Схема солнечной радиации. Солнечная радиация или ионизирующее излучение солнца
Солнечную радиацию, в состав которой входят длины электромагнитных волн менее 4 мкм1 , в метеорологии принято называть коротковолновой. В солнечном спектре различают ультрафиолетовую (< 400 нм), видимую (= 400…760 нм) и инфракрасную (> 760 нм) части.
Солнечная радиация, поступающая непосредственно от солнечного диска, называется прямой солнечной радиацией S. Обычно она характеризуется интенсивностью, т. е. количеством лучистой энергии в калориях, проходящей в 1 минуту через 1 см2 площади, расположенной перпендикулярно к солнечным лучам.
Интенсивность прямой солнечной радиации, поступающей на верхнюю границу земной атмосферы, называют солнечной постоянной S 0 . Она составляет примерно 2 кал/см2 мин. У земной поверхности прямая солнечная радиация всегда значительно меньше этой величины, так как, проходя через атмосферу, ее солнечная энергия ослабляется вследствие поглощения и рассеяния молекулами воздуха и взвешенными частичками (пылинками, капельками, кристалликами). Ослабление прямой солнечной радиации атмосферой характеризуется или коэффициентом ослабленияа, или коэффициентом прозрачностир.
Для расчета прямой солнечной радиации, приходящейся на перпендикулярную поверхность, обычно применяют формулу Буге:
Sm S0 pm m , | ||||||
где S m – прямая солнечная радиация, кал см-2 мин-1 , при данной массе атмосферы;S 0 солнечная постоянная;р т коэффициент прозрачности при данной массе атмосферы;т масса атмосферы на пути солнечных
лучей; m | При малых значениях высоты солнца (h | < 100 ) мас- |
||||
sin h | ||||||
са находится не по формуле, а по таблице Бемпорада . Из формулы (3.1) следует, что
Или р = е | ||||||||
Прямая солнечная радиация, приходящаяся на горизонтальную по- |
||||||||
верхность S" , вычисляется по формуле | ||||||||
S = S sin h ., | ||||||||
1 1 мкм = 10-3 нм = 10-6 м. Микрометры еще называют микронами, а нанометры – миллимикронами. 1 нм = 10-9 м.
где h высота солнца над горизонтом.
Радиация, поступающая на земную поверхность от всех точек небесного свода, называется рассеянной D. Сумма прямой и рассеянной солнечной радиации, приходящей на горизонтальную земную поверхность, представляет собой суммарную солнечную радиациюQ :
Q = S" + D.(3.4)
Суммарная радиация, дошедшая до земной поверхности, частично отражаясь от нее, создает отраженную радиацию R, направленную от земной поверхности в атмосферу. Остальная часть cyммарной солнечной радиации поглощается земной поверхностью. Отношение отраженной от земной поверхности радиации к пocтупающей суммарной радиации называется альбедоА.
Величина A R характеризует отражательную способность зем-
ной поверхности. Она выражается в долях единицы или процентах. Разность между суммарной и отраженной радиацией называется поглощенной радиацией, или балансом коротковолновой радиации земной поверхности В к :
Поверхность земли и земная атмосфера, как и все тела, имеющие температуру выше абсолютного нуля, также излучают радиацию, которую условно называют длинноволновой. Ее длины волн - примерно от
4 до 100 мкм.
Собственное излучение земной поверхности, по закону Cтефана - Больцмана, пропорционально четвертой степени ее абсолютной темпе-
ратуры Т: | |
Ез = Т4 , |
где = 0,814 10-10 кал/см2 мин град4 постоянная Стефана-Больцмана;относительная излучательная способность деятельной поверхности: для большей части естественных поверхностей 0,95.
Излучение атмосферы направлено как к Земле, так и в мировое пространство. Часть длинноволнового атмосферного излучения, направленная вниз и поступающая к земной поверхности, называется встречным излучением атмосферы и обозначается Е а .
Разность между собственным излучением земной поверхности Е з и встречным излучением атмосферыЕ а называется эффективным излуче-
нием земной поверхности Е эф : | |
Е эф= Е зЕ а. | |
Величина Е эф , взятая с обратным знаком, составляет баланс длинноволновой радиации на земной поверхностиВ д .
Разность между всей приходящей и всей уходящей радиацией назы-
3.1. Приборы для измерения радиационного баланса
и его составляющих
Для измерения интенсивности лучистой энергии применяются актинометрические приборы различной конструкции. Приборы бывают абсолютные и относительные. По абсолютным приборам показания получают сразу в тепловых единицах, а по относительным - в относительных, поэтому для таких приборов необходимо знать переводные множители для перехода к тепловым единицам.
Абсолютные приборы по устройству и обращению довольно сложны и не имеют массового распространения. Применяются они преимущественно для поверки относительных приборов. В конструкции относительных приборов чаще всего используется термоэлектрический метод, который основан на зависимости силы термотока от разности температур спаев.
Приемником термоэлектрических приборов служат термобатареи из спаев двух металлов (рис. 3.1). Разность температур спаев создается в результате различной поглотительной способности спаев или
ванометром 3. Во втором случае разность температур спаев достигается путем затенения одних (спай3) и облучения других (спай2) солнечной радиацией. Так как разность температур спаев обусловливается приходящей солнечной радиацией, то интенсивность ее будет пропорциональна силе термоэлектрического тока:
где N отклонение стрелки гальванометра;а переводный множитель, кал/см2 мин.
Таким образом, для выражения интенсивности радиации в тепловых единицах необходимо показания гальванометра умножить на переводный множитель.
Переводный множитель для пары термоэлектрический прибор – гальванометр определяют путем сравнения с контрольным прибором или рассчитывают по электрическим характеристикам, содержащимся в сертификатах гальванометра и актинометрического прибора, с точностью до 0,0001 кал/см2 мин по формуле
(R бR rR доб), | |||||
где а переводный множитель; цена деления шкалы гальванометра, мА;k чувствительность термоэлектрического прибора, милливольт на 1 кал/см2 мин;R б сопротивление термобатареи, Ом;R r внутреннее сопротивление гальванометра, Ом;R доб добавочное сопротивление гальванометра, Ом.
Термоэлектрический актинометр АТ-50 служит для измерения прямой солнечной радиации.
Устройство актинометра. Приемником актинометра является диск1 из серебряной фольги (рис. 3.2). Со стороны, обращенной к солнцу, диск зачернен, а с другой стороны к нему подклеены через изоляционную бумажную прокладку внутренние спаи2 термозвездочки из манганина и константана, состоящей из 36 термоэлементов (на схеме показаны только семь термо-элементов). Внешние спаи3 термозвездочки через изоляционную бумажную про-
Рис. 3.2. Схема термозвез-
кладку 5 подклеены к медному диску4. По-
дочки актинометра следний помещается в массивном медном корпусе со скобами, к которым присоединены
выводы термобатареи и мягкие провода 6 (рис. 3.3).
Корпус со скобами закрыт кожухом 7 , закрепленным гайкой8, и соединен винтом10 с мерной трубкой9. Внутри трубки имеется пять диафрагм, расположенных в порядке уменьшения их диаметра от 20 до 10 мм по направлению к корпусу. Диафрагмы удерживаются плоской и пружинящей шайбами, установленными между корпусом и наименьшей диафрагмой. С внутренней стороны диафрагмы зачернены.
На концах трубки расположены кольца 12 и13 для нацеливания актинометра на солнце. На кольце13 есть отверстие, а на кольце12 точка. При правильной установке пучок света, проходящий через отверстие, должен точно попадать в точку кольца12 . Трубка закрывается съемной крышкой11 , которая служит для определения нулевого положения гальванометра и защищает приемник от загрязнения.
Трубка 9 соединяется со стойкой14, укрепленной на плато16 параллактическим штативом17. Для установки оси штатива соответственно широте места служит шкала18 с делениями, риска19 и винт20.
Установка. Вначале ось штатива устанавливают по широте места наблюдений. Для этого, ослабив винт20, поворачивают ось штатива до совпадения деления шкалы18, соответствующего
данной широте, с риской 19 иРис. 3.3.Термоэлектрический закрепляют ось в этом положе-
актинометр АТ-50
нии. Затем актинометр устанавливают на горизонтальной подставке так, чтобы стрелка на плато была ориентирована на север, и, сняв крышку, ориентируют его на солнце путем ослабления винта 23 и вращения рукоятки22; трубку9 поворачивают до тех пор, пока пучок света через отверстие на кольце13 попадает на точку кольца12. После этого провода актинометра при открытой крышке11 присоединяют к клеммам гальванометра (+) и (С), соблюдая полярность. Если стрелка гальванометра отклоняется за нуль, провода меняют местами.
