Источники тепла. В жизни атмосферы решающее значение имеет тепловая энергия. Главнейшим источником этой энергии является Солнце. Что же касается теплового излучения Луны, планет и звезд, то оно для Земли настолько ничтожно, что практически его нельзя принимать во внимание. Значительно больше тепловой энергии дает внутреннее тепло Земли. По вычислениям геофизиков, постоянный приток тепла из недр Земли повышает температуру земной поверхности на 0°,1. Но подобный приток тепла все же настолько мал, что принимать его в расчет также нет никакой необходимости. Таким образом, единственным источником тепловой энергии на поверхности Земли можно считать только Солнце.
Солнечная радиация. Солнце, имеющее температуру фотосферы (излучающей поверхности) около 6000°, излучает энергию в пространство во всех направлениях. Часть этой энергии в виде огромного пучка параллельных солнечных лучей попадает на Землю. Солнечная энергия, дошедшая до поверхности Земли в виде прямых лучей Солнца, носит название прямой солнечной радиации. Но не вся солнечная радиация, направленная на Землю, доходит до земной поверхности, так как солнечные лучи, проходя через мощный слой атмосферы, частично поглощаются ею, частично рассеиваются молекулами и взвешенными частичками воздуха, некоторая часть отражается облаками. Та часть солнечной энергии, которая рассеивается в атмосфере, называется рассеянной радиацией. Рассеянная солнечная радиация распространяется в атмосфере и попадает к поверхности Земли. Нами этот вид радиации воспринимается как равномерный дневной свет, когда Солнце полностью закрыто облаками или только что скрылось за горизонтом.
Прямая и рассеянная солнечная радиация, достигнув поверхности Земли, не полностью поглощается ею. Часть солнечной радиации отражается от земной поверхности обратно в атмосферу и находится там в виде потока лучей, так называемой отраженной солнечной радиации.
Состав солнечной радиации весьма сложный, что связано с очень высокой температурой излучающей поверхности Солнца. Условно по длине волн спектр солнечной радиации делят на три части: ультрафиолетовую (η<0,4<μ видимую глазом (η от 0,4μ до 0,76μ) и инфракрасную часть (η >0,76μ). Кроме температуры солнечной фотосферы, на состав солнечной радиации у земной поверхности влияет еще поглощение и рассеивание части солнечных лучей при их прохождении через воздушную оболочку Земли. В связи с этим состав солнечной радиации на верхней границе атмосферы и у поверхности Земли будет неодинаков. На основании теоретических расчетов и наблюдений установлено, что на границе атмосферы на долю ультрафиолетовой радиации приходится 5%, на видимые лучи - 52% и на инфракрасные - 43%. У земной же поверхности (при высоте Солнца 40°) ультрафиолетовые лучи составляют только 1%, видимые - 40%, а инфракрасные - 59%.
Интенсивность солнечной радиации. Под интенсивностью прямой солнечной радиации понимают количество тепла в калориях, получаемого в 1 мин. от лучистой энергии Солнца поверхностью в 1 см 2 , расположенной перпендикулярно к солнечным лучам.
Для измерения интенсивности прямой солнечной радиации применяются специальные приборы - актинометры и пиргелиометры; величина рассеянной радиации определяется пиранометром. Автоматическая регистрация продолжительности действия солнечной радиации производится актинографами и гелиографами. Спектральная интенсивность солнечной радиации определяется спектроболографом.
На границе атмосферы, где исключено поглощающее и рассеивающее воздействие воздушной оболочки Земли, интенсивность прямой солнечной радиации равна приблизительно 2 кал на 1 см 2 поверхности в 1 мин. Эта величина носит название солнечной постоянной. Интенсивность солнечной радиации в 2 кал на 1 см 2 в 1 мин. дает такое большое количество тепла в течение года, что его хватило бы, чтобы расплавить слой льда в 35 м толщиной, если бы такой слой покрывал всю земную поверхность.
Многочисленные измерения интенсивности солнечной радиации дают основание полагать, что количество солнечной энергии, приходящее к верхней границе атмосферы Земли, испытывает колебания в размере нескольких процентов. Колебания бывают периодические и непериодические, связанные, по-видимому, с процессами, происходящими на самом Солнце.
Кроме того, некоторое изменение в интенсивности солнечной радиации происходит в течение года благодаря тому, что Земля в годовом своем вращении движется не по окружности, а по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. В связи с этим меняется расстояние от Земли до Солнца и, следовательно, происходит колебание интенсивности солнечной радиации. Наибольшая интенсивность наблюдается около 3 января, когда Земля находится ближе всего от Солнца, а наименьшая около 5 июля, когда Земля удалена от Солнца на максимальное расстояние.
Колебание интенсивности солнечной радиации по этой причине очень невелико и может представлять только теоретический интерес. (Количество энергии при максимальном расстоянии относится к количеству энергии при минимальном расстоянии, как 100: 107, т. е. разница совершенно ничтожна.)
Условия облучения поверхности земного шара. Уже одна только шарообразная форма Земли приводит к тому, что лучистая энергия Солнца распределяется на земной поверхности весьма неравномерно. Так, в дни весеннего и осеннего равноденствия (21 марта и 23 сентября) только на экваторе в полдень угол падения лучей будет 90° (рис. 30), а по мере приближения к полюсам он будет уменьшаться от 90 до 0°. Таким образом,
если на экваторе количество полученной радиации принять за 1, то на 60-й параллели она выразится в 0,5, а на полюсе будет равна 0.
Земной шар, кроме того, имеет суточное и годовое движение, причем земная ось наклонена к плоскости орбиты на 66°,5. В силу этого наклона между плоскостью экватора и плоскостью орбиты образуется угол в 23°30 г. Это обстоятельство приводит к тому, что углы падения солнечных лучей для одних и тех же широт будут меняться в пределах 47° (23,5+23,5).
