大家可以简单的做一下计算，答案是279K。这个温度是低于地球表面的平均温度的，之所以如此，正式因为地球表面的大气层对地球辐射有遮挡作用，也就是说，地球并不是以完全的黑体辐射向外发射能量的。

想必读到这里，大家一定会想到另外一个概念，即“温室效应”。没错！辐射制冷和温室效应是紧密相关的。很多科学家相信，正是因为大气中的温室气体增加阻挡了向外的辐射，产生了全球变暖和极端天气。那么，如果温室气体无法减少，那么如何产生“反温室效应”来降低表面的温度呢？理想的一个方法就是，调控表面的发射率，通过在大气比较透明的波段增加发射，可以实现降温的目的。这就是所谓的辐射制冷。

辐射制冷并非一个全新的概念。事实上，这个概念在1828年已经被Arago提出，曾被先人用于生产和生活。上世纪70年代前后对夜间辐射制冷材料的研究非常多。从上世纪50年代一直到本世纪初一直有国内外课题组在开展相关研究。在气象领域，辐射制冷也是被熟知的一个概念。辐射制冷和很多熟知的自然现象，例如霜冻、结露等有很大的关系。当然，白天辐射制冷的首次实现，还是斯坦福大学2014年的Nature。

这时候，我们必须分两种情况进行讨论。暂时不考虑太阳辐射。

1. 如果T大于环境温度，后面称之为辐射散热，那么非辐射换热是在冷却表面。在大气窗口之外，表面向大气的辐射高于大气向表面的辐射。在这样的情况下，一个完全黑体的表面有助于实现最大的Pcool。

2. 如果T小于环境温度，后面称之为辐射制冷，那么非辐射换热是在加热表面。在大气窗口之外，表面向大气的辐射低于大气向表面的辐射，因此大气是在加热表面。这样的情况下，最好的选择是只在大气窗口之内有高发射率，而在大气窗口之外发射率为0，这样的表面有助于实现最大的Pcool。

因此，在这里需要敲黑板：辐射散热和辐射制冷的材料设计目标是不同的！最后讨论一下Psun，当然从散热和制冷的角度，我们希望Psun越小越好，因此该表面应当尽量的“白”，即尽量少的吸收太阳光谱内的可见光。

到这里，基本上可以对材料设计目标做一个总结：尽可能减少太阳光谱的吸收，尽可能增加大气窗口的发射。在大气窗口之外，取决于应用场景设计成高发射或者低发射。因此，仅从材料性能表征的角度，光谱性能唯一的决定了材料本身辐射制冷性能的好坏。

然而从上述公式和讨论中不难看出，材料设计（即发射率的调控）并非完全的决定性因素。事实上，其他的决定性的因素包括：Pnonrad中的非辐射换热系数h，以及Patm中的大气发射率。因此，决定Pcool的因素还包括：

1. 整体装置的设计：影响非辐射换热系数。所以，从装置设计的角度，要求非辐射换热越低越好，因此应该将系统做的更加绝热。

2. 天气条件：影响大气的发射率。从天气的角度：晴空的情况下，大气中水蒸气的含量越低越好（因为水蒸气这种极性分子是参与性介质的重要影响因素），也就是说，越干燥的地区，越容易实现更大的Pcool。本公众号前期有一篇文章专门讨论该问题，请参见

这里可以对上述讨论进行总结了：材料设计只是实现高效辐射制冷的一个因素，除此之外，整体装置的绝热性能和天气条件也极大的影响了辐射制冷的性能。

回到之前的公式，很明显可以看出Pcool是表征系统在特定天气下的辐射制冷性能的指标。

Pcool是表面温度T的函数，典型的曲线如下图所示。考虑一个表面上有一个持续的冷量Pcool，那么它的温度T会继续降低，降低温度会进一步降低Prad和Pnonrad，直到Pcool=0为止。这个温度叫做停滞温度，即下图中曲线和x轴的截距，也就是该辐射制冷表面能够降低到的最低温度。如果让Pcool不等于零，那么就需要给整体装置外加一个加热系统。例如2017年科罗拉多大学的Science论文，就通过反馈控制系统来使得表面温度始终等于环境温度，这时加热系统提供的热量即为Pcool，因此可以准确的测量发射功率，即下图中曲线在y轴的截距。

1. 辐射制冷能够将表面温度降低到很低，例如文献报导零下50摄氏度的制冷温度，这个能不能把物体在不耗能的情况下冷冻到零下50度？

答：几乎不可能，因为当接近停滞温度的时候，制冷功率几乎为零，如果想把比如1杯水冷却到零下50度需要大量的冷量，也就是几乎要无穷长的时间才能实现。而且这还需要一个昂贵的真空绝热系统。

2. 辐射制冷材料是否能够用来散热，比如建筑散热和个人热管理？

答：可以。然而，需要强调的是，绝大多数的常见材料，例如砖头、水、多数的油漆、塑料、人的皮肤等在红外的发射率都很高。一定需要评估新材料相对于现有常见材料的优势，这样的数据才是有意义的。需要强调的是，在常温下极限的辐射制冷功率大概在150W/m2，而相对于拟覆盖表面的增量有多少，必须仔细评估一下。

3. 我研制了一种光谱性能非常好的材料，能否有应用前景？

答案：不一定，如前所述，为了150W/m2是否值得花相应的成本，需要强调的是，除了材料本身，还有人工、维护等各种成本。作为对比，太阳能电池的利用效率大约也就150W/m2 (算15%的光电转换效率)。因此需要综合评估。

4. 我现在想介入这个方向，切入点在哪里？

答：别问我，如果我知道就自己做了。不过各位可以看看最近的综述文章，很多文章写的非常好，我就不一一推介了。

作者简介：鲍华，上海交通大学密西根学院副教授，博士生导师，本科毕业于清华大学物理系，博士毕业于美国普渡大学机械工程学院，长期从事微纳尺度导热和热辐射相关研究。2013年起一直从事辐射制冷相关的研究。