Наблюдения. За 1 минуту до начала наблюдения проверяют установку приемника актинометра на солнце. После этого крышку закрывают и по гальванометру делают отсчет нулевого положенияN 0 . Затем снимают крышку, проверяют точность нацеливания на солнце и 3 раза отсчитывают показания гальванометра с интервалом в 10-15 с (N 1 , N 2 , N 3 ) и температуру по гальванометру. После наблюдений прибор закрывают крышкой футляра.
Обработка наблюдений. Из трех отсчетов по гальванометру находят среднее значениеN c с точностью до 0,1:
N с N 1N 2N 3. 3
Для получения исправленного отсчета N к среднему значениюN вводят шкаловую поправкуN , поправку на температуруN t из поверочного свидетельства гальванометра и вычитают положение места нуляN 0 :
N N Nt N0 .
Для выражения интенсивности солнечной радиации S в кал/см2 мин показания гальванометраN умножают на переводный множительа:
Интенсивность прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность вычисляют по формуле (3.3).
Высоту солнца над горизонтом h и sinh можно определить по уравнению
sin h = sin sin+ cos cos cos,
где широта места наблюдений; склонение солнца для данного дня (приложение 9); часовой угол солнца, отсчитываемый от момента истинного полдня. Определяется он по истинному времени середины наблюдений: t ист = 15(t ист 12ч ).
Термоэлектрический пиранометр П-3х3 применяется для измерения рассеянной и суммарной солнечной радиации.
Устройство пиранометра (рис. 3.4).
Приемной частью пиранометра является термоэлектрическая батарея 1 , состоящая из 87 термоэлементов из манганина и константана. Полоски манганина и константана длиной 10 мм последовательно спаяны между собой и уложены в квадрате 3x3 см так, что спаи располагаются в середине и на поворотах. С внешней стороны поверхность термобатареи покрыта сажей и магнезией. Четные спаи термобатареи окрашены в белый цвет, а нечетные
– в черный. Спаи располагаются так, что
черные и белые участки чередуются в
Рис. 3.4. Термоэлектрический пиранометр П-3х3
шахматном порядке. Через изоляционную бумажную прокладку термобатарея прикреплена к ребрам плитки 2 , привинченной к корпусу3.
Вследствие различного поглощения солнечной радиации создается разность температур черных и белых спаев, поэтому в цепи возникает термоток. Выводы из термобатареи подведены к клеммам 4, к которым присоединяются провода, соединяющие пиранометр с гальванометром.
Сверху корпус закрыт стеклянным полусферическим колпаком 5 для защиты термобатареи от ветра и осадков. Для предохранения термобатареи и стеклянного колпака от возможной конденсации водяного пара на нижней части корпуса имеется стеклянная сушилка6 с химическим поглотителем влаги (металлический натрий, силикагель и др.).
Корпус с термобатареей и стеклянным колпаком составляет головку пиранометра, которая привинчена к стойке 7, зажатой в треноге8 винтом9. Тренога укреплена на основании футляра и имеет два установочных винта10 . При измерении рассеянной или суммарной радиации пиранометр вращением винтов10 устанавливают горизонтально по уровню11 .
Для затенения головки пиранометра от прямых солнечных лучей служит теневой экран, диаметр которого равен диаметру стеклянного колпака. Теневой экран укреплен на трубке 14, которая винтом13 соединена с горизонтальным стержнем12.
При затенении приемника пиранометра теневым экраном измеряется рассеянная, а без затенения - суммарная радиация.
Для определения нулевого положения стрелки гальванометра, а также для защиты стеклянного колпака от повреждения головку пиранометра закрывают металлической крышкой 16.
Установка. Прибор устанавливают на открытой площадке. Перед наблюдением проверяют наличие осушителя в стеклянной сушилке (1/3 сушилки должна быть заполнена осушителем). Затем трубку14 с теневым экраном15 присоединяют к стержню12 с помощью винта13.
К солнцу пиранометр поворачивают всегда одной и той же стороной, отмеченной номером на головке. Для поворота головки пиранометра номером к солнцу винт 9 слегка ослабляют и в таком положении закрепляют.
Горизонтальность термобатареи проверяют на уровне 11 и в случае нарушения ее регулируют установочными винтами10.
Гальванометр для измерения силы термотока устанавливают с северной стороны от пиранометра на таком расстоянии, чтобы наблюдатель при отсчетах не затенял пиранометр не только от прямых солнеч-
ных лучей, но и от участков неба. Правильность подключения пиранометра к гальванометру проверяют при снятой крышке пиранометра и освобожденном арретире гальванометра. При отклонении стрелки за нуль шкалы провода меняют местами.
Наблюдения. Непосредственно перед наблюдением проверяют правильность установки прибора по уровню и относительно солнца. Для отсчета нулевого положения гальванометра головку пиранометра закрывают крышкой16 и записывают показания гальванометраN 0 . После этого крышку пиранометра снимают и делают серию отсчетов с интервалом 10-15 с.
Вначале отсчитывают показания гальванометра при затененном пиранометре для определения рассеянной радиации N 1 , N 2 , N 3 , потом - при незатененном положении (теневой экран опускается ослаблением винта13 ) для определения суммарной радиацииN 4 ,N 5 , N 6 . После наблюдений трубку с теневым экраном отвинчивают и пиранометр закрывают крышкой футляра.
Обработка наблюдений. Из серий отсчетов по гальванометру для каждого вида радиации определяют средние значенияN D иN Q :
N 1N 2N 3 | N 4N 5N 6 | ||||||||
Затем получают исправленные значения N D иN Q . С этой целью по средним значениям определяют шкаловые поправкиN D иN Q из поверочного свидетельства гальванометра и вычитают пулевое показание гальванометра:
ND ND N N0 , NQ NQ N N0 .
Для определения интенсивности рассеянной радиации D в кал/см2 мин необходимо показания гальванометраN D умножить на переводный множительа:
D = ND. |
Для определения суммарной радиации Q в кал/см2 мин вводится еще поправочный множитель на высоту солнцаF h . Этот поправочный множитель дается в поверочном свидетельстве в форме графика: по оси абсцисс нанесена высота солнца над горизонтом, а по оси ординат - поправочный множитель.
С учетом поправочного множителя на высоту солнца суммарная радиация определяется по формуле
Q = a (NQ ND )Fh + ND .
При наблюдениях по пиранометру может быть вычислена и интенсивность прямой радиации на горизонтальную поверхность как разность суммарной и рассеянной радиации:
Походный термоэлектрический альбедометр АП-3х3 предназна-
чен для измерения в походных условиях суммарной, рассеянной и отраженной радиации. На практике он применяется главным образом для измерения альбедо деятельной поверхности.
Устройство альбедометра. Приемником альбедометра (рис. 3.5) служит головка пиранометра1 , привинченная на втулке2 к трубке3 с карданным подвесом4 и рукояткой5. Поворотом рукоятки на 180° приемник может быть обращен вверх для измерения приходящей коротковолновой радиации и вниз для измерения отраженной коротковолновой радиации. Чтобы трубка была в отвесном положении, внутри нее на стержне скользит специальный груз, который при поворотах прибора всегда передвигается вниз. Для смягчения ударов при повороте прибора на концах трубки подложены резиновые прокладки6.
В разобранном виде прибор крепится на основании металлического футляра.
Установка. Перед наблюдением с осно- | ||
вания футляра снимают головку, трубку, | ||
рукоятку и свинчивают между собой: голов- | ||
ку привинчивают к трубке, а рукоятку - к | ||
карданному подвесу. Для исключения ради- | ||
ации, которую может отражать сам наблю- | ||
датель, рукоятка насаживается на деревян- | ||
ный шест длиной около 2 м. | Рис. 3.5. Походный альбедометр |
|
Альбедометр подсоединяют мягкими |
||
проводами к гальванометру на клеммы (+) и |
||
(С) при открытом приемнике и освобожденном арретире гальванометра. Если стрелка гальванометра уходит за нуль, провода меняют местами.
Во время наблюдений на постоянном участке приемник альбедометра устанавливают на высоте 1-1,5 м над деятельной поверхностью, а на сельскохозяйственных полях - на расстоянии 0,5 м от верхнего уровня растительного покрова. При измерении суммарной и рассеянной радиации головку альбедометра поворачивают номером к солнцу.
Наблюдения. За 3 мин до начала наблюдений отмечают место нуля. Для этого головку альбедометра закрывают крышкой и отсчитывают показания гальванометраN 0 . Затем открывают крышку и производят три отсчета по гальванометру при положении приемника альбедометра вверх для измерения приходящей суммарной радиации:N 1 , N 2 , N 3 . После третьего отсчета приемник поворачивают вниз и через 1 мин производят три отсчета для измерения отраженной радиации:N 4 , N 5 , N 6 . Потом приемник снова поворачивают вверх и через 1 мин делают еще три отсчета для измерения приходящей суммарной радиации:N 7 , N 8 , N 9 . После окончания серии отсчетов приемник закрывают крышкой.