В зависимости от времени года меняется не только угол падения лучей, но также продолжительность освещения. Если в тропических странах во все времена года продолжительность дня и ночи приблизительно одинакова, то в полярных странах, наоборот, она очень различна. Так, например, на 70° с. ш. летом Солнце не заходит 65 суток, на 80° с. ш.- 134, а на полюсе -186. В силу этого на Северном полюсе радиация в день летнего солнцестояния (22 июня) на 36% больше, чем на экваторе. Что же касается всего летнего полугодия, то общее количество тепла и света, получаемого полюсом, только на 17% меньше, чем на экваторе. Таким образом, в летнее время в полярных странах продолжительность освещения в значительной мере компенсирует тот недостаток радиации, который является следствием малого угла падения лучей. В зимнее полугодие картина совершенно другая: количество радиации на том же Северном полюсе будет равно 0. В результате за год среднее количество радиации на полюсе оказывается в 2,4 меньше, чем на экваторе. Из всего сказанного следует, что количество солнечной энергии, которое получает Земля путем радиации, определяется углом падения лучей и продолжительностью облучения.
Земная поверхность при отсутствии атмосферы на различных широтах за сутки получала бы следующее количество тепла, выраженное в калориях на 1 см 2 (см. таблицу на стр. 92).
Приведенное в таблице распределение радиации по земной поверхности принято называть солярным климатом. Повторяем, что такое распределение радиации мы имеем только у верхней границы атмосферы.
Ослабление солнечной радиации в атмосфере. До сих пор мы говорили об условиях распределения солнечного тепла по земной поверхности, не принимая во внимание атмосферы. Между тем атмосфера в данном случае имеет огромное значение. Солнечная радиация, проходя через атмосферу, испытывает рассеивание и, кроме того, поглощение. Оба эти процесса вместе ослабляют солнечную радиацию в значительной степени.
Солнечные лучи, проходя через атмосферу, прежде всего испытывают рассеивание (диффузию). Рассеивание создается тем, что лучи света, преломляясь и отражаясь от молекул воздуха и частичек твердых и жидких тел, находящихся в воздухе, отклоняются от прямого пути к действительно «рассеиваются».
Рассеивание сильно ослабляет солнечную радиацию. При увеличений количества водяных паров и особенно пылевых частиц рассеивание увеличивается и радиация ослабляется. В больших городах и пустынных областях, где запыленность воздуха наибольшая, рассеивание ослабляет силу радиации на 30-45%. Благодаря рассеиванию получается тот дневной свет, который освещает предметы, если даже на них непосредственно солнечные лучи не падают. Рассеивание обусловливает и самый цвет неба.
Остановимся теперь на способности атмосферы поглощать лучистую энергию Солнца. Основные газы, входящие в состав атмосферы, поглощают лучистую энергию сравнительно очень мало. Примеси же (водяной пар, озон, углекислый газ и пыль), наоборот, отличаются большой поглотительной способностью.
В тропосфере наиболее значительную примесь составляют водяные пары. Они особенно сильно поглощают инфракрасные (длинноволновые), т. е. преимущественно тепловые лучи. И чем больше водяных паров в атмосфере, тем естественно больше и. поглощение. Количество же водяных паров в атмосфере подвержено большим изменениям. В естественных условиях оно меняется от 0,01 до 4% (по объему).
Очень большой поглотительной способностью отличается озон. Значительная примесь озона, как уже говорилось, находится в нижних слоях стратосферы (над тропопаузой). Озон поглощает ультрафиолетовые (коротковолновые) лучи почти полностью.
Большой поглотительной способностью отличается также и углекислый газ. Он поглощает главным образом длинноволновые, т. е. преимущественно тепловые лучи.
Пыль, находящаяся в воздухе, также поглощает некоторое количество солнечной радиации. Нагреваясь под действием солнечных лучей, она может заметно повысить температуру воздуха.
Из общего количества солнечной энергии, приходящей к Земле, атмосфера поглощает всего около 15%.
Ослабление солнечной радиации путем рассеивания и поглощения атмосферой для различных широт Земли очень различно. Это различие зависит прежде всего от угла падения лучей. При зенитном положении Солнца лучи, падая вертикально, пересекают атмосферу кратчайшим путем. С уменьшением угла падения путь лучей удлиняется и ослабление солнечной радиации становится более значительным. Последнее хорошо видно по чертежу (рис. 31) и приложенной таблице (в таблице величина пути солнечного луча при зенитном положении Солнца принята за единицу).
В зависимости от угла падения лучей изменяется не только количество лучей, но также и их качество. В период, когда Солнце находится в зените (над головой), на ультрафиолетовые лучи приходится 4%, на
видимые - 44% и инфракрасные - 52%. При положении Солнца у горизонта ультрафиолетовых лучей совсем нет, видимых 28% и инфракрасных 72%.
Сложность влияния атмосферы на солнечную радиацию усугубляется еще тем, что пропускная ее способность очень сильно меняется в зависимости от времени года и состояния погоды. Так, если бы небо все время оставалось безоблачным, то годовой ход притока солнечной радиации на различных широтах можно было бы графически выразить следующим образом (рис. ,32) Из чертежа ясно видно, что при безоблачном небе в Москве в мае, июне и июле тепла от солнечной радиации получалось бы больше, чем на экваторе. Точно так же во вторую половину мая, в июне и первой половине июля на Северном полюсе тепла получалось бы больше, чем на экваторе и в Москве. Повторяем, что так было бы при безоблачном небе. Но на самом деле этого не получается, потому что облачность в значительной мере ослабляет солнечную радиацию. Приведем пример, изображенный на графике (рис. 33). На графике видно, как много солнечной радиации не доходит до поверхности Земли: значительная часть ее задерживается атмосферой и облаками.
Однако нужно сказать, что тепло, поглощенное облаками, частью идет на нагревание атмосферы, а частью косвенным образом достигает и земной поверхности.
