Солнечная радиация и ее преобразование

Солнце – ближайшая к Земле звезда, принадлежащая к классу желтых звезд-карликов. Диаметр Солнца около 1,4 млн. км, среднее расстояние от Земли 149,5 млн.км. В результате происходящих на Солнце ядерных реакций температура на его поверхности равна приблизительно 6000⁰К, что обуславливает излучение Солнцем значительного количества энергии. Поступающая от Солнца на Землю радиация является единственной формой прихода лучистой энергии, определяющей энергетический баланс и температурный режим Земли. Радиационная энергия, приходящая к Земле от всех других небесных тел, настолько мала, что не оказывает сколь-нибудь заметного влияния на происходящие на Земле процессы теплообмена. Спектр излучения Солнца в основном соответствует спектру излучения черного тела, определяемому формулой Планка. В соответствии с температурой излучающей поверхности Солнца максимум радиационной энергии наблюдается при длинах волн около 0,50 мкм, причем основная часть энергии, излучаемой Солнцем, приходится на интервал длин волн 0,3-2,0 мкм. При удалении от Солнца интенсивность его излучения изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния. Так как Земля движется вокруг Солнца по эллиптической орбите, интенсивность солнечной радиации, приходящейся на внешнюю границу атмосферы, изменяется в течение года в соответствии с изменением расстояния между Землей и Солнцем. Наименьшее расстояние Земли от Солнца отмечается в начале января и составляет 147 млн.км. Наибольшее расстояние, достигает в начале июня и составляет 153 млн.км.

Поток солнечной энергии за единицу времени через площадку единичного размера, перпендикулярную солнечным лучам и расположенную вне атмосферы на расстоянии Земли от Солнца, называют солнечной постоянной. В связи с изменениями расстояния Земли от Солнца фактические значения потоков солнечной энергии на внешней границе атмосферы Земли отличаются от солнечной постоянной. Эти отличия достигают 3,5%. Солнечная постоянная равна 1368 Вт/м² (Willson et al., 1981). Вместе с тем, даже малые колебания солнечной постоянной, имеющие порядок 1% и даже 0,1% ее значения, могут оказать определенное влияние на климат. Зная величину солнечной постоянной, можно рассчитать, сколько энергии поступило бы на поверхность Земли в различных широтах при отсутствии влияния атмосферы на радиацию. Наибольшие суточные суммы радиации наблюдаются над полюсами в периоды летнего солнцестояния. В периода равноденствий максимум радиации приходится на экватор, причем при увеличении широты суммы радиации убывают сначала медленно, а затем все быстрее.

В действительности атмосфера не является вполне прозрачной средой для солнечной радиации. Заметная часть поступающей от Солнца радиации поглощается и рассеивается в атмосфере, а также отражается обратно в мировое пространство. Особенно большое влияние на распространение солнечной радиации оказывают облака, однако и при отсутствии облачности солнечная радиация в атмосфере существенно изменяется.

Радиация Солнца поглощается в атмосфере водяным паром и каплями воды, озоном, углекислым газом и пылью. Рассеивание солнечной радиации обусловливается как молекулами воздуха, так и различными примесями – пылью, водяными каплями и т.д.

Прошедший через атмосферу поток прямой солнечной радиации зависит от прозрачности атмосферы, а также от высоты Солнца, которая определяет длину пути солнечных лучей в атмосфере. Кроме условий прозрачности атмосферы, на величину прямой радиации, достигающей поверхности Земли, очень большое влияние оказывает облачность. При наличии более менее плотных облаков, закрывающих солнце, прямая радиация равна нулю.

Наибольшее значение потока прямой радиации наблюдается при безоблачном небе и высокой прозрачности атмосферы. В таких условиях поток прямой радиации на перпендикулярную поверхность на уровне моря может достигать 1000-1200 Вт/м². Средние полуденные значения этого потока в средних широтах обычно равны 700-900 Вт/м².

При уменьшении высоты Солнца в суточном ходе прямая солнечная радиация заметно уменьшается в соответствии с возрастанием оптической массы атмосферы.

