Солнечная радиация

Атмосферные процессы сопровождаются перераспределением огромных количеств энергии (в конечном счете все виды энергии - тепло) Для нашей планеты существуют три потенциальных источника тепловой энергии: лучистая энергия Солнца (солнечная радиация), энергия звезд и солнечная, отраженная от Луны, и, наконец, внутреннее тепло остывающей Земли, поступающее на поверхность в результате тектонических процессов с термальными водами гейзерами и пр. Энергия звезд и внутреннее тепло Земли ничтожно малы по сравнению с солнечной радиацией, поэтому лучистую энергию Солнца рассматривают как единственный источник всех энергетических процессов на Земле.

Солнце - центральное тело солнечной системы - ближайшая к нам звезда спектрального класса G (желтый карлик), находящаяся примерно на середине своей эволюции. Солнце имеет форму шара с весьма незначительной сплюснутость к полюсам (около 35 км), с линейным радиусом в 109 раз больше радиуса Земли. Энергия Солнца генерируется в центральной области его в результате термоядерной реакции превращения атомов водорода в атомы гелия.

В результате преобразования ядерной энергии солнечного ядра в поток тепловой энергии температура Солнца колеблется от 6000°С на его поверхности до 40x106С в центре ядра солнечного вещества.

Широкий диапазон солнечной температуры определяет спектр электромагнитных волн Солнца от частот излучения с длинами вол 10-15 см и короче до сверхдлинных радиоволн порядка десятков см и сотен километров.

Однако плотность излучения Солнца по длинам волн неравномерна. На диапазон волн от 0, 17 до 4, 0 мк приходится около 99% всей интенсивность радиации. На верхней границе атмосферы интенсивность радиации Солнца на перпендикулярную поверхность составляет 1, 96 кал/см2 мин. Это солнечная постоянная. Солнечный спектр здесь состоит из трех частей: ультрафиолетовой (с длинами волн от 0, 17 до 0, 40 мк), видимой (от 0, 40 до 0, 76 мк) и инфракрасной (от 0, 76 до 4, 0 мк).

На ультрафиолетовую часть спектра приходится около 7%, видимую - 50% и на инфракрасную - около 43%. Максимум солнечного излучения приходится на волны длиной 0, 47мк, что соответствует сине-голубому участку солнечного спектра.

Электромагнитные волны, проходя через атмосферу Земли, испытывают отражение, поглощение и рассеяние как молекулами газа, входящих в состав атмосферного воздуха, так и атмосферным аэрозолем. Результирующее влияние атмосферы на солнечную радиацию называется ослаблением лучистой энергии. Величину этого ослабления оценивают в 17-25%. Изменяется также соотношение частей солнечного спектра. У поверхности Земли на ультрафиолетовую часть спектра приходится около 1%, видимую - около 40% и инфракрасную около 60%. Максимум излучения здесь приходится на длины волн около 0, 56мк, что соответствует желто-зеленому участку спектра. Солнечная радиация в атмосфере поглощается преимущественно озоном

(ультрафиолетовые лучи), водяным паром и углекислым газом, а также облаками и твердыми частицами примесей. В солнечном спектре у Земли не наблюдаются волны короче 0, 29мк.

Атмосферный воздух - оптически неоднородная среда, рассеивающая лучистую энергию Солнца. В результате чего, например, освещаются места, куда не проникают прямые солнечные лучи. Рассеяние лучистой энергии в атмосфере происходит двояко: на молекулах и в аэрозоле. Интенсивность молекулярного и аэрозольного рассеяния различны. В результате этого процентное содержание лучей различной длины волн постоянно меняется, меняется и цвет небесной сферы, солнечного диска и пр. Когда, например. Солнце в сухую летнюю погоду находится близко к зениту, в атмосфере преобладают фиолетовые (малочувствительные человеческим глазам), синие и голубые цвета (небо голубое). Когда прямой солнечный свет теряет вследствие рассеяния больше всего сине-голубых лучей (пасмурная, облачная погода), цвет неба меняется на белесый, так как аэрозольное рассеяние дает преобладающий белый цвет. При заходе и восходе Солнца, когда лучи его пронизывают наибольшую толщу атмосферы, потеря сине-голубых лучей максимальна и Солнце у горизонта принимает красно-оранжевый цвет. Таким образом, яркость небесной сферы может служить показателем прозрачности (в первую очередь влагосодержания) атмосферы.

Электромагнитное - коротковолновое излучение Солнца поступает к земной поверхности в виде прямой радиации, рассеянной и суммарной.

Прямая радиация - лучистая энергия, поступающая к ПП непосредственно от солнечного диска в виде пучка параллельных прямых лучей. На долю этого вида радиации приходится 75-80% потока солнечной радиации на верхней границе атмосферы, что составляет 1, 5-1, 6кал/см2 мин. На прямую солнечную радиацию значительно влияют облака. Очень плотные облака прямую радиацию не пропускают, а легкие и прозрачные облака начинают пропускать её при высотах Солнца над горизонтом более 15-20°.

Рассеянная радиация - радиация, поступающая к ПП от различных участков небесной сферы и от облаков. Полуденные значения рассеянной радиации в летние месяцы для умеренных широт составляют около 25% от прямой радиации. Наличие неплотных просвечивающих облаков увеличивает рассеянную радиацию в 3-4 раза.

Суммарная радиация - суммарный поток лучистой энергии, поступающий к горизонтальной поверхности при незатененном солнечном диске.

Часть падающей на ПП коротковолновой радиации Солнца отражается (отраженная радиация), часть поглощается (поглощенная радиация). Отражательная способность ПП характеризуется величиной альбедо (Ак).

Альбедо моря колеблется от 2 до 97% и зависит от состояния поверхности моря и высоты Солнца над горизонтом. Средняя величина альбедо моря э-14%, а суши (не покрытой снегом) - 10-30%. Вследствие этого единичная площадь поверхности океана получает тепла на 10-20% больше, чем суша.