Суточный и годовой ход интенсивности сол нечной радиации. Интенсивность прямой солнечной радиации у поверхности Земли зависит от высоты Солнца над горизонтом и от состояния атмосферы (от ее запыленности). Если бы. прозрачность атмосферы в течение суток была постоянная, то максимальная интенсивность солнечной радиации наблюдалась бы в полдень, а минимальная - при восходе и заходе Солнца. В этом случае график хода суточной интенсивности солнечной радиации был бы симметричным относительно полдня.
Содержание пыли, водяного пара и других примесей в атмосфере непрерывно меняется. В связи с этим меняется прозрачность воздуха и нарушается симметричность графика хода интенсивности солнечной радиации. Нередко, особенно в летний период, в полуденное время, когда происходит усиленное нагревание земной поверхности, возникают мощные восходящие токи воздуха, увеличивается количество водяного пара и пыли в атмосфере. Это приводит к значительному ослаблению солнечной радиации в полдень; максимум интенсивности радиации в этом случае наблюдается в дополуденные или послеполуденные часы. Годовой ход интенсивности солнечной радиации также связан с изменениями высоты Солнца над горизонтом в течение года и с состоянием прозрачности атмосферы в различные сезоны. В странах северного полушария наибольшая высота Солнца над горизонтом бывает в июне месяце. Но в это же время наблюдается и наибольшая запыленность атмосферы. Поэтому максимальная интенсивность обычно приходится не на середину лета, а на весенние месяцы, когда Солнце довольно высоко* поднимается над горизонтом, а атмосфера после зимы остается еще сравнительно чистой. Для иллюстрации годового хода интенсивности солнечной радиации в северном полушарии приводим данные среднемесячных полуденных величин интенсивности радиации в Павловске.
Сумма тепла солнечной радиации. Поверхность Земли в течение дня непрерывно получает тепло от прямой и рассеянной солнечной радиации или только от рассеянной радиации (при пасмурной погоде). Определяют суточную величину тепла на основании актинометрических наблюдений: по учету количества прямой и рассеянной радиации, поступившей на земную поверхность. Определив сумму тепла за каждые сутки, вычисляют и количество тепла, получаемого земной поверхностью за месяц или за год.
Суточное количество тепла, получаемого земной поверхностью от солнечной радиации, зависит от интенсивности радиации и от продолжительности ее действия в течение суток. В связи с этим минимум притока тепла приходится на зиму, а максимум на лето. В географическом распределении суммарной радиации по земному шару наблюдается ее увеличение с уменьшением широты местности. Это положение подтверждается следующей таблицей.
Роль прямой и рассеянной радиации в годовом количестве тепла, получаемом земной поверхностью на разных широтах земного шара, неодинакова. В высоких широтах в годовой сумме тепла преобладает рассеянная радиация. С уменьшением широты преобладающее значение переходит к прямой солнечной радиации. Так, например, в бухте Тихой рассеянная солнечная радиация дает 70% годовой суммы тепла, а прямая радиация только 30%. В Ташкенте, наоборот, прямая солнечная радиация дает 70%, рассеянная только 30%.
Отражательная способность Земли. Альбедо. Как уже указывалось, поверхность Земли поглощает только часть солнечной энергии, поступающей к ней в виде прямой и рассеянной радиации. Другая часть отражается в атмосферу. Отношение величины солнечной радиации, отраженной данной поверхностью, к величине потока лучистой энергии, падающей на эту поверхность, называется альбедо. Альбедо выражается в процентах и характеризует отражательную способность данного участка поверхности.
Альбедо зависит от характера поверхности (свойства почвы, наличия снега, растительности, воды и т. д.) и от величины угла падения лучей Солнца на поверхность Земли. Так, например, если лучи падают на земную поверхность под углом в 45°, то:
Из приведенных примеров видно, что отражающая способность у различных предметов неодинакова. Она всего больше у снега и меньше всего у воды. Однако взятые нами примеры относятся лишь к тем случаям, когда высота Солнца над горизонтом равна 45°. При уменьшении же этого угла отражающая способность увеличивается. Так, например, пои высоте Солнца в 90° вода отражает только 2%, при 50° - 4%, при 20°-12%, при 5° - 35-70% (в зависимости от состояния водной поверхности).
В среднем при безоблачном небе поверхность земного шара отражает 8% солнечной радиации. Кроме того, 9% отражает атмосфера. Таким образом, земной шар в целом при безоблачном небе отражает 17% падающей на него лучистой энергии Солнца. Если же небо покрыто облаками, то от них отражается 78% радиации. Если взять естественные условия, исходя из того соотношения между безоблачным небом и небом, покрытым облаками, которое наблюдается в действительности, то отражательная способность Земли в целом равна 43%.
Земная и атмосферная радиация. Земля, получая солнечную энергию, нагревается и сама становится источником излучения тепла в мировое пространство. Однако лучи, испускаемые земной поверхностью, резко отличаются от солнечных лучей. Земля излучает лишь длинноволновые (λ 8-14 μ) невидимые инфракрасные (тепловые) лучи. Энергия, излучаемая земной поверхностью, называется земной радиацией. Излучение Земли происходит и. днем и ночью. Интенсивность излучения тем больше, чем выше температура излучающего тела. Земное излучение определяется в тех же единицах, что и солнечное, т. е. в калориях с 1 см 2 поверхности в 1 мин. Наблюдения показали, что величина земного излучения невелика. Обычно она достигает 15-18 сотых калории. Но, действуя непрерывно, она может дать значительный тепловой эффект.
