Спектральное распределение солнечной радиации

Спектр солнечной энергии на верхней границе атмосферы заключается между длинами волн от 0, 20 до 5, 0 мкм. Около 47% радиации приходится на видимую часть спектра, 44% - на инфракрасную часть спектра и 9% - на ультрафиолетовую часть. Проходя земную атмосферу, солнечная радиация изменяется как по интенсивности, так и по спектральному составу.

Солнечное излучение у верхней границы земной атмосферы приблизительно соответствует излучению абсолютно черного тела с температурой 5500 °С, и включает ультрафиолетовое излучение (длина волн от 0, 2 до 0, 4 мкм), видимый свет (от 0, 4 до 0, 78 мкм) и инфракрасное излучение с более длинными волнами. Максимум интенсивности солнечного излучения приходится на длину волны 0, 5 мкм.

Рисунок 2.4 Спектральное распределение солнечной радиации

Для многих целей (например, в тепловых процессах) можно рассматривать Солнце как абсолютно черный излучатель.

На рисунке 2.5 по оси ординат отложена плотность энергии; последняя определяется как доля общей энергии, приходящаяся на какой-либо элементарный интервал длин волн, которые отложены по оси абсцисс.

Рисунок 2.5 Энергетический спектр излучения абсолютного

черного тела

Как мы видим, почти половина всей солнечной энергии сосредоточена в интервале длин волн 0, 35—0, 75 мкм, это видимая область спектра.

Остальная часть солнечной энергии сосредоточена в ультрафиолетовой области спектра с длинами волн менее 0, 3 мкм (меньшая ее часть) и в инфракрасной области спектра (большая часть), последняя дает нам тепло.

Излучение Солнца, как явствует из рисунка, приблизительно совпадает с излучением абсолютно черного тела с температурой 5500 °С, поэтому необходимо разобраться, что такое абсолютно черное тело.

Само название говорит о том, что это черное по цвету тело, которое поглощает почти все падающее на него излучение в видимой области света. Наиболее подходящим для этой цели является сажа, копоть от пламени, например, обычного древесного угля.

Излучение же самого такого абсолютно черного тела является равновесным в том смысле, что поглощение и испускание таким телом уравновешиваются, причем излучение не зависит от природы тела, а зависит только от температуры, т. е. полное количество энергии, излучаемое 1 м² поверхности в 1 сек, равно

Е (Т) = аТ⁴ , (2.1)

где а = 5, 67·10^-8 Вт/(м²К⁴), Т - абсолютная температура абсолютно черного тела по шкале Кельвина.

Эта закономерность называется законом излучения Стефана-Болъцмана. Она была установлена еще в прошлом веке на основе многочисленных экспериментальных наблюдений и Стефаном, теоретически обоснована Л. Больцманом, исходя из классических законов термодинамики и электродинамики равновесного излучения, а в последствии, в начале нашего столетия было выяснено, что эта закономерность вытекает из квантового закона распределения энергии в спектре равновесного излучения, выведенного М. Планком.

Согласно закону смещения Вина, длина волны λ _m, на которую приходится максимум энергии излучения абсолютно черного тела, обратно пропорциональна абсолютной температуре T:

(2.2)

Закон распределения спектральной мощности излучения абсолютно черным телом был ус­тановлен Планком, называется он поэтому законом излучения Планка. Этот закон устанавливает, что мощность излучения в единичном интервале длин волн определяется температурой Т абсолютно черного тела: