因里希·朗伯在1760年将Photometria这个名词引入光学。在可见光范围的典型反照率，可以从新雪的0.9到黑色木炭的0.04，深邃洞穴的暗处，有效反照率可以接近0，达到理想的黑体。当从远处观察，海洋表面如同多数的森林，具有低的反照率，而沙漠地区和一些地貌有着最高的反照率；大部分土地地区的反照率在0.1至0.4之间。地球的平均反照率大约是0.3，这主要是因为云层所做的贡献远高于海洋。地球表面的反照率是由地球观测卫星的感测器，像是NASA安装在Terra 和 Aqua等太空船上的MODIS仪器定期观测取得的。由于卫星不能直接测定反射辐射的总量，BRDF的数学模组被应用在将卫星测量反射样本组估计的定向半球反射率翻译成双半球反射率的估计（e.g.）。地球的平均表面温度由于其反照率和温室气体效应，目前约是15℃。如果地球完全被冰冻（因此会有更高的反射率），地球的平均温度将下降到低于 −40℃。如果只有大陆土地被冰川覆盖，地球的平均温度将降至约0℃。相对的，如果整个地球都被水覆盖着，所谓的水行星，在地球上的平均温度将上正略低于27℃。结果显示有许多的应用程序涉及地面的反照率，特别是太阳天顶角θi的反照率，可以是合理且近似对称的两个术语项的总和： 在太阳天顶角的定向半球反射率 α ¯ ( θ i ) {displaystyle {{bar {alpha }}(theta _{i})}} ，和双向半球反射率 α ¯ ¯ {displaystyle {bar {bar {alpha }}}} ，所占比例和被定义为弥漫性照明 D {displaystyle {D}} 所占比例有关。反照率 α {displaystyle {alpha }} 可以表示为：定向半球反射率有时会作为黑色天空反照率，而双向半球反射率有时可能会做为白色天空反照率。这些条款是重要的，因为它们允许任何给定的光照条件表面计算了解内在特性。行星、卫星和小行星的反照率可以用于推断很多关于它们的性质。反照率的研究，依赖波长、照明角度（"相位"），和天文学主要领域，会随时间变化的光度学。对于不能以望远镜解析，又小又远的天体，我们的了解大多来自对其反照率的研究。例如，绝对反照率可以指示太阳系天体表面的冰含量，反照率与相位角的变化给了有关风化层性质，而不寻常的雷达高反照率是小行星金属含量的指示。土星的卫星，恩克拉多斯（Enceladus），有已知太阳系内天体最高的反照率，反射99%的电磁波辐射。另一个显著的高反照率天体是阋神星，反照率是0.96。许多在外太阳系和小行星带的小天体，反照率低于0.05，彗核的典型反照率是0.04。这种黑暗的表面被认为是指示原始和大量太空风化的表面包含一些有机化合物。月球整体的反照率大约是0.12，但它是强烈定向和非朗伯表面，也显现出强烈的冲日浪。虽然这种反射特性有别于任何的陆地地形，它们是太阳系天体表密不透风的典型风化层表面。在天文学中使用，常见的两种反照率是（V波段）几何反照率（照明直接来自观测者的后方）和球面反照率（测量各种电磁能量反射所占的比例）。它们的值可以大不相同，这常会造成混淆。深入的研究，天体的定向反射特性通常以5个哈普克参数表示，半经验的描述反照率和相位的变化，包括风化层表面的冲日浪特征。天文学的（几何）反照率、绝对星等和直径之间的相关性是：A = ( 1329 × 10 − H / 5 D ) 2 {displaystyle A=left({frac {1329times 10^{-H/5}}{D}}right)^{2}} ,此处的 A {displaystyle A} 是天文学的反照率， D {displaystyle D} 是以公里为单位的直径，和 H {displaystyle H} 是绝对星等。虽然反照率-温度效应是越冷显著，但在地球上，实际反照率最大的地区是热带，那儿有全年最丰沛的照明。附加的最大值区域是在北半球的3至12度之间变动。极小值位于北半球和南半球的副热带地区，它的反照率增加低于照明的关系。反照率的温度效应强度取决于反照率的量和地区的日照（太阳辐照度）水准；在高反照率的南极和北极，由于低的日照而寒冷，在其他地区，像是撒哈拉沙漠，也有相对较高的反照率，那里的高日照造成高热。热带和副热带的雨林区域有低反照率，但比低日照的相似温带森林热。因为日照扮演如此重要的作用，加热和冷却对反照率的影响，像高日照的热带地区倾向于当地的温度波动时，反照率有明显的变化。反照率影响气候和驱动天气。所有的天气是地球的不同地区有不同的反照率，造成加热不均匀的结果。基本上，在地球上有两种类型的反照率就可以驱动天气：陆地和海洋。