照到地球的太陽光，有多少能量？
― 1小時的光量，就能追上人類1年的用量
走到陽光下，臉會漸漸感到溫暖。把那股溫暖化成數字，會發現它比想像中大得多。晴天的白天，光是照在地面1平方公尺的光，功率就等於一台電熱水壺。把整個地球加起來，僅僅1小時，就幾乎等於人類1年用掉的能量。
秋天晴朗的午休時間，坐在長椅上曬太陽。風有點涼，但曬到太陽的背部卻暖烘烘的。
雲飄過太陽前面的瞬間，立刻感到一絲涼意。雲飄走之後，溫暖又回來了。
這股「暖烘烘」的來源，是走過1億5000萬公里旅程的光的能量。那麼，這股能量到底有多大呢？
變成天文數字的理由，只有兩個
太陽高掛的晴天白天，照在地面1平方公尺的光，大約是1000瓦。相當於一台電熱水壺或吹風機的功率。
地球接收光的面積，大約是1億2700萬平方公里。整個面積，不分日夜，持續接收著光。
「每平方公尺的光量」乘上「接收面積」，光是這樣相乘，就會得出驚人的數字。讓我們依序來看。
照在1平方公尺的光，等於一台電熱水壺
在地球空氣層外側，正對太陽的1平方公尺板子，每秒會接收到大約1361焦耳的光，這稱為太陽常數。每秒1361焦耳，也就是1361瓦。
光穿過空氣時，一部分會被反射或吸收。因此晴天太陽接近正上方時，照到地面的光大約是每平方公尺1000瓦。太陽能板的性能，也是以這「1000瓦」為基準來測量的。
不過，這是太陽高掛時的情況。請看圖1。太陽越低，同樣粗細的光束，在地面上就會被拉得越長。光量相同，卻稀疏地散布在更大的面積上，所以每平方公尺的光量就減少了。
東京正午的太陽高度，夏至前後大約78度，冬至前後大約31度。以每平方公尺地面來比較，冬天白天的光量只有夏天的大約一半。冬天寒冷，不是因為太陽變遠了，而是因為光斜著照射，稀疏地散布開來。
放眼整個地球，1小時就等於人類1年的用量
接下來，來思考整個地球接收的光。太陽非常遙遠，所以照到地球的光幾乎是平行前進的。請看圖2。地球雖然是球形，但從光的角度來看，等於用一片「跟地球半徑相同的圓盤」擋住了光。
這個圓盤的面積，大約是1億2700萬平方公里。在空氣層外側，每平方公尺持續接收1361瓦的光。相乘之後，地球接收的光大約是1億7000萬吉瓦。若把一座大型發電廠算作1吉瓦，就相當於1億7000萬座。
把1小時的光量加總，大約是620艾焦耳（艾＝10的18次方）。全世界的人1年用掉的能量，大約是600艾焦耳左右。也就是說，照到地球的1小時太陽光，幾乎等於人類1年的能量用量。
理由是「稀薄」。光散布在非常廣的面積上，變得很稀薄。把整個地球的日夜、赤道與極地都平均起來，在空氣層外側大約是每平方公尺340瓦（1361瓦的四分之一）。而其中大約三成，又被雲和冰反射回宇宙。就連植物，能把接收到的光轉換成養分的比例，也只有大約1%左右。要收集起來並不容易。
總結
照在地面1平方公尺的太陽光，晴天白天就等於一台電熱水壺的功率。地球以1億2700萬平方公里的圓盤，不分日夜地持續接收著。結果就是，光是1小時的光量，就能追上人類1年用掉的能量。另一方面，光斜著照射時會稀疏地散開，季節的冷暖也由此而生。
太陽光的量，其實多到用不完。
困難之處，是如何收集這些稀薄散開的光。
關於曬到太陽的地方溫度會上升多少，可以參考「柏油路為什麼會超過60℃？」和「停在陽光下的車內，為什麼會變熱？」；太陽傾斜角度與季節的關係，可以參考「季節的原理」中的詳細介紹。
- 在晴天的陽光下，把手掌正對太陽，感受大約30秒的溫暖。
- 接著，把手掌大幅傾斜，讓光斜斜地擦過掌面。應該會感覺比剛才溫暖得少。
- 把一根1公尺長的棒子立在地上，測量影子的長度。影子跟棒子等長，太陽高度就是45度；影子越短，太陽的位置就越高。
請不要直視太陽，有傷害眼睛的風險。把夏天和冬天的影子長度拿來比較，就能用自己的眼睛確認圖1所顯示的差異。
想知道更多 ― 用語、公式，與教科書的連結從中學自然科學到大學專業科目，都會明確標示屬於哪個程度
- 中學中學自然科學課程範圍
- 高中高中「物理」「地球科學」課程範圍
- 高中＋高中選修內容，或教科書專欄介紹的內容
- 大學高中不教、屬於大學專業科目（氣象學、大氣輻射學）的內容
- 研究中連大學也還不當作「定論」教授、研究者正在探討中的內容
中學用語：這個現象是有名字的
- 太陽常數：在地球空氣層外側，垂直對著太陽的1平方公尺平面，每秒接收到的光能量。大約是每平方公尺1361瓦。
- 日射（太陽輻射）：指太陽傳來的光能量。在地面測得的數值稱為「日射量」，氣象台也會進行觀測。
- 太陽正中高度：太陽在一天之中升到最高點時，與地平線的夾角。會隨季節變化。
中學高中用公式驗證：地球1小時接收到的光能量
從圓盤面積與太陽常數，求出地球接收的光總量。各符號意義如下。
| 符號 | 意義與單位 |
| P | 地球接收光的功率（瓦） |
| S | 太陽常數（瓦每平方公尺） |
| R | 地球半徑（公尺） |
| E | 時間 t 之內接收到的能量（焦耳） |
| 用符號表示 | P ＝ S × π × R² 、 E ＝ P × t |