Обработка наблюдений. Сначала вычисляют средние значения отсчетов по гальванометру для каждого вида радиацииN Q иN Rk :
N Q N 1N 2N 3N 7N 8N 9, 6
N Rk N 4N 5N 6. 3
Затем к средним значениям вводят шкаловую поправку из поверочного свидетельства N Q иN Rk , вычитают место нуляN 0 и определяют исправленные значенияN Q иN Rk :
N QN QN N 0 , N RkN RkN N 0 .
Так как альбедо выражается отношением отраженной радиации к суммарной, то переводный множитель сокращается и альбедо вычисляется как отношение исправленных показаний гальванометра при измерении отраженной и суммарной радиации (в процентах):
Альбедометр является наиболее универсальным прибором. При наличии переводного множителя им можно определить суммарную радиацию, рассеянную, отраженную и рассчитать прямую радиацию на горизонтальную поверхность. При наблюдениях за рассеянной радиацией необходимо применять теневой экран для защиты приемника от прямых солнечных лучей.
Балансомер термоэлектрический М-10 применяется для измере-
ния радиационного баланса подстилающей поверхности, или остаточной радиации, которая представляет собой алгебраическую сумму всех видов радиации, поступающих и теряемых этой поверхностью. Приходная часть радиации состоит из прямой радиации на горизонтальную поверхность S" , рассеянной радиацииD и излучения атмосферыE а . Расходная часть радиационного баланса, или уходящая радиация, представляет собой отраженную коротковолновую радиациюR K и длинноволновое излучение землиЕ 3 .
Действие балансомера основано на преобразовании потоков радиации в термоэлектродвижущую силу при помощи термобатареи.
Возникающая в термобатарее электродвижущая сила пропорциональна разности температур между верхним и нижним приемниками балансомера. Так как температура приемников зависит от приходящей и уходящей радиации, то и электродвижущая сила будет пропорциональна разности потоков радиации, поступающих сверху и снизу на приемники.
Радиационный баланс В при измерении балансомером выражается уравнением
N показания гальванометра;k поправочный множитель, учитывающий влияние скорости ветра (табл. 3.1).
Таблица 3.1
Поправочный множитель k (пример)
Скорость ветра, | ||||||||||||
Поправочный | ||||||||||||
множитель k |
||||||||||||
Показания балансомера, умноженные на поправочный множитель, соответствующий данной скорости ветра, приводятся к показаниям балансомера при штиле.
Устройство балансомера (рис. 3.6). Приемником балансомера служат две зачерненные тонкие медные пластинки1 и2 , имеющие форму квадрата со стороной 48 мм. С внутренней стороны к ним приклеены через бумажные прокладки спаи3, 4 термобатареи. Спаи образованы витками намотанной на медный брусок5 константановой ленты. Каждый виток ленты наполовину посеребрен. Начало и конец серебряного слоя служат термоспаями. Четные спаи подклеены к верхней, а нечет-
ные к нижней пластинке. Вся термобатарея состоит из десяти брусков, на каждый из которых намотано 32-33 витка. Приемник балансомера помещен в корпус6 , имеющий форму диска диаметром 96 мм и толщиной 4 мм. Корпус соединен с рукояткой7 , через которую пропущены выводы8 от термобатареи. Балансомер с помощью шаровых шарнир-
ов 9 устанавливается на па- |
||||||
нельке 10 . К панельке присое- |
||||||
диняется | шарнирах |
|||||
стержень 11 с экраном12 , кото- |
||||||
защищает | приемник | |||||
прямых солнечных лучей. При |
||||||
применении экрана на стержне, |
||||||
видимого из центра приемника |
||||||
под углом 10°, прямая солнеч- |
||||||
радиация исключается | ||||||
показаний балансомера, | ||||||
повышает точность измерений, |
||||||
но в этом случае интенсивность |
||||||
солнечной | радиации |
|||||
необхо-димо измерять отдельно |
||||||
Рис. 3.6. Термоэлектрический | актинометром. Чехол 13 защи- |
|||||
балансомер М-10 | щает балансомер от осадков и |
|||||
Установка. Прибор прикрепляют панелькой к концу деревянной рейки на высоте 1,5 м от земли. Приемник его устанавливают горизонтально всегда одной и той же приемной стороной вверх, отмеченной на приборе цифрой 1. Выводы из термобатарей подключают к гальванометру.
В большинстве случаев балансомер затеняют экраном от прямой солнечной радиации. Поэтому на одной рейке с балансомером устанавливают актинометр для измерения прямой солнечной радиации. Для учета влияния скорости ветра на уровне балансомера и на небольшом расстоянии от него устанавливают анемометр.
Наблюдения. За 3 мин до начала наблюдения определяют место нуля балансомераN 0 . Производится это при разомкнутой цепи. После этого балансомер подключают к гальванометру так, чтобы стрелка гальванометра отклонялась вправо, и производят три отсчета по балансомеруN 1 , N 2 , N 3 и одновременно три отсчета по анемометру1 , 2 , 3 . Если балансомер установлен с теневым экраном, то после первого и второго отсчетов по балансомеру производят два отсчета по актинометру
СОЛНЕЧНАЯ РАДИАЦИЯ
СОЛНЕЧНАЯ РАДИАЦИЯ
- электромагнитное и
корпускулярное излучение Солнца.
Электромагнитная радиация распространяется в
виде электромагнитных волн со скоростью света и
проникает в земную атмосферу . До
земной поверхности солнечная радиация доходит в
виде прямой и рассеянной радиации.
Солнечная радиация - главный источник энергии
для всех физико-географических процессов,
происходящих на земной поверхности и в атмосфере
(см. Инсоляция). Солнечная радиация
обычно измеряется по ее тепловому действию и
выражается в калориях на единицу поверхности за
единицу времени. Всего Земля получает от Солнца
менее одной двухмиллиардной его излучения.
Спектральный диапазон электромагнитного
излучения Солнца очень широк - от радиоволн до
рентгеновских лучей - однако максимум его
интенсивности приходится на видимую
(жёлто-зелёную) часть спектра.
Существует также корпускулярная часть солнечной
радиации, состоящая преимущественно из протонов,
движущихся от Солнца со скоростями 300-1500 км/с
(солнечный ветер). Во время солнечных вспышек
образуются также частицы больших энергий (в
основном протоны и электроны), образующие
солнечную компоненту космических лучей.
Энергетический вклад корпускулярной
составляющей солнечной радиации в её общую
интенсивность невелик по сравнению с
электромагнитной. Поэтому в ряде приложений
термин «солнечная радиация» используют в узком
смысле, имея в виду только её электромагнитную
часть.
Количество солнечной радиации зависит от высоты
солнца, времени года, прозрачности атмосферы .
Для измерения солнечной радиации служат
актинометры и пиргелиометры. Интенсивность
солнечной радиации обычно измеряется по её
тепловому действию и выражается в калориях на
единицу поверхности за единицу времени.
Солнечная радиация сильно влияет на Землю только
в дневное время, безусловно - когда Солнце
находится над горизонтом. Также солнечная
радиация очень сильна вблизи полюсов, в период
полярных дней, когда Солнце даже в полночь
находится над горизонтом. Однако зимой в тех же
местах Солнце вообще не поднимается над
горизонтом, и поэтому не влияет на регион.
Солнечная радиация не блокируется облаками, и
поэтому вс равно поступает на Землю (при
непосредственном нахождении Солнца над
горизонтом). Солнечная радиация - это сочетание
ярко-жёлтого цвета Солнца и тепла, тепло проходит
и сквозь облака . Солнечная радиация
передаётся на Землю посредством излучения, а не
методом теплопроводности.