Наиболее сильное земное излучение получается при безоблачном небе и хорошей прозрачности атмосферы. Облачность (особенно низкие облака) значительно уменьшает земное излучение и часто доводит его до нуля. Здесь можно сказать, что атмосфера вместе с облаками является хорошим «одеялом», предохраняющим Землю от чрезмерного остывания. Части атмосферы подобно участкам земной поверхности излучают энергию в соответствии с их температурой. Эта энергия носит название атмосферной радиации. Интенсивность атмосферной радиации зависит от температуры излучающего участка атмосферы, а также от количества водяных паров и углекислого газа, содержащихся в воздухе. Атмосферная радиация относится к труппе длинноволновой. Распространяется она в атмосфере во всех направлениях; некоторое количество ее достигает земной поверхности и поглощается ею, другая часть уходит в межпланетное пространство.
О приходе и расходе энергии Солнца на Земле. Земная поверхность, с одной стороны, получает солнечную энергию в виде прямой и рассеянной радиации, а с другой стороны, теряет часть этой энергии в виде земной радиации. В результате прихода и расхода солнечной" энергии получается какой-то результат. В одних случаях этот результат может быть положительным, в других отрицательным. Приведем примеры того и другого.
8 января. День безоблачный. На 1 см 2 земной поверхности поступило за сутки 20 кал прямой солнечной радиации и 12 кал рассеянной радиации; всего, таким образом, получено 32 кал. За это же время в силу излучения 1 см? земной поверхности потерял 202 кал. В результате, выражаясь языком бухгалтерии, в балансе имеется потеря 170 кал (отрицательный баланс).
6 июля. Небо почти безоблачно. От прямой солнечной радиации получено 630 кал, от рассеянной радиации 46 кал. Всего, следовательно, земная поверхность получила на 1 см 2 676 кал. Путем земного излучения потеряно 173 кал. В балансе прибыль на 503 кал (баланс положительный).
Из приведенных примеров, помимо всего прочего, совершенно ясно, почему в умеренных широтах зимой холодно, а летом тепло.
Использование солнечной радиации для технических и бытовых целей. Солнечная радиация является неисчерпаемым природным источником энергии. О величине солнечной энергии на Земле можно судить по такому примеру: если, например, использовать тепло солнечной радиации, падающей только на 1/10 часть площади СССР, то можно получить энергию, равную работе 30 тыс. Днепрогэсов.
Люди издавна стремились использовать даровую энергию солнечной радиации для своих нужд. К настоящему времени создано много различных гелиотехнических установок, работающих на использовании солнечной радиации и получивших большое применение в промышленности и для удовлетворения бытовых нужд населения. В южных районах СССР в промышленности и в коммунальном хозяйстве на основе широкого использования солнечной радиации работают солнечные водонагреватели, кипятильники, опреснители соленой воды, гелиосушилки (для сушки фруктов), кухни, бани, теплицы, аппараты для лечебных целей. Широко используется солнечная радиация на курортах для лечения и укрепления здоровья людей.
Солнечная радиация
Со́лнечная радиа́ция
электромагнитное излучение, исходящее от Солнца и поступающее в земную атмосферу. Длины волн солнечной радиации сосредоточены в диапазоне от 0,17 до 4 мкм с макс. на волне 0,475 мкм. Ок. 48 % энергии солнечного излучения приходится на видимую часть спектра (дл. волны от 0,4 до 0,76 мкм), 45 % – на инфракрасную (более 0,76, мкм), и 7 % – на ультрафиолетовую (менее 0,4 мкм). Солнечная радиация – осн. источник энергии процессов в атмосфере, океане, биосфере и т. д. Она измеряется в единицах энергии на единицу площади в единицу времени, напр. Вт/м². Солнечная радиация на верхней границе атмосферы на ср. расстоянии Земли от Солнца называется солнечной постоянной и составляет ок. 1382 Вт/м². Проходя сквозь земную атмосферу, солнечная радиация меняется по интенсивности и спектральному составу вследствие поглощения и рассеяния на частицах воздуха, газовых примесей и аэрозоля. У поверхности Земли спектр солнечного излучения ограничен 0,29–2,0 мкм, а интенсивность существенно снижена в зависимости от содержания примесей, высоты над уровнем моря и облачности. До земной поверхности доходит прямая радиация, ослабленная при прохождении сквозь атмосферу, а также рассеянная, образовавшаяся при рассеянии прямой в атмосфере. Часть прямой солнечной радиации отражается от земной поверхности и облаков и уходит в космос; рассеянная радиация также частично уходит в космос. Остальная солнечная радиация в осн. переходит в тепло, нагревая земную поверхность и частично воздух. Солнечная радиация, т. обр., представляет собой одну из осн. составляющих радиационного баланса.
География. Современная иллюстрированная энциклопедия. - М.: Росмэн . Под редакцией проф. А. П. Горкина . 2006 .