| 用文字表示 | 接收的光 ＝ 每平方公尺的光 × 圓盤面積（圓周率 × 半徑 × 半徑），能量 ＝ 光的功率 × 時間 |
| 公式從何而來 | 遮住平行光的面積，等於球體「影子」那個圓的面積（圖2）。能量則來自「功率乘以時間」這個定義。 |
| 太陽常數 S | 1361 瓦每平方公尺 |
| 地球半徑 R | 6370 公里 |
| 1平方公里 | 1000000 平方公尺 |
| 1小時 | 3600 秒 |
| 全球1年的能量消費量 | 大約600艾焦耳左右 |
| 半徑 × 半徑（平方公里） | 6370 × 6370 ＝ 40576900 |
| 圓盤面積（平方公里） | 40576900 × 3.14 ≒ 127000000 |
| 每平方公里的光（瓦） | 1361 × 1000000 ＝ 1361000000 |
| 換成吉瓦表示相同的量 | 1361000000 ÷ 1000000000 ≒ 1.36 |
| 地球整體的光 P（吉瓦） | 127000000 × 1.36 ≒ 172700000 |
| 1小時的量（吉焦耳） | 172700000 × 3600 ≒ 621700000000 |
| 換成艾焦耳 | 621700000000 ÷ 1000000000 ≒ 622 |
地球1小時接收到的光，大約622艾焦耳。與人類1年的消費量（大約600艾焦耳左右）幾乎相同。
| 一塊榻榻米（約1.6平方公尺）晴天白天接收的光（瓦） | 1000 × 1.6 ＝ 1600 |
| 冬至正午的東京（太陽高度31度的正弦值大約是0.52） | 1000 × 0.52 ＝ 520 |
一塊榻榻米大小的陽光下，接收到的光比一台電熱水壺還要多一點。冬至白天，同樣每平方公尺地面的光量會變成大約一半（與圖1相同，是簡化後的計算）。
高中高中＋傾斜角度，與地球整體的平均
高中光斜著照在地面時，每平方公尺的光量會按「太陽高度的正弦值」的比例減少。圖1的公式（1000瓦 × 正弦值）就是這個道理。太陽高度隨季節變化，是夏天與冬天氣溫差異的主要原因。
高中＋球體表面積是圓盤面積的4倍，所以把地球整體平均起來的光量，是太陽常數的四分之一，大約每平方公尺340瓦。其中大約三成（反照率）會被反射，剩下的用來加熱地球。從這個收支，可以求出地球的「輻射平衡溫度」大約是攝氏零下18度。實際平均氣溫約15℃，是溫室效應造成的。
大學穿過大氣的路徑，與大氣質量
實際上，太陽越低，光穿過空氣層的路徑就越斜越長，因散射與吸收而減弱。把這段路徑長度以「正上方入射時為1」來表示，稱為「大氣質量」（air mass）。光穿過空氣時的減弱方式，可以用藍伯－比爾定律（Lambert-Beer law）表示。圖1的計算省略了這個效應，是簡化版本。地球整體的光能收支，在大氣輻射學中稱為「地球能量收支」來處理。
📖 公式推導與更進一步的內容：太陽常數（日文維基百科） ／ 藍伯－比爾定律（日文維基百科）
研究中目前仍不清楚的事
- 太陽常數的準確數值 根據人造衛星的觀測，2000年代曾將數值從約1365修正為約1361瓦。測量儀器差異造成的誤差，目前仍在持續檢驗中。
- 太陽亮度的長期變化 太陽亮度會以大約11年為週期產生些微變化，但數百年尺度的變化幅度，目前還不清楚。
- 雲反射的光量 地球能反射多少比例的光，深受雲量左右；暖化會讓雲如何變化，被視為氣候預測中最大的不確定因素之一。
也就是說，本文的內容也是「目前已知範圍內的說明」。數值請當作理解機制的參考值來看待。
與教科書的連結（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 本文對應位置 |
|---|---|---|
| 中學 | 自然科學三年級「地球與宇宙」（季節變化與太陽正中高度）、電力與能量 | 圖1・冬夏光量比較 |
| 高中 | 地球科學基礎「地球的熱收支」、物理基礎「能量」 | 地球整體接收光量的計算 |
| 高中＋ | 地球科學「輻射平衡」 | 四分之一平均與反照率 |
| 大學 | 氣象學、大氣輻射學 | 大氣質量、藍伯－比爾定律 |
| 研究中 | 人造衛星太陽輻射觀測、雲與氣候 | 太陽常數的修正、雲的影響 |
| ― | 與生活的連結 | 曬太陽、季節冷暖、太陽能板 |
- Kopp, G. and Lean, J. L. (2011) A new, lower value of total solar irradiance: Evidence and climate significance. Geophysical Research Letters 38
- 太陽定数（日文維基百科，太陽常數）
- 太陽放射（日射）（日文維基百科，太陽輻射／日射）
- 國立天文台 編『理科年表』丸善出版（太陽常数・地球の半径）（日本國立天文台編《理科年表》，丸善出版，太陽常數與地球半徑數據）
- Energy Institute, Statistical Review of World Energy（世界一次能源消費統計）
※本文為一般科普解說。文中數值為理解機制用的參考估算值。請勿直視太陽。