Сумма радиации, полученной небесным телом,
зависит от расстояния между планетой и звездой -
при увеличении расстояния вдвое количество
радиации, поступающее от звезды на планету
уменьшается вчетверо (пропорционально квадрату
расстоянию между планетой и звездой). Таким
образом, даже небольшие изменения расстояния
между планетой и звездой (зависит от
эксцентристета орбиты) приводят к значительному
изменению количества поступающей на планету
радиации. Эксцентристет земной орбиты тоже не
является постоянным - в с течением
тысячелетий он меняется, периодически образуя то
практически идеальный круг, иногда же
эксцентристет достигает 5% (в настоящее время он
равен 1,67%), то есть в перигелии Земля получает в
настоящее время в 1,033 больше солнечной радиации,
чем в афелии, а при наибольшем эксцентристите -
более чем в 1,1 раза. Однако гораздо более сильно
количество поступающей солнечной радиации
зависет от смен времён года - в настоящее время
общее количество солнечной радиации,
поступающее на Землю, остаётся практически
неизменным, но на широтах 65 С.Ш (широта северных
городов России, Канады) летом количество
поступающей солнечной радиации более чем на 25%
больше, чем зимой. Это происходит из-за того, что
Земля по отношению к Солнцу наклонена под углом
23,3 градуса. Зимние и летние изменения взаимно
компенсируются, но тем не менее по росту широты
места наблюдения всё больше становится разрыв
между зимой и летом, так, на экваторе разницы
между зимой и летом нет. За Полярным кругом же
летом поступление солнечной радиации очень
высоко, а зимой очень мало. Это формирует климат на Земле. Кроме того,
периодические изменения эксцентристета орбиты
Земли могут приводить к возникновению различных
геологических эпох: к примеру,
Солнечная радиация (солнечное излучение) – это вся совокупность солнечной материи и энергии, поступающей на Землю. Солнечная радиация состоит из следующих двух основных частей: во-первых, тепловой и световой радиации, представляющей собой совокупность электромагнитных волн; во-вторых, корпускулярной радиации.
На Солнце тепловая энергия ядерных реакций переходит в лучистую энергию. При падении солнечных лучей на земную поверхность лучистая энергия снова превращается в тепловую энергию. Солнечная радиация, таким образом, несет свет и тепло.
Интенсивность солнечной радиации. Солнечная постоянная. Солнечная радиация – это важнейший источник тепла для географической оболочки. Вторым источником тепла для географической оболочки является тепло, идущее от внутренних сфер и слоев нашей планеты.
В связи с тем, что в географической оболочке один вид энергии (лучистая энергия ) эквивалентно переходит в другой вид (тепловая энергия ), то лучистую энергию солнечной радиации можно выражать в единицах тепловой энергии – джоулях (Дж).
Интенсивность солнечной радиации необходимо измерять в первую очередь за пределами атмосферы, т. к. при прохождении через воздушную сферу она преобразуется и ослабевает. Интенсивность солнечной радиации выражается солнечной постоянной.
Солнечная постоянная – это поток солнечной энергии за 1 минуту на площадь сечением в 1 см 2 , перпендикулярную солнечным лучам и расположенную вне атмосферы. Солнечная постоянная может быть также определена как количество тепла, которое получает в 1 минуту на верхней границе атмосферы 1 см 2 черной поверхности, перпендикулярной солнечным лучам.
Солнечная постоянная равна 1, 98 кал / (см 2 х мин), или 1, 352 кВт/ м 2 х мин .
Поскольку верхняя атмосфера поглощает значительную часть радиации, то важно знать величину ее на верхней границе географической оболочки, т. е. в нижней стратосфере. Солнечная радиация на верхней границе географической оболочки выражается условной солнечной постоянной . Величина условной солнечной постоянной равна 1, 90 – 1, 92 кал / (см 2 х мин), или 1,32 – 1, 34 кВт / (м 2 х мин).
Солнечная постоянная, вопреки своему названию, не остается постоянной. Она изменяется в связи с изменением расстояния от Солнца до Земли в процессе движения Земли по орбите. Как бы ни были малы эти колебания, они всегда сказываются на погоде и климате.
В среднем каждый квадратный километр тропосферы получает в год 10,8 х 10 15 Дж. (2,6 х 10 15 кал). Такое количество тепла может быть получено при сжигании 400 000 т каменного угля. Вся Земля за год получает такое количество тепла, которое определяется величиной 5, 74 х 10 24 Дж. (1, 37 х 10 24 кал).
Распределение солнечной радиации «на верхней границе атмосферы» или при абсолютно прозрачной атмосфере. Знание распределения солнечной радиации до ее вступления в атмосферу, или так называемого солярного (солнечного) климата , важно для определения роли и доли участия самой воздушной оболочки Земли (атмосферы) в распределении тепла по земной поверхности и в формировании ее теплового режима.
Количество солнечного тепла и света, поступающее на единицу площади, определяется, во-первых, углом падения лучей, зависящим от высоты Солнца над горизонтом, во-вторых, продолжительностью дня.
Распределение радиации у верхней границы географической оболочки, обусловленное только астрономическими факторами, более равномерно, чем ее реальное распределение у земной поверхности.
При условии отсутствия атмосферы годовая сумма радиации в экваториальных широтах составляла бы 13 480 МДж/см 2 (322 ккал/см 2), а на полюсах 5 560 МДж/м 2 (133 ккал/см 2). В полярные широты Солнце посылает тепла немного меньше половины (около 42 %) того количества, которое поступает на экватор.
Казалось бы, солнечное облучение Земли симметрично относительно плоскости экватора. Но это происходит только два раза в год, в дни весеннего и осеннего равноденствия. Наклон оси вращения и годовое движение Земли обусловливают ассиметричное ее облучение Солнцем. В январскую часть года больше тепла получает южное полушарие, в июльскую – северное. Именно в этом заключается главная причина сезонной ритмики в географической оболочке.
Разница между экватором и полюсом летнего полушария невелика: на экватор поступает 6 740 МДж/м 2 (161 ккал/см 2), а на полюс около 5 560 МДж/м 2 (133 ккал/см 2 в полугодие). Зато полярные страны зимнего полушария в это же время вовсе лишены солнечного тепла и света.
В день солнцестояния полюс получает тепла даже больше, чем экватор - 46,0 МДж/м 2 (1,1 ккал/см 2) и 33.9 МДж/м 2 (0,81 ккал/см 2).
В целом солярный климат на полюсах в годовом выводе в 2,4 раза холоднее, чем на экваторе. Однако надо иметь в виду, что зимой полюсы вообще не нагреваются Солнцем.
Реальный климат всех широт во многом обязан земным факторам. Важнейшими из этих факторов являются: во-первых, ослабление радиации в атмосфере, во-вторых, разная интенсивность усвоения солнечной радиации земной поверхностью в различных географических условиях.
Изменение солнечной радиации при прохождении через атмосферу. Прямые солнечные лучи, пронизывающие атмосферу при безоблачном небе, называются прямой солнечной радиацией . Максимальная ее величина при высокой прозрачности атмосферы на перпендикулярной лучам поверхности в тропическом поясе равна около 1,05 – 1, 19 кВт/м 2 (1,5 – 1,7 кал/см 2 х мин. В средних широтах напряжение полуденной радиации обычно составляет около 0,70 – 0,98 кВт /м 2 х мин (1,0 – 1,4 кал/см 2 х мин). В горах эта величина существенно увеличивается.
Часть солнечных лучей от соприкосновения с молекулами газов и аэрозолями рассеивается и переходит в рассеянную радиацию . На земную поверхность рассеянная радиация поступает уже не от солнечного диска, а от всего небосвода и создает повсеместную дневную освещенность. От нее в солнечные дни светло и там, куда не проникают прямые лучи, например под пологом леса. Наряду с прямой радиацией рассеянная радиация также служит источником тепла и света.
Абсолютная величина рассеянной радиации тем больше, чем интенсивнее прямая. Относительное значение рассеянной радиации возрастает с уменьшением роли прямой: в средних широтах летом она составляет 41%, а зимой 73% общего прихода радиации. Удельный вес рассеянной радиации в общей величине суммарной радиации зависит и от высоты Солнца. В высоких широтах на рассеянную радиацию приходится около 30%, а в полярных - примерно 70% от всей радиации.
В целом же на рассеянную радиацию приходится около 25 % всего потока солнечных лучей, приходящих на нашу планету.
На земную поверхность, таким образом, поступает прямая и рассеянная радиация. В совокупности прямая и рассеянная радиация образуют суммарную радиацию , которая определяет тепловой режим тропосферы .
Поглощая и рассеивая радиацию, атмосфера значительно ее ослабляет. Величина ослабления зависит от коэффициента прозрачности, показывающего, какая доля радиации доходит до земной поверхности. Если бы тропосфера состояла только из газов, то коэффициент прозрачности был бы равен 0,9, т. е. она пропускала бы около 90% идущей к Земле радиации. Однако в воздухе всегда присутствуют аэрозоли, снижающие коэффициент прозрачности до 0,7 – 0,8. Прозрачность атмосферы изменяется вместе с изменением погоды.
Так как плотность воздуха падает с высотой, то слой газа, пронизываемого лучами, не следует выражать в км толщины атмосферы. В качестве единицы измерения принята оптическая масса, равная мощности слоя воздуха при вертикальном падении лучей.
Ослабление радиации в тропосфере легко наблюдать в течение суток. Когда Солнце находится около горизонта, то его лучи пронизывают несколько оптических масс. Их интенсивность при этом так ослабевает, что на Солнце можно смотреть незащищенным глазом. С поднятием Солнца уменьшается число оптических масс, которые проходят его лучи, что приводит к увеличению радиации.