Количество рассеянной радиации, поступающей к земной поверхности, изменяется в широких пределах, главным образом в зависимости от условий облачности и высоты Солнца. Наибольшие значения рассеянной радиации наблюдаются при наличии облачности. Существенное влияние на рассеянную радиацию оказывает также отражательная способность земной поверхности. Рассеянная радиация заметно возрастает при наличии снежного покрова, который отражает значительное количество солнечной радиации.

Спектральный состав солнечной радиации, достигающей поверхности Земли, значительно отличается от спектрального состава радиации вне пределов атмосферы.

Ультрафиолетовая радиация (длины волн менее 0,4 мкм) в значительной степени поглощается в атмосфере и не доходит до земной поверхности. Поглощение ультрафиолетовой радиации в основном обусловлено атмосферным озоном.

Максимум излучения в солнечном спектре приходится на области видимой части спектра (длины волн от 0,440 до 0,74 мкм). Наряду с этим значительное количество энергии передается в виде инфракрасной радиации с длинами волн более 0,74 мкм. Ультрафиолетовая радиация сравнительно невелика, однако она оказывает большое влияние на различные биологические процессы.

Поток солнечной радиации на среднем расстоянии Земли от Солнца равен величине солнечной постоянной. Вследствие шарообразности Земли на единицу поверхности внешней границы атмосферы в среднем поступает четвертая часть общей величины потока – около 340 Вт/м², причем приблизительно 240 Вт/м² поглощается Землей как планетой. При этом существенно, что большая часть общего количества поглощенной солнечной радиации поглощается поверхностью Земли, тогда как атмосфера поглощает значительно меньшую часть.

Поверхность Земли, нагретая в результате поглощения солнечной радиации, становится источником длинноволнового излучения, передающего тепло в атмосферу. Содержащиеся в атмосфере водяной пар, пыль и различные газы, поглощающие длинноволновую радиацию, задерживают длинноволновое излучение, уходящее от поверхности Земли. В связи с этим значительная часть излучения земной поверхности компенсируется противоизлучением атмосферы.

Разность собственного излучения поверхности Земли и поглощаемого земной поверхностью противоизлучения атмосферы называют эффективным излучением. Эффективное излучение обычно в несколько раз меньше потока длинноволнового излучения земной поверхности, который наблюдался бы при полной прозрачности атмосферы для длинноволновой радиации.

Алгебраическая сумма потоков радиационной энергии, приходящих к поверхности Земли и уходящих от нее, называется радиационным балансом земной поверхности. Очевидно, что радиационный баланс равен разности между количеством прямой и рассеянной коротковолновой радиации, поглощаемой земной поверхностью, и длинноволновым эффективным излучением.

В среднем для всей поверхности Земли эффективное излучение значительно меньше поглощенной коротковолновой радиации. Такая закономерность является следствием так называемого парникового эффекта, т.е. результатом относительно большей прозрачности атмосферы для коротковолновой радиации по сравнению с прозрачностью для длинноволнового излучения. Поэтому средний радиационный баланс поверхности земли является положительной величиной.

Энергия радиационного баланса земной поверхности расходуется на нагревание атмосферы посредством турбулентной теплопроводности. испарение, теплообмен с более глубокими слоями гидро- и литосферы и т.д. Количественные характеристики всех форм преобразования солнечной энергии на поверхности земли входят в уравнение энергетического (теплового) баланса земной поверхности, которое включает алгебраическую сумму потоков энергии, приходящих к земной поверхности и уходящих от нее. В соответствии с законом сохранения энергии эта сумма равна нулю.

Земля как планета получает из мирового пространства энергию и отдает ее в мировое пространство только радиационным путем. Так как средняя температура Земли мало изменяется во времени, то радиационный баланс Земли (разность поглощенной радиации и излучения из мирового пространства) равен нулю.

Радиационный баланс атмосферы, равный разности радиационного баланса Земли и радиационного баланса земной поверхности, оказывается поэтому в среднем отрицательной величиной, равной по абсолютному значению радиационному балансу земной поверхности.

Процессы преобразования солнечной энергии, обусловленные радиационными факторами, в свою очередь, значительно изменяют радиационный режим. Который существенно зависит от циркуляции в атмосфере и гидросфере, фазовых преобразований воды и т.д. Особенно большое влияние на радиационный режим оказывают облачность и снежный (или ледяной) покров на земной поверхности.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: