Что такое прямая радиация. Радиационный баланс и его составляющие - Лекции - Материал по курсу "Учение об атмосфере" - Каталог статей - Метеорология и гидрология. Спектральный состав радиации

ЛЕКЦИЯ 2.

СОЛНЕЧНАЯ РАДИАЦИЯ.

План:

1.Значение солнечной радиации для жизни на Земле.

2. Виды солнечной радиации.

3. Спектральный состав солнечной радиации.

4. Поглощение и рассеивание радиации.

5.ФАР (фотосинтетически активная радиация).

6. Радиационный баланс.

1. Основным источником энергии на Земле для всего живого (растений, животных и человека) является энергия солнца.

Солнце представляет собой газовый шар радиусом 695300км. Радиус Солнца в 109 раз больше радиуса Земли (экваториальный 6378,2км, полярный 6356,8км). Солнце состоит в основном из водорода (64%) и гелия (32%). На долю