Степень ослабления солнечной радиации в атмосфере выражается формулой Ламберта :
I i = I 0 p m , где
I i – радиация, достигшая земной поверхности,
I 0 – солнечная постоянная,
p – коэффициент прозрачности,
m – число оптических масс.
Солнечная радиация у земной поверхности. Количество лучистой энергии, приходящее на единицу земной поверхности, зависит, прежде всего, от угла падения солнечных лучей. На одинаковые площади на экваторе, в средних и высоких широтах приходится различное количество радиации.
Солнечная инсоляция (освещение) сильно ослабляется облачностью. Большая облачность экваториальных и умеренных широт и малая облачность тропических широт вносят значительные коррективы в зональное распределение лучистой энергии Солнца.
Распределение солнечного тепла по земной поверхности изображается на картах суммарной солнечной радиации. Как показывают эти карты, наибольшее количество солнечного тепла – от 7 530 до 9 200 МДж/м 2 (180-220 ккал/см 2) получают тропические широты. Экваториальные широты из-за большой облачности получают тепла несколько меньше: 4 185 – 5 860 МДж/м 2 (100-140 ккал/см 2).
От тропических широт к умеренным радиация уменьшается. На островах Арктики она составляет не более 2 510 МДж/м 2 (60 ккал/см 2) в год. Распределение радиации по земной поверхности имеет зонально-региональный характер. Каждая зона распадается на отдельные районы (регионы), несколько отличающиеся друг от друга.
Сезонные колебания суммарной радиации.
В экваториальных и тропических широтах высота Солнца и угол падения солнечных лучей по месяцам изменяются незначительно. Суммарная радиация во все месяцы характеризуется большими величинами, сезонная смена тепловых условий или отсутствует, или весьма незначительна. В экваториальном поясе слабо намечаются два максимума, соответствующие зенитальному положению Солнца.
В умеренном поясе в годовом ходе радиации резко выражен летний максимум, в котором месячная величина суммарной радиации не меньше тропической. Число теплых месяцев уменьшается с широтой.
В полярных поясах радиационный режим резко изменяется. Здесь в зависимости от широты от нескольких суток до нескольких месяцев прекращается не только нагревание, но и освещение. Летом же освещение здесь непрерывно, что существенно повышает сумму месячной радиации.
Усвоение радиации земной поверхностью. Альбедо . Суммарная радиация, достигшая земной поверхности, частично поглощается почвой и водоемами и переходит в тепло. На океанах и морях суммарная радиация расходуется на испарение. Часть суммарной радиации отражается в атмосферу (отраженная радиация).
Дажьбог у славян, Апполон у древних греков, Митра у индоиранцев, Амон Ра у древних египтян, Тонатиу у ацтеков – этими именами в древнем пантеизме люди называли Бога-Солнце.
С древних времен люди понимали, какое большое значение для жизни на Земле имеет Солнце, и обожествляли его.
Светимость Солнца огромная и составляет 3,85х10 23 кВт. Солнечная энергия, воздействующая на площадь всего в 1 м 2 способна зарядить двигатель в 1,4 кВт.
Источником энергии является термоядерная реакция, проходящая в ядре звезды.
Образующийся при этом 4 He составляет, без малого (0,01%) весь гелий земли.
Звезда нашей системы испускает электромагнитное и корпускулярное излучение. С внешней стороны короны Солнца в космическое пространство «дует» солнечный ветер, состоящий из протонов, электронов и α-частиц. С солнечным ветром теряется ежегодно 2-3х10 -14 массы светила. С корпускулярным излучением связаны магнитные бури и полярное сияние.
Электромагнитное излучение (солнечная радиация) достигает поверхности нашей планеты в виде прямых и рассеянных лучей. Спектральный диапазон его составляют:
- ультрафиолетовое излучение;
- рентгеновские лучи;
- γ-лучи.
На коротковолновую часть приходится всего 7% энергии. Видимый свет составляет 48% энергии радиации Солнца. В основном он составлен сине-зеленым спектром излучения, 45% составляет инфракрасное излучение и только незначительная часть представлена радиоизлучением.
Ультрафиолетовое излучение, в зависимости от длины волны, подразделяют на:
Большая часть ультрафиолетового излучения с большой длиной волны достигает поверхности земли. Количества дошедшей до поверхности планеты УФ-В энергии зависит от состояния озонового слоя. УФ-С почти полностью поглощается озоновым слоем и газами атмосферы. Еще в 1994 г. ВОЗ и ВМО предложили ввести индекс ультрафиолета (UV, Вт/м 2).
Видимая часть света и не поглощается атмосферой, но волны некоторого спектра рассеиваются. Инфракрасный цвет или тепловая энергия в средневолновом диапазоне, в основном, поглощается водяным паром и углекислым газом. Источником длинноволнового спектра является земная поверхность.
Все перечисленные выше диапазоны имеют огромное значение для жизни на Земле. Значительная часть солнечной радиации не попадает на поверхность Земли. У поверхности планеты регистрируется следующие виды излучения:
- 1% ультрафиолетового;
- 40% оптического;
- 59% инфракрасного.
Виды излучений Интенсивность солнечной радиации зависит от:
- широты;
- сезона;
- времени суток;
- состояния атмосферы;
- особенностей и рельефа земной поверхности.
В разных точках Земли солнечная радиация по-разному влияет на живые организмы.
Фотобиологические процессы, протекающие под действием энергии света, в зависимости от их роли, можно подразделить на следующие группы:
- синтез биологически активных веществ (фотосинтез);
- фотобиологические процессы, помогающие ориентироваться в пространстве и помогающие получить информацию (фототаксис, зрение, фотопериодизм);
- повреждающее воздействие (мутации, канцерогенные процессы, деструктивное воздействие на биоактивные вещества).
Расчет инсоляции Световое излучение оказывает стимулирующий эффект на фотобиологические процессы в организме – синтез витаминов, пигментов, клеточная фотостимуляция. В настоящее время изучается сенсибилизирующее влияние солнечного света.
Ультрафиолетовое излучение, воздействуя на кожные покровы человеческого тела, стимулирует синтез витаминов D, В4 и белков, являющихся регуляторами многих физиологических процессов. Ультрафиолетовое излучение оказывает воздействие на:
- обменные процессы;
- иммунную систему;
- нервную систему;
- эндокринную систему.
Сенсибилизирующее влияние ультрафиолета зависит от длины волны:
Стимулирующее действие солнечных лучей выражается в повышении специфического и неспецифического иммунитета. Так, например, у детей, которые подвергаются умеренному природному УФ облучению, количество простудных заболеваний снижается на 1/3. При этом эффективность лечения повышается, отсутствуют осложнения, сокращается период заболевания.
Бактерицидные свойства коротковолнового спектра УФ излучения применяются в медицине, пищевой промышленности, фармацевтическом производстве для обеззараживания сред, воздуха и продукции. Ультрафиолетовое излучение уничтожает туберкулезную палочку в течение нескольких минут, стафилококк – за 25 минут, а возбудителя брюшного тифа – за 60 мин.
Неспецифический иммунитет, в ответ на ультрафиолетовое облучение, отвечает увеличением титров комплимента и агглютинации, повышением активности фагоцитов. Но повышенное УФ-облучение вызывает патологические изменения в организме:
- рак кожи;
- солнечную эритему;
- повреждение иммунной системы, которое выражается в появлении веснушек, невусов, солнечных лентиго.
Видимая часть солнечного света:
- дает возможность получения 80% информации с помощью зрительного анализатора;
- ускоряет обменные процессы;
- улучшает настроение и общее самочувствие;
- согревает;
- влияет на состояние ЦНС;
- определяет суточные ритмы.
Степень воздействия инфракрасного излучения зависит от длины волны:
- длинноволновое – обладает слабой проникающей способностью и в значительной степени поглощается поверхностью кожи, вызывая эритему;
- коротковолновое – проникает вглубь организма, оказывая сосудорасширяющее действие, болеутоляющее, противовоспалительное.
Кроме воздействия на живые организмы, солнечная радиация имеет большое значение в формировании климата Земли.
Значение солнечной радиации для климата
Солнце является главным источником тепла, формирующим земной климат. На ранних этапах развития Земли Солнце излучало на 30% меньше тепла, чем сейчас. Но благодаря насыщению атмосферы газами и вулканической пылью климат на Земле был влажный и теплый.
В интенсивности инсоляции отмечается цикличность, которая обуславливает потепление и похолодание климата. Цикличностью объясняется малый ледниковый период, наступивший в XIV-XIX вв. и потепление климата, наблюдавшееся в период 1900-1950 гг.
В истории планеты отмечается периодичность изменения наклона оси и экстреситет орбиты, что изменяет перераспределение солнечной радиации на поверхности и влияет на климат. Так, например, эти изменения отражаются на увеличении и уменьшении площади пустыни Сахары.