Смотреть что такое "солнечная радиация" в других словарях:
Электромагнитное и корпускулярное излучения Солнца. Электромагнитное излучение охватывает диапазон длин волн от гамма излучения до радиоволн, его энергетический максимум приходится на видимую часть спектра. Корпускулярная составляющая солнечной… … Большой Энциклопедический словарь
солнечная радиация - Полный поток электромагнитной радиации, излучаемой Солнцем и попадающий на Землю … Словарь по географии
У этого термина существуют и другие значения, см. Радиация (значения). В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомн … Википедия
Все процессы на поверхности земного шара, каковы бы они ни были, имеют своим источником солнечную энергию. Изучаются ли процессы чисто механические, процессы химические в воздухе, воде, почве, процессы ли физиологические или какие бы то ни было… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
Электромагнитное и корпускулярное излучение Солнца. Электромагнитное излучение охватывает диапазон длин волн от гамма излучения до радиоволн, его энергетический максимум приходится на видимую часть спектра. Корпускулярная составляющая солнечной… … Энциклопедический словарь
солнечная радиация - Saulės spinduliuotė statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. solar radiation vok. Sonnenstrahlung, f rus. излучение Солнца, n; солнечная радиация, f; солнечное излучение, n pranc. rayonnement solaire, m … Fizikos terminų žodynas
солнечная радиация - Saulės spinduliuotė statusas T sritis ekologija ir aplinkotyra apibrėžtis Saulės atmosferos elektromagnetinė (infraraudonoji 0,76 nm sudaro 45 %, matomoji 0,38–0,76 nm – 48 %, ultravioletinė 0,38 nm – 7 %) šviesos, radijo bangų, gama kvantų ir… … Ekologijos terminų aiškinamasis žodynas
Излучение Солнца электромагнитной и корпускулярной природы. С. р. основной источник энергии для большинства процессов, происходящих на Земле. Корпускулярная С. р. состоит в основном из протонов, обладающих около Земли скоростями 300 1500… … Большая советская энциклопедия
Эл. магн. и корпускулярное излучение Солнца. Эл. магн. излучение охватывает диапазон длин волн от гамма излучения до радиоволн, его энергетич. максимум приходится на видимую часть спектра. Корпускулярная составляющая С. р. состоит гл. обр. из… … Естествознание. Энциклопедический словарь
прямая солнечная радиация - Солнечная радиация, поступающая непосредственно от солнечного диска … Словарь по географии
Книги
- Солнечная радиация и климат Земли , Федоров Валерий Михайлович. В книге приводятся результаты исследований вариаций инсоляции Земли, связанных с небесно-механическими процессами. Анализируются низкочастотные и высокочастотные изменения солярного климата…
Яркое светило припекает нас горячими лучами и заставляет задуматься о значении радиации в нашей жизни, ее пользе и вреде. Что же такое солнечная радиация? Урок школьной физики предлагает нам для начала ознакомиться с понятием электромагнитной радиации в целом. Этим термином обозначают еще одну форму материи - отличную от вещества. Сюда относится и видимый свет, и спектр, не воспринимаемый глазом. То есть рентгеновские лучи, гамма-лучи, ультрафиолетовые и инфракрасные.
Электромагнитные волны
При наличии источника-излучателя радиации ее электромагнитные волны распространяются во всех направлениях со скоростью света. Эти волны, как любые другие, имеют определенные характеристики. К ним относятся частота колебаний и длина волны. Свойством испускать радиацию обладают любые тела, чья температура отличается от абсолютного нуля.
Солнце - основной и мощнейший источник радиации вблизи нашей планеты. В свою очередь, Земля (ее атмосфера и поверхность) и сама излучает радиацию, но в другом диапазоне. Наблюдение за температурными условиями на планете в течение длительных промежутков времени породило гипотезу о равновесии количества тепла, получаемого от Солнца и отдаваемого в космическое пространство.
Радиация солнца: спектральный состав
Абсолютное большинство (около 99%) солнечной энергии в спектре лежит в интервале длин волн от 0,1 до 4 мкм. Оставшийся 1% - лучи большей и меньшей длины, включая радиоволны и рентгеновское излучение. Около половины лучистой энергии солнца приходится на тот спектр, который мы воспринимаем взглядом, примерно 44% - на инфракрасное излучение, 9% - на ультрафиолетовое. Откуда нам известно, как делится солнечная радиация? Расчет ее распределения возможен благодаря исследованиям с космических спутников.
Есть вещества, способные приходить в особое состояние и излучать дополнительную радиацию другого волнового диапазона. К примеру, встречается свечение при низких температурах, не характерных для испускания света данным веществом. Данный вид радиации, получивший название люминесцентной, не поддается обычным принципам теплового излучения.
Явление люминесценции происходит после поглощения веществом некоторого количества энергии и перехода в другое состояние (т. н. возбужденное), более энергетически высокое, чем при собственной температуре вещества. Люминесценция появляется при обратном переходе - из возбужденного в привычное состояние. В природе мы можем наблюдать ее в виде ночных свечений неба и полярного сияния.
Наше светило
Энергия солнечных лучей - почти единственный источник тепла для нашей планеты. Собственная радиация, идущая из ее глубин к поверхности, имеет интенсивность, меньшую примерно в 5 тысяч раз. При этом видимый свет - один из важнейших факторов жизни на планете - лишь часть солнечной радиации.
Энергия солнечных лучей переходит в тепло меньшей частью - в атмосфере, большей - на поверхности Земли. Там она расходуется на нагревание воды и почвы (верхних слоев), которые затем отдают тепло воздуху. Будучи нагретыми, атмосфера и земная поверхность, в свою очередь, испускают инфракрасные лучи в космос, при этом охлаждаясь.
Солнечная радиация: определение
Ту радиацию, которая идет к поверхности нашей планеты непосредственно от солнечного диска, принято именовать прямой солнечной радиацией. Солнце распространяет ее во всех направлениях. С учетом огромного расстояния от Земли до Солнца, прямая солнечная радиация в любой точке земной поверхности может быть представлена как пучок параллельных лучей, источник которых - практически в бесконечности. Площадь, расположенная перпендикулярно лучам солнечного света, получает, таким образом, ее наибольшее количество.
Плотность потока радиации (или энергетическая освещенность) служит мерой ее количества, падающего на определенную поверхность. Это объем лучистой энергии, попадающей в единицу времени на единицу площади. Измеряется данная величина - энергетическая освещенность - в Вт/м 2 . Наша Земля, как всем известно, обращается вокруг Солнца по эллипсоидной орбите. Солнце находится в одном из фокусов данного эллипса. Поэтому ежегодно в определенное время (в начале января) Земля занимает положение ближе всего к Солнцу и в другое (в начале июля) - дальше всего от него. При этом величина энергетической освещенности меняется в обратной пропорции относительно квадрата расстояния до светила.
Куда девается дошедшая до Земли солнечная радиация? Виды ее определяются множеством факторов. В зависимости от географической широты, влажности, облачности, часть ее рассеивается в атмосфере, часть поглощается, но большинство все же достигает поверхности планеты. При этом незначительное количество отражается, а основное - поглощается земной поверхностью, под действием чего та подвергается нагреванию. Рассеянная же солнечная радиация частично также попадает на земную поверхность, частично ею поглощается и частично отражается. Остаток ее уходит в космическое пространство.