陆地和海洋地区依据纬度和日照，产生出4种不同的基本气团：在热带和副热带陆地是温暖和干燥；在热带和副热带海洋是温暖和潮湿；在低温的极地和副极地的陆地是寒冷和干燥；在低温的极地和副极地的海洋是寒冷和潮湿。在不同气团间的不同温度，造成不同压力的结果，气团发展出气压系统。高压系统流向低压，在北半球由北向南驱动天气，而使低压由南向北。但因为地球的自转，科里奥利力的效应进一步使气流复杂，创造了几个天气/气候带和喷射气流。当地区的反照率因为降雪而改变，会造成雪-温度回馈的结果。一层降雪会增加当地的反照率，反射掉阳光，导致该地区变冷。原则上，如果没有外在的变化影响这一地区的温度（例如，一个温暖的气团），升高的反照率和较低的温度会持续，并导致进一步深化的降雪 －温度回馈的降雪。然而，由于季节变化是地区性天气的动力，暖气团和更直接入射（高日照）的阳光最终将使雪融化。当融化显露了较低反照率的地区，例如草或土壤，表面的效果被反转：黑暗的表面降低反照率，增加该地区的温度，倒置更多的雪融化，进一步降低反照率，结果会变得更热。雪的反照率是高度可变的，范围从新雪的0.9，到融化中画0.4的雪水和低至0.2的脏雪。整个南极的平均反照率略超过0.8，如果有轻微降雪覆盖着温暖的地区，雪趋向于融解，降低了反照率，并因更多的辐射被吸收而导致更多的雪融解（这是冰-反照率的正回馈）。宇宙尘、含煤灰的扬尘等尘埃，有时会降低冰原和冰川的反照率。 因此，在反照率上的小误差可能导致能量估计上较大的误差，这就是衡量冰雪覆盖区为什么重要性的原因，透过远端传感技术广泛的测量，而不只是单独一个覆盖区的反照率。在小尺度下也可以应用反照率。在阳光下，深色的衣服吸收较多的热量，而浅色的衣服反射较多的热量，因此可以利用外部服装的颜色对反照率的效应，从而控制身体的温度。反照率可以影响太阳能光伏设备的电能输出。例如，光谱反映反照率影响的效应，说明了氢-硅基非晶（a-Si：H）的晶体硅和碳-硅基结晶（C-Si）的晶体硅的光伏材料，在不同的频谱加权技术下，预测相较于传统的光谱集成反照率。研究显示，影响达到10%以上。最近，分析扩展到22种常见的表面材料（包括人造的和天然的）的效应，和对实际用在三种常见光伏系统镜面表面的7种光伏材料的反照率效应进行分析：工业（太阳能处理机）、商业的平屋顶和住宅的塔形屋顶的应用。因为森林通常是低反照率（经由光合作用吸收大部分的紫外线和可见光谱），一些科学家曾经认为以吸热较多的树造林可以抵消不利的碳效益（或抵消森林砍伐的不利气候影响）。在常绿森林和积雪使反照率减少的影响，可能大到足以为森林砍伐导致净冷却的效果。通过蒸散量，树木影响气候的方式也极其复杂。水蒸气造成陆地表面冷却，当凝结时就会加热，一种强有力的温室效应行为，在凝结成云时可以增加反照率。科学家一般视为净冷却的影响、反照率的影响、和砍伐森林导致土壤水分蒸发损失总量的变化，极大的分量取决于当地的气候。在季节性积雪区，因为雪不容易覆盖住树木，因此冬季没有树木地区的反照率在10%至50%，高于森林附近的地区。落叶乔木的反照率在0.15至0.18，而针叶树的值在0.09至0.15。哈德利中心的研究曾经调查反照率（通常是温暖）的变化和碳固存（通常是冷却）的相对效应对造林的影响。他们发现，在热带和中纬度地区的新森林往往凉爽；在高纬度地区（例如西伯利亚）的新森林是中性或温暖的。水的反射与典型的地面材料非常不一样，它的表面反射要使用菲涅耳方程（见图）计算。云反照率对大气温度有相当大的影响力。不同类型的云呈现出不同的反照率，理论上的反照率范围从最小的0到最大的接近0.8。"在给定的任何一天，都约有一半的地球被云遮蔽，反射比地面和水更多的阳光。"通过云的反射阳光，使地球降温，但它们也是陷阱，会成为温暖地球的毯子"。在一些地区，反照率和气候会受到人造云的影响，例如大型商用客机的凝结尾。在伊拉克火烧占领的科威特油田后的一项研究显示，在油火燃烧下的温度比数英里外晴朗天空下的温度低了多达10℃。悬浮微粒（非常细小的颗粒/大气层中的液滴）对地球辐射的平衡，在直接和间接上都有影响。直接（反照率）影响一般是可以使地球降温（粒子作为云凝结核，从而改变云的性质），间接的影响还不是很确定：可能 的影响是：另一个在气候上的反照率相关效应是来自碳烟的颗粒。这种效应的大小很难量化：政府间气候变化专门委员会估计来自化石燃料悬浮微粒的全球平均辐射量，强制碳烟的值为+0.2 W m−2，范围在+0.1至+0.4 W m−2。碳烟 对造成北极冰帽融解的反照率影响，比二氧化碳还要巨大。人类的活动（例如：砍伐森林、农业和城市化）改变全球各地区的反照率。然而，量化这些活动的全球尺度效应是很困难的。单散射反照率是用来定义小颗粒对电磁波的散射。它取决于材料的性质（折射率）、颗粒的大小或数量、以及入射辐射的波长。