Межледниковые периоды длятся около 10000 лет. Сейчас Земля находится в межледниковом периоде, который называется гелиоценом. Благодаря ранней сельскохозяйственной деятельности человека этот период длиться дольше, чем рассчитано.
Учеными описаны 35-45 летние циклы изменения климата, во время которых сухой и теплый климат меняется на прохладный и влажный. Они влияют на наполнение внутренних водоемов, уровень Мирового океана, изменение оледенения в Арктике.
Солнечная радиация по-разному распределяется. Так, например, в средних широтах в период с 1984 по 2008 год отмечалось увеличение суммарной и прямой солнечной радиации и уменьшение рассеянной. Изменение интенсивности отмечается и в течение года. Так, пик приходится на май-август, а минимум – на зимний период.
Так как высота Солнца и продолжительность светового дня в летнее время больше, то на этот период приходится до 50% суммарной годовой радиации. А в период с ноября по февраль – всего 5%.
Количество солнечной радиации, попадающей на определенную поверхность Земли, влияет на важные климатические показатели:
- температуру;
- влажность;
- атмосферное давление;
- облачность;
- осадки;
- скорость ветра.
Увеличение солнечной радиации увеличивает температуру и атмосферное давление, остальные характеристики находятся в обратном отношении. Ученые выяснили, что наибольшее влияние на климат оказывают уровни суммарной и прямой радиации Солнца.
Меры защиты от солнечного излучения
Сенсибилизирующее и повреждающее воздействие на человека солнечная радиация проявляет в виде теплового и солнечного удара, негативного воздействия излучения на кожу. Сейчас большое количество знаменитостей присоединились к движению против загара.
Анжелина Джоли, например, говорит, что ради двух недель загара она не хочет жертвовать несколькими годами жизни.
Чтобы защититься от солнечной радиации, необходимо:
- загорать в утренние и вечерние часы – самое безопасное время;
- пользоваться солнцезащитными очками;
- в период активного солнца:
- покрывать голову и открытые участки тела;
- использовать солнцезащитный крем с УФ-фильтром;
- приобрести специальную одежду;
- защищать себя с помощью широкополой шляпы или зонта от солнца;
- соблюдать питьевой режим;
- избегать интенсивных физических нагрузок.
При разумном использовании, солнечная радиация оказывает благотворное влияние на организм человека.
Солнечная радиация — поступающая на Землю энергия солнечного излучения в виде потока электромагнитных волн.
Солнце распространяет вокруг себя мощное электромагнитное излучение. Всего одна двухмиллиардная его доля попадает в верхние слои атмосферы Земли, но и она составляет огромное число калорий в минуту.
Далеко не весь энергетический поток достигает поверхности Земли - большая его часть отбрасывается планетой в мировое пространство. Земля отражает атаку тех лучей, которые губительны для живого вещества планеты. На дальнейшем пути к Земле солнечные лучи встречают препятствия в виде наполняющих атмосферуводяного пара, молекул углекислого газа и частичек пыли, взвешенных в воздухе. Атмосферный «фильтр» поглощает значительную часть лучей, рассеивает их, отражает. Особенно велика отражательная способность облаков. В результате непосредственно земная поверхность получает лишь 2/3 той радиации, которая пропускается озоновым экраном. Но и из этой части многое отражается в соответствии с отражательной способностью различных поверхностей.
На всю поверхность Земли поступает чуть более 100000 калорий на 1 см2 в минуту. Эта радиация поглощается растительностью, почвой, поверхностью морей и океанов. Она превращается в тепло, которое расходуется на прогревание слоев атмосферы, движение воздушных и водных масс, на создание всего великого разнообразия форм жизни на Земле.
Солнечная радиация поступает на земную поверхность различными путями:
- прямая радиация: поступление радиации непосредственно от Солнца, если оно не закрыто облаками;
- рассеянная радиация: поступление радиации от небесного свода или облаков, рассеивающих солнечные лучи;
- тепловая: поступление радиации происходит от атмосферы, нагревшейся в результате воздействия радиации.
Прямая и рассеянная радиация поступает только днем. Вместе они составляют суммарную радиацию. Та солнечная радиация, которая остается после потери на отражение от поверхности, называется поглощенной.
Солнечную радиацию измеряют с помощью прибора, который называется актинометром.
Солнце заливает Землю целым океаном энергии, который практически неисчерпаем, поэтому в последние годы все большее внимание уделяется проблеме использования солнечной энергии в хозяйстве. В разных странах уже работают солнечные опреснители, водонагреватели, сушители. Полностью на энергии солнечной радиации работают запускаемые с Земли искусственные спутники, космические корабли, лаборатории.
Солнечная радиация википедия
Поиск по сайту:
На изменения притока тепла в короткие периоды времени и на неравномерное распределение его в ландшафтной оболочке влияет ряд обстоятельств, из которых мы рассмотрим наиболее важные.
Небольшие периодические изменения радиации зависят прежде всего от того, что Земля обращается вокруг Солнца по эллиптической орбите и, следовательно, расстояние её от Солнца меняется. В перигелии, т. е. в наиболее близкой к Солнцу точке орбиты (Земля бывает в ней в настоящую эпоху 1 января), расстояние равно 147 млн. км; в афелии, т. е. наиболее удалённой от Солнца точке орбиты (3 июля), это расстояние уже 152 млн. км; разница составляет 5 млн. км. В соответствии с этим в начале января радиация увеличивается на 3,4% по сравнению со средней (т. е. вычисленной для среднего расстояния от Земли до Солнца), а в начале июля на 3,5% уменьшается.
Весьма важным фактором, определяющим количество радиации, получаемое тем или иным участком земной поверхности, является угол падения солнечных лучей. Если J - интенсивность радиации при вертикальном падении лучей, то при встрече их с поверхностью под углом α интенсивность радиации будет J sin α: чем острее угол, тем на большую площадь должна распределиться энергия пучка лучей и, стало быть, тем меньше её придётся на единицу площади.
Угол, образуемый солнечными лучами с земной поверхностью, зависит от рельефа местности, географической широты и высоты Солнца над горизонтом, изменяющейся как в течение суток, так и в течение года.
На неровной местности (всё равно, идёт ли речь о горах или мелких неровностях) различные элементы рельефа освещаются Солнцем неодинаково. На солнечном склоне холма угол падения лучей больше, чем на равнине у подножия холма, но на противоположном склоне этот угол очень мал. Под Ленинградом склон холма, обращённый к югу и наклоненный под углом в 10°, находится в тех же тепловых условиях, что и горизонтальная площадка под Харьковом.
Зимой обращённые к югу крутые склоны обогреваются лучше, чем пологие (так как Солнце стоит в общем низко над горизонтом). Летом пологие склоны южной экспозиции получают тепла больше, а крутые меньше, чем горизонтальная поверхность. Склоны северной экспозиции в нашем полушарии во все сезоны получают наименьшее количество радиации.
Зависимость угла падения солнечных лучей от географической широты довольно сложная, так как при существующем угле наклона эклиптики высота Солнца в данном месте (значит, и угол падения солнечных лучей на плоскость горизонта) меняется не только за сутки, но и в году.
Наибольшая полуденная высота, какой на широте φ. Солнце достигает в дни равноденствий, составляет 90° - φ, в день летнего солнцестояния 90°- φ +23°,5 и в день зимнего солнцестояния 90° - φ - 23°,5.
Следовательно, наибольший угол падения солнечных лучей в полдень на экваторе в году изменяется от 90° до 66°,5, а на полюсе от -23°,5 до + 23°,5, т. е. практически от 0° до + 23°,5 (так как отрицательный угол характеризует величину погружения Солнца под горизонт).
Большую роль в преобразовании солнечной радиации играет газовая оболочка Земли. Частички воздуха, водяного пара и пылинки рассеивают солнечный свет; благодаря этому днём светло и при отсутствии прямых солнечных лучей. Атмосфера, кроме того, поглощает некоторое количество лучистой энергии, т. е. переводит её в тепловую. Наконец, солнечная радиация, поступающая в атмосферу, частично отражается обратно в мировое пространство. Особенно сильными отражателями служат облака.
В результате не вся радиация, поступившая на границу атмосферы, достигает поверхности Земли, а лишь часть её и притом качественно (по спектральному составу) изменённая, так как волны короче 0,3 μ, энергично поглощаемые кислородом и озоном, до земной поверхности не доходят, а видимые волны неодинаково рассеиваются.
Очевидно, что при отсутствии атмосферы тепловой режим Земли отличался бы от того, какой на самом деле наблюдается. Для целого ряда расчётов и сопоставлений нередко бывает удобно устранить влияние атмосферы на радиацию, иметь понятие о радиации в чистом виде. С этой целью вычисляют так называемую солнечную постоянную, т. е. количество тепла, приходящееся в 1 мин. на 1 кв. см перпендикулярной к солнечным лучам чёрной (поглощающей всю радиацию) поверхности, которое Земля получала бы при своём среднем расстоянии от Солнца и при отсутствии атмосферы. Солнечная постоянная равна 1,9 кал.