Как происходит распределение
Однородна ли солнечная радиация? Виды ее после всех "потерь" в атмосфере могут различаться по своему спектральному составу. Ведь лучи с различными длинами и рассеиваются, и поглощаются по-разному. В среднем атмосферой поглощается около 23% ее первоначального количества. Примерно 26% всего потока превращается в рассеянную радиацию, 2/3 которой попадает затем на Землю. В сущности, это уже другой вид радиации, отличный от первоначального. Рассеянная радиация посылается на Землю не диском Солнца, а небесным сводом. Она имеет другой спектральный состав.
Поглощает радиацию главным образом озон - видимый спектр, и ультрафиолетовые лучи. Излучение инфракрасного диапазона поглощается углекислым газом (диоксидом углерода), которого, кстати, в атмосфере очень немного.
Рассеяние радиации, ослабляющее ее, происходит для любых длин волн спектра. В процессе его частицы, попадая под электромагнитное воздействие, перераспределяют энергию падающей волны во всех направлениях. То есть частицы служат точечными источниками энергии.
Дневной свет
Вследствие рассеяния свет, идущий от солнца, при прохождении слоев атмосфер изменяет цвет. Практическое значение рассеяния - в создании дневного света. Если бы Земля была лишена атмосферы, освещение существовало бы лишь в местах попадания прямых или отраженных поверхностью лучей солнца. То есть атмосфера - источник освещения днем. Благодаря ей светло и в местах, недоступных прямым лучам, и тогда, когда солнце скрывается за тучами. Именно рассеяние придает воздуху цвет - мы видим небо голубым.
А от чего зависит солнечная радиация еще? Не следует сбрасывать со счетов и фактор мутности. Ведь ослабление радиации происходит двумя путями - собственно атмосферой и водяным паром, а также различными примесями. Уровень запыленности возрастает летом (как и содержание в атмосфере водяного пара).
Суммарная радиация
Под ней подразумевается общее количество радиации, падающей на земную поверхность, - и прямой, и рассеянной. Суммарная солнечная радиация уменьшается при облачной погоде.
По этой причине летом суммарная радиация в среднем выше до полудня, чем после него. А в первом полугодии - больше, чем во втором.
Что происходит с суммарной радиацией на земной поверхности? Попадая туда, она в большинстве своем поглощается верхним слоем почвы или воды и превращается в тепло, часть ее при этом отражается. Степень отражения зависит от характера земной поверхности. Показатель, выражающий процентное отношение отраженной солнечной радиации к общему ее количеству, попадающему на поверхность, именуют альбедо поверхности.
Под понятием собственного излучения земной поверхности понимают длинноволновую радиацию, излучаемую растительностью, снежным покровом, верхними слоями воды и почвы. Радиационным балансом поверхности именуют разность между ее поглощенным количеством и излучаемым.
Эффективное излучение
Доказано, что встречное излучение практически всегда меньше, чем земное. Из-за этого поверхность земли несет тепловые потери. Разность величин собственного излучения поверхности и атмосферного получило название эффективного излучения. Это фактически чистая потеря энергии и как результат - тепла ночью.
Существует оно и в дневные часы. Но в течение дня частично компенсируется или даже перекрывается поглощенной радиацией. Поэтому поверхность земли теплее днем, чем ночью.
О географическом распределении радиации
Солнечная радиация на Земле в течение года распределяется неравномерно. Ее распределение несет зональный характер, причем изолинии (соединяющие точки одинаковых значений) радиационного потока вовсе не идентичны широтным кругам. Такое несоответствие вызвано различными уровнями облачности и прозрачности атмосферы в разных районах Земного шара.
Наибольшее значение суммарная солнечная радиация в течение года имеет в субтропических пустынях с малооблачной атмосферой. Гораздо меньше оно в лесных областях экваториального пояса. Причина этого - повышенная облачность. По направлению к обоим полюсам этот показатель убывает. Но в районе полюсов возрастает заново - в северном полушарии меньше, в районе снежной и малооблачной Антарктиды - больше. Над поверхностью океанов в среднем солнечная радиация меньше, чем над материками.
Почти повсюду на Земле поверхность имеет положительный радиационный баланс, то есть за одно и то же время приток радиации больше эффективного излучения. Исключение составляют области Антарктиды и Гренландии с их ледяными плато.
Грозит ли нам глобальное потепление?
Но вышесказанное не означает ежегодного потепления земной поверхности. Излишек поглощенной радиации компенсируется утечкой тепла с поверхности в атмосферу, что происходит при изменениях фазы воды (испарении, конденсации в виде облаков).
Таким образом, радиационного равновесия как такового на поверхности Земли не существует. Зато имеет место тепловое равновесие - поступление и убыль тепла уравновешивается разными путями, в том числе радиационным.
Распределение баланса по карте
В одних и тех же широтах Земного шара радиационный баланс больше на поверхности океана, чем над сушей. Объяснить это можно тем, что слой, поглощающий радиацию, в океанах имеет большую толщину, в то же время эффективное излучение там меньше из-за холода морской поверхности по сравнению с сушей.
Значительные колебания амплитуды распределения его наблюдаются в пустынях. Баланс там ниже из-за высокого эффективного излучения в условиях сухого воздуха и малой облачности. В меньшей степени он понижен в районах муссонного климата. В теплый сезон облачность там повышена, а поглощенная солнечная радиация меньше, чем в других районах той же широты.
Конечно же, главный фактор, от которого зависит среднегодовое солнечное излучение, это широта того или иного района. Рекордные "порции" ультрафиолета достаются странам, расположенным вблизи экватора. Это Северо-Восточная Африка, ее восточное побережье, Аравийский полуостров, север и запад Австралии, часть островов Индонезии, западная часть побережья Южной Америки.
В Европе самую большую дозу как света, так и радиации принимают на себя Турция, юг Испании, Сицилия, Сардиния, острова Греции, побережье Франции (южная часть), а также часть областей Италии, Кипр и Крит.
А как у нас?
Солнечная суммарная радиация в России распределена, на первый взгляд, неожиданно. На территории нашей страны, как ни странно, вовсе не черноморские курорты держат пальму первенства. Самые большие дозы солнечного излучения приходятся на территории, пограничные с Китаем, и Северную Землю. В целом солнечная радиация в России особой интенсивностью не отличается, что вполне объясняется нашим северным географическим положением. Минимальное количество солнечного света достается северо-западному региону - Санкт-Петербургу вместе с прилегающими районами.
Солнечная радиация в России уступает показателям Украины. Там больше всего ультрафиолета достается Крыму и территориям за Дунаем, на втором месте - Карпаты с южными областями Украины.
Суммарная (к ней относится и прямая, и рассеянная) солнечная радиация, попадающая на горизонтальную поверхность, приводится по месяцам в специально разработанных таблицах для разных территорий и измеряется в МДж/м 2 . Например, солнечная радиация в Москве имеет показатели от 31-58 в зимние месяцы до 568-615 летом.
О солнечной инсоляции
Инсоляция, или объем полезного излучения, падающего на освещаемую солнцем поверхность, значительно варьируется в разных географических точках. Годовая инсоляция рассчитывается на один квадратный метр в мегаваттах. Например, в Москве эта величина - 1,01, в Архангельске - 0,85, в Астрахани - 1,38 МВт.
При определении ее нужно учитывать такие факторы, как время года (зимой ниже освещенность и долгота дня), характер местности (горы могут загораживать солнце), характерные для данной местности погодные условия - туман, частые дожди и облачность. Световоспринимающая плоскость может быть ориентирована вертикально, горизонтально или под наклоном. Количество инсоляции, как и распределение солнечной радиации в России, представляет собой данные, сгруппированные в таблицу по городам и областям с указанием географической широты.
Коротковолновое излучение Солнца
Ультрафиолетовое и рентгеновское излучения исходят исходят в основном от верхних слоев хромосферы и короны. Это установили, запуская ракеты с приборами во время солнечных затмений. Очень горячая солнечная атмосфера всегда испускает невидимое коротковолновое излучение, но особенно мощным оно бывает в годы максимума солнечной активности. В это время ультрафиолетовое излучение возрастает примерно в два раза, а рентгеновское – в десятки и сотни раз по сравнению с излучением в годы минимума. Интенсивность коротковолнового излучения изменяется изо дня в день, резко возрастая, когда на происходят вспышки.
Ультрафиолетовое и рентгеновское излучения частично ионизуют слои земной атмосферы, образуя на высотах 200 – 500 км от поверхности Земли ионосферу. Ионосфера играет важную роль в осуществлении дальней радиосвязи: радиоволны, идущие от радиопередатчика, прежде чем достичь антенны приемника, многократно отражаются от ионосферы и поверхности Земли. Состояние ионосферы меняется в зависимости от условий освещения ее Солнцем и от происходящих на нем явлений. Поэтому для обеспечения устойчивой радиосвязи приходится учитывать время суток, время года и состояние солнечной активности. После наиболее мощных вспышек на Солнце число ионизованных атомов в ионосфере возрастает и радиоволны частично или полностью поглощаются ею. Это приводит к ухудшению и даже к временному прекращению радиосвязи.
Особое влияние ученые уделяют исследованию озонового слоя в земной атмосфере. Озон образуется в результате фотохимических реакций (поглощение света молекулами кислорода) в стратосфере, и там сосредоточена его основная масса. Всего в земной атмосфере примерно 3 10 9 т озона. Это очень мало: толщина слоя чистого озона у поверхности Земли не превысила бы и 3 мм! Но роль озонового слоя, простирающегося на высоте нескольких десятков километров над поверхностью Земли, исключительно велика, потому что он защищает все живое от воздействия опасного коротковолнового (и прежде всего ультрафиолетового) излучения Солнца. Содержание озона непостоянно на разных широтах и в разные времена года. Оно может уменьшаться (иногда очень значительно) в результате различных процессов. Этому могут способствовать, например, выбросы в атмосферу большого количества разрушающих озон хлорсодержащих веществ промышленного происхождения или аэрозольные выбросы, а также выбросы, сопровождающие извержения вулканов. Области резкого снижения уровня озона (“озоновые дыры”) обнаруживались над разными регионами нашей планеты, причем не только над Антарктидой и рядом других территорий Южного полушария Земли, но и над Северным. В 1992 г. стали появляться тревожные сообщения о временном истощении озонового слоя над севером европейской части России и уменьшении содержания озона над Москвой и Санкт-Петербургом. Ученые, осознавая глобальный характер проблемы, организуют в масштабах всей планеты экологические исследования, включающие прежде всего глобальную систему непрерывного наблюдения за состоянием озонового слоя. Разработаны и подписаны международные соглашения по охране озонового слоя и ограничению производства озоноразрушающих веществ.
Радиоизлучение Солнца
Систематическое исследование радиоизлучения Солнца началось только после второй мировой войны, когда обнаружилось, что Солнце – мощный источник радиоизлучения. В межпланетное пространство проникают радиоволны, которые излучают хромосфера (сантиметровые волны) и корона (дециметровые и метровые волны). Это радиоизлучение и достигает Земли. Радиоизлучение Солнца имеет две составляющие – постоянную, почти не меняющуюся по интенсивности, и переменную (всплески, “шумовые бури”).
Радиоизлучение спокойного Солнца объясняется тем, что горячая солнечная плазма всегда излучает радиоволны наряду с электромагнитными колебаниями других длин волн (тепловое радиоизлучение). Во время больших вспышек радиоизлучение Солнца возрастает в тысячи и даже в миллионы раз по сравнению с радиоизлучением спокойного Солнца. Это радиоизлучение, порожденное быстропротекающими нестационарными процессами, имеет нетепловую природу.