При наличии атмосферы особое значение приобретает такой фактор, влияющий на радиацию, как длина пути солнечного луча в атмосфере. Чем большую толщу воздуха должен пронизывать солнечный луч, тем больше потеряет он энергии в процессах рассеяния, отражения и поглощения. Длина пути луча непосредственно зависит от высоты Солнца над горизонтом и, следовательно, от времени суток и времени года. Если длину пути солнечного луча сквозь атмосферу при высоте Солнца 90° принять за единицу, тогда длина пути при высоте Солнца 40° удвоится, при высоте 10° станет равной 5,7 и т. д.
Для теплового режима земной поверхности очень важна ещё продолжительность освещения её Солнцем. Так как Солнце светит только днём, то определяющим фактором здесь будет длина дня, меняющаяся по временам года.
Наконец, необходимо помнить, что, хотя интенсивность радиации измеряется по отношению к поверхности, поглощающей всю радиацию, на самом деле солнечная энергия, падающая на различные по своей природе тела, поглощается далеко не одинаково. Отношение отражённой радиации к падающей называется альбедо. Давно известно, что альбедо чёрной почвы, светлых скал, травянистого пространства, зеркала водоёма и т. п. сильно разнятся. Светлые пески отражают 30-35%, чёрная почва (гумус) 26%, зелёная трава 26% радиации. Для свежевыпавшего чистого и сухого снега альбедо может достигать 97%. Влажная почва поглощает радиацию иначе, чем сухая: синяя сухая глина отражает 23% радиации, та же глина мокрая 16%. Следовательно, даже при одном и том же притоке радиации, в одних и тех же условиях рельефа, различные точки земной поверхности будут получать различное количество тепла.
Из периодических факторов, обусловливающих известный ритм в колебаниях радиации, особое значение имеет смена времён года.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .
Вконтакте
Одноклассники
Под солнечной радиацией понимают излучение Солнца, которое измеряется по ее тепловому действию и интенсивности.
Та солнечная радиация, которая непосредственно доходит до поверхности Земли, называется прямой солнечной радиацией . Часть солнечной радиации рассеивается в атмосфере, после чего уже доходит до поверхности планеты, такую радиацию называют рассеянной солнечной радиацией . Прямая и рассеянная радиации вместе составляют суммарную солнечную радиацию .
Суммарную солнечную радиацию определяют по тепловому действию на единицу поверхности за единицу времени. Выражают в калориях или джоулях.
Количество суммарной солнечной радиации, попадающей на поверхность зависит от высоты Солнца, продолжительности дня, свойств атмосферы (ее прозрачности, облачности).
Так как Земля имеет шарообразную форму, то наиболее высоко над горизонтом Солнце поднимается на экваторе. Здесь солнечные лучи падают перпендикулярно поверхности. При движении к полюсам солнечные лучи падают уже под все большим наклоном и поэтому приносят все меньше тепла. Кроме того, чем ближе к экватору, тем длиннее день, и, следовательно, поверхность получает больше тепла.
Однако на суммарную солнечную радиацию влияет не только географическая широта.
Солнечная радиация и её влияние на организм человека и климат
На экваторе высокая облачность и влажность, это препятствует прохождению солнечных лучей. Поэтому здесь суммарная солнечная радиация меньше, чем в континентальном тропическом климате (например, территория Сахары).
Солнце - источник света и тепла, в котором нуждается все живое на Земле. Но помимо фотонов света, оно излучает жесткую ионизирующую радиацию, состоящую из ядер и протонов гелия. Почему так происходит?
Причины возникновения солнечного излучения
Солнечная радиация образуется в дневные часы во время хромосферных вспышек - гигантских взрывов, происходящих в атмосфере Солнца. Часть солнечного вещества выбрасывается в космическое пространство, образуя космические лучи, главным образом состоящие из протонов и небольшого количеств ядер гелия. Эти заряженные частицы спустя 15-20 минут после того, как солнечная вспышка становится видимой, достигают поверхности земли.
Воздух отсекает первичное космическое излучение, порождая каскадный ядерный ливень, который затухает с понижением высоты. При этом рождаются новые частицы - пионы, которые распадаются и превращаются в мюоны. Они проникают в нижние слои атмосферы и попадают на землю, зарываясь вглубь до 1500 метров. Именно мюоны отвечают за образование вторичного космического излучения и естественной радиации, воздействующей на человека.
Спектр солнечного излучения
Спектр солнечного излучения включает как коротковолновые, так длинноволновые области:
- гамма-лучи;
- рентгеновское излучение;
- УФ-радиацию;
- видимый свет;
- инфракрасную радиацию.
Свыше 95% излучения Солнца приходится на область «оптического окна» - видимого участка спектра с прилегающими областями ультрафиолетовых и инфракрасных волн.
Что такое солнечная радиация? Виды излучения и его влияние на организм
По мере прохождения через слои атмосферы действие солнечных лучей ослабляется - вся ионизирующая радиация, рентгеновские лучи и почти 98% ультрафиолета задерживаются земной атмосферой. Практически без потерь до земли доходит видимый свет и инфракрасное излучение, хотя и они частично поглощаются молекулами газов и частицами пыли, находящимися в воздухе.
В связи с этим, солнечное излучение не приводит к заметному повышению радиоактивного излучения на поверхности Земли. Вклад Солнца вместе с космическими лучами в формирование общей годовой дозы облучения составляет всего 0,3 мЗв/год. Но это усредненное значение, на самом деле уровень падающего на землю излучения различен и зависит от географического положения местности.
Где солнечное ионизирующее облучение сильнее?
Наибольшая мощность космических лучей фиксируется на полюсах, а меньше всего - на экваторе. Связано это с тем, что магнитное поле Земли отклоняет к полюсам заряженные частицы, падающие из космоса. Кроме этого, излучение усиливается с высотой - на высоте 10 километров над уровнем моря его показатель возрастает в 20-25 раз. Активному воздействию более высоких доз солнечной радиации подвергаются жители высокогорий, поскольку атмосфера в горах тоньше и легче простреливается идущими от солнца потоками гамма-квантов и элементарных частиц.
Важно. Серьезного воздействия радиационный уровень до 0,3 мЗв/ч не оказывает, но при дозе 1,2 мкЗ/ч рекомендуется покинуть район, а случае крайней необходимости находится на его территории не более полугода. При превышении показаний вдвое следует ограничить пребывание в этой местности до трех месяцев.
Если над уровнем моря годовая доза космического облучения составляет 0,3 мЗв/год, то при повышении высоты через каждые сто метров этот показатель увеличивается на 0,03 мЗв/год. После проведения небольших расчетов можно сделать вывод, что недельный отпуск в горах на высоте 2000 метров даст облучение 1мЗв/год и обеспечит почти половину общей годовой нормы (2,4 мЗв/год).
Получается, что жители гор получают годовую дозу радиации, в разы превышающую норму, и должны чаще болеть лейкозом и раком, чем люди, живущие на равнинах. На самом деле, это не так. Наоборот, в горных районах фиксируется более низкая смертность от этих заболеваний, а часть населения - долгожители. Это подтверждает тот факт, что длительное нахождение в местах высокой радиационной активности не оказывает негативного влияния на организм человека.
Солнечные вспышки - высокая радиационная опасность
Вспышки на Солнце - большая опасность для человека и всего живого на Земле, поскольку плотность потока солнечного излучения может превышать обычный уровень космического излучения в тысячу раз. Так, выдающийся советский ученый А. Л. Чижевский связал периоды образования солнечных пятен с эпидемиями тифа (1883-1917 г) и холеры (1823-1923 г) в России. На основании сделанных графиков он еще в 1930 году предсказал возникновение обширной пандемии холеры в 1960-1962 годах, которая и началась в Индонезии в 1961 году, затем быстро распространилась на другие страны Азии, Африки и Европы.
Сегодня получено множество данных, свидетельствующих о связи одиннадцатилетних циклов солнечной активности со вспышками заболеваний, а также с массовыми миграциями и сезонами бурного размножения насекомых, млекопитающих и вирусов. Гематологи установили увеличение количество инфарктов и инсультов в периоды максимальной солнечной активности. Такая статистика связана с тем, что в это время у людей повышается свертываемость крови, а так как у больных с заболеваниями сердца компенсаторная деятельность угнетена, возникают сбои в его работе вплоть до некрозов сердечной ткани и кровоизлияний в мозг.