Корпускулярное излучение Солнца
Ряд геофизических явлений (магнитные бури, т.е. кратковременные изменения магнитного поля Земли, полярные сияния и др.) тоже связан с солнечной активностью. Но эти явления происходят через сутки после вспышек на Солнце. Вызываются они не электромагнитным излучением, доходящим до Земли через 8,3 мин, а корпускулами (протонами и электронами, образующими разреженную плазму), которые с опозданием (на 1-2 сут) проникают в околоземное пространство, поскольку движутся со скоростями 400 – 1000 км/c.
Корпускулы испускаются Солнцем и тогда, когда на нем нет вспышек и пятен. Солнечная корона – источник постоянного истечения плазмы (солнечного ветра), которое происходит во всех направлениях. Солнечный ветер, создаваемый непрерывно расширяющейся короной, охватывает движущиеся вблизи Солнца планеты и . Вспышки сопровождаются “порывами” солнечного ветра. Эксперименты на межпланетных станциях и искусственных спутниках Земли позволили непосредственно обнаружить солнечный ветер в межпланетном пространстве. Во время вспышек и при спокойном истечении солнечного ветра в межпланетное пространство проникают не только корпускулы, но и связанное с движущейся плазмой магнитное поле.
Интенсивность солнечного света, которая достигает земли меняется в зависимости от времени суток, года, местоположения и погодных условий. Общее количество энергии, подсчитанное за день или за год, называется иррадиацией (или еще по-другому «приход солнечной радиации») и показывает, насколько мощным было солнечное излучение. Иррадиация измеряется в Вт*ч/м² в день, или другой период.
Интенсивность солнечного излучения в свободном пространстве на удалении, равном среднему расстоянию между Землей и Солнцем, называется солнечной постоянной. Ее величина — 1353 Вт/м². При прохождении через атмосферу солнечный свет ослабляется в основном из-за поглощения инфракрасного излучения парами воды, ультрафиолетового излучения — озоном и рассеяния излучения частицами атмосферной пыли и аэрозолями. Показатель атмосферного влияния на интенсивность солнечного излучения, доходящего до земной поверхности, называется «воздушной массой» (АМ). АМ определяется как секанс угла между Солнцем и зенитом.
На рис.1 показано спектральное распределение интенсивности солнечного излучения в различных условиях. Верхняя кривая (АМ0) соответствует солнечному спектру за пределами земной атмосферы (например, на борту космического корабля), т.е. при нулевой воздушной массе. Она аппроксимируется распределением интенсивности излучения абсолютно черного тела при температуре 5800 К. Кривые АМ1 и АМ2 иллюстрируют спектральное распределение солнечного излучения на поверхности Земли, когда Солнце в зените и при угле между Солнцем и зенитом 60°, соответственно. При этом полная мощность излучения — соответственно порядка 925 и 691 Вт/м². Средняя интенсивность излучения на Земле примерно совпадает с интенсивностью излучения при АМ=1,5 (Солнце — под углом 45° к горизонту) .
Около поверхности Земли можно принять среднюю величину интенсивности солнечной радиации 635 Вт/м². В очень ясный солнечный день эта величина колеблется от 950 Вт/м² до 1220 Вт/м². Среднее значение - примерно 1000 Вт/м² . Пример: Интенсивность полного излучения в Цюрихе (47°30′ с. ш., 400 м над уровнем моря) на поверхности, перпендикулярной излучению:1 мая 12 ч 00 мин 1080 Вт/м²;21 декабря 12 ч 00 мин 930 Вт/м².
Для упрощения вычисления по приходу солнечной энергии, его обычно выражают в часах солнечного сияния с интенсивностью 1000 Вт/м². Т.е. 1 час соответствует приходу солнечной радиации в 1000 Вт*ч/м². Это примерно соответствует периоду, когда солнце светит летом в середине солнечного безоблачного дня на поверхность, перпендикулярную солнечным лучам.
Пример
Яркое солнце светит с интенсивностью 1000 Вт/м² на поверхность, перпендикулярную солнечным лучам. За 1 час на 1 м² падает 1 кВт*ч энергии (энергия равна произведению мощности на время). Аналогично, средний приход солнечной радиации в 5 кВт*ч/м² в течение дня соответствует 5 пиковым часам солнечного сияния в день. Не путайте пиковые часы с реальной длительностью светового дня. За световой день солнце светит с разной интенсивностью, но в сумме она дает такое же количество энергии, как если бы оно светило 5 часов с максимальной интенсивностью. Именно пиковые часы солнечного сияния используются в расчетах солнечных энергетических установок.
Приход солнечной радиации меняется в течение дня и от места к месту, особенно в горных районах. Иррадиация меняется в среднем от 1000 кВт*ч/м² в год для северо-европейских стран, до 2000-2500 кВт*ч/м² в год для пустынь. Погодные условия и склонение солнца (которое зависит от широты местности), также приводит к различиям в приходе солнечной радиации.
В России, вопреки распространённому мнению, очень много мест, где выгодно преобразовывать солнечную энергию в электроэнергию при помощи . Ниже приведена карта ресурсов солнечной энергии в России. Как видим, на большей части России можно успешно использовать в сезонном режиме, а в районах с числом часов солнечного сияния более 2000 часов/год — круглый год. Естественно, в зимний период выработка энергии солнечными панелями существенно снижается, но все равно стоимость электроэнергии от солнечной электростанции остается существенно ниже, чем от дизельного или бензинового генератора.
Особенно выгодно применение там, где нет централизованных электрических сетей и энергообеспечение обеспечивается за счет дизель-генераторов. А таких районов в России очень много.
Более того, даже там, где сети есть, использование работающих параллельно с сетью солнечных батарей позволяет значительно снизить расходы на электроэнергию. При существующей тенденции на повышении тарифов естественных энергетических монополий России, установки солнечных батарей становится умным вложением денег.