Большие солнечные вспышки происходят не так часто - раз в 4 года. В это время увеличивается количество и размер пятен, в солнечной короне образуются мощные коронарные лучи, состоящие из протонов и небольшого количества альфа-частиц. Самый мощный их поток астрологи зарегистрировали в 1956 году, когда плотность космического излучения на поверхности земли увеличилась в 4 раза. Еще одним последствием подобной солнечной активности стало полярное сияние, зафиксированное в Москве и Подмосковье в 2000 году.
Как себя обезопасить?
Конечно, повышенный радиационный фон в горах - не повод отказываться от поездок в горы. Правда, стоит подумать о мерах безопасности и отправиться в путешествие вместе с портативным радиометром, который поможет контролировать уровень радиации и при необходимости ограничить время пребывания в опасных районах. В местности, где показании счетчика показывают величину ионизирующего облучения в 7 мкЗв/ч, не стоит находиться больше одного месяца.
Суммарная солнечная радиация и радиационный баланс
Суммарная радиация – это сумма прямой (на горизонтальную поверхность) и рассеянной радиации. Состав суммарной радиации, т. е. соотношение между прямой и рассеянной радиацией, меняется в зависимости от высоты солнца, прозрачности, атмосферы и облачности.
До восхода солнца суммарная радиация состоит полностью, а при малых высотах солнца – преимущественно из рассеянной радиации. С увеличением высоты солнца доля рассеянной радиации в составе суммарной при безоблачном небе уменьшается: при h = 8° она составляет 50%, а при h = 50° – только 10-20%.
Чем прозрачнее атмосфера, тем меньше доля рассеянной радиации в составе суммарной.
3. В зависимости от формы, высоты и количества облаков доля рассеянной радиации увеличивается в разной степени. Когда солнце закрыто плотными облаками, суммарная радиация состоит только из рассеянной. При таких облаках рассеянная радиация лишь частично восполняет уменьшение прямой, и поэтому увеличение количества и плотности облаков в среднем сопровождается уменьшением суммарной радиации. Но при небольшой или тонкой облачности, когда солнце совсем открыто или не полностью закрыто облаками, суммарная радиация за счет увеличения рассеянной может оказаться больше, чем при ясном небе.
Суточный и годовой ход суммарной радиации определяется главным образом изменением высоты солнца: суммарная радиация изменяется почти прямо пропорционально изменению высоты солнца.
Солнечная радиация или ионизирующее излучение солнца
Но влияние облачности и прозрачности воздуха сильно усложняет эту простую зависимость и нарушает плавный ход суммарной радиации.
Суммарная радиация существенно зависит также от широты места. С уменьшением широты ее суточные суммы увеличиваются, причем, чем меньше широта места, тем равномернее суммарная радиация распределяется по месяцам, т. е. тем меньше амплитуда ее годового хода. Например, в Павловске (φ = 60°) ее месячные суммы составляют от 12 до 407 кал/см 2 , в Вашингтоне (φ = 38,9°) – от 142 до 486 кал/см 2 , а в Такубае (φ = 19°) – от 307 до 556 кал/см 2 . Годовые суммы суммарной радиации также увеличиваются с уменьшением широты. Однако в отдельные месяцы суммарная радиация в полярных районах может быть больше, чем в более низких широтах. Например, в бухте Тихой в июне суммарная радиация на 37% больше, чем в Павловске, и на 5% больше чем в Феодосии.
Непрерывные наблюдения в Антарктиде за последние 7-8 лет показывают, что месячные суммы суммарной радиации в этом районе в самом теплом месяце (декабре) примерно в 1,5 раза больше, чем на таких же широтах в Арктике, и равны соответствующим суммам в Крыму и в Ташкенте. Даже годовые суммы суммарной радиации в Антарктиде больше, чем, например, в Санкт-Петербурге. Такой значительный приход солнечной радиации в Антарктиде объясняется сухостью воздуха, большой высотой антарктических станций над уровнем моря и высокой отражательной способностью снежной поверхности (70-90%), увеличивающей рассеянную радиацию
Разность между всеми приходящими на деятельную поверхность и уходящими от нее потоками лучистой энергии называется радиационным балансом деятельной поверхности. Иначе говоря, радиационный баланс деятельной поверхности представляет собой разность между приходом и расходом радиации на этой поверхности. Если поверхность горизонтальна, то к приходной части баланса относятся прямая радиация, приходящая на горизонтальную поверхность, рассеянная радиация и встречное излучение атмосферы. Расход радиации слагается из отраженной коротковолновой, длинноволнового излучения деятельной поверхности и отраженной от нее части встречного излучения атмосферы.
Радиационный баланс представляет собой фактический приход, или расход лучистой энергии на деятельной поверхности, от которого зависит, будет ли происходить ее нагревание или охлаждение. Если приход лучистой энергии больше ее расхода, то радиационный баланс положителен и поверхность нагревается. Если же приход меньше расхода, то радиационный баланс отрицателен и поверхность охлаждается. Радиационный баланс в целом, как и отдельные составляющие его элементы, зависит от многих факторов. Особенно сильно на него влияют высота солнца, продолжительность солнечного сияния, характер и состояние деятельной поверхности, замутнение атмосферы, содержание в ней водяного пара, облачность и др.
Мгновенный (минутный) баланс днем обычно положителен, особенно летом. Примерно за 1 час до захода солнца (исключая зимнее время) расход лучистой энергии начинает превышать ее приход, и радиационный баланс становится отрицательным. Приблизительно через 1 час после восхода солнца он снова становится положительным. Суточный ход баланса днем при ясном небе примерно параллелен ходу прямой радиации. В течение ночи радиационный баланс обычно изменяется мало, но под влиянием переменной облачности он может изменяться значительно
Годовые суммы радиационного баланса положительны на всей поверхности суши и океанов, кроме районов с постоянным снежным или ледяным покровом, например Центральной Гренландии и Антарктиды. Севернее 40° северной широты и южнее 40° южной широты зимние месячные суммы радиационного баланса отрицательны, причем период с отрицательным балансом увеличивается в направлении к полюсам. Так, в Арктике эти суммы положительны только в летние месяцы, на широте 60° – в течение семи месяцев, а на широте 50° – в течение девяти месяцев. Годовые суммы радиационного баланса меняются при переходе с суши на море.
Радиационный баланс системы Земля-атмосфера представляет собой баланс лучистой энергии в вертикальном столбе атмосферы сечением 1 см 2 , простирающемся от деятельной поверхности до верхней границы атмосферы. Его приходная часть состоит из солнечной радиации, поглощенной деятельной поверхностью и атмосферой, а расходная – из той части длинноволнового излучения земной поверхности и атмосферы, которая уходит в мировое пространство. Радиационный баланс системы Земля-атмосфера положителен в поясе от 30° южной широты до 30° северной широты, а в более высоких широтах он отрицателен
Изучение радиационного баланса представляет большой практический интерес, так как этот баланс является одним из основных климатообразующих факторов. От его величины зависит тепловой режим не только почвы или водоема, но и прилежащих к ним слоев атмосферы. Знание радиационного баланса имеет большое значение при расчетах испарения, при изучении вопроса о формировании и трансформации воздушных масс, при рассмотрении влияния радиации на человека и растительный мир.
Страница 1 из 4
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛА И СВЕТА НА ЗЕМЛЕ
Солнце — звезда Солнечной системы, которая является для планеты Земля источником громадного количества тепла и ослепительного света. Несмотря на то, что Солнце находится от нас на значительном расстоянии и до нас доходит лишь небольшая часть его излучения, этого вполне достаточно для развития жизни на Земле. Наша планета вращается вокруг Солнца по орбите.
Солнечная радиация
Если с космического корабля наблюдать Землю в течение года, то можно заметить, что Солнце всегда освещает только какую-либо одну половину Земли, следовательно, там будет день, а на противоположной половине в это время будет ночь. Земная поверхность получает тепло только днем.
Наша Земля нагревается неравномерно.
Неравномерный нагрев Земли объясняется ее шарообразной формой, поэтому угол падения солнечного луча в разных районах различен, а значит, различные участки Земли получают различное количество тепла. На экваторе солнечные лучи падают отвесно, и они сильно нагревают Землю. Чем дальше от экватора, тем угол падения луча становится меньше, а следовательно, и меньшее количества тепла получают эти территории. Один и тот же по мощности пучок солнечного излучения обогревает у экватора гораздо меньшую площадь, так как он падает отвесно. Кроме того, лучи, падающие под меньшим углом, чем на экваторе, — пронизывая атмосферу, проходят в ней больший путь, вследствие чего часть солнечных лучей рассеивается в тропосфере и не доходит до земной поверхности. Все это свидетельствует о том, что при удалении от экватора к северу или к югу уменьшается температура воздуха, так как уменьшается угол падения солнечного луча.
23 4 Следующая >В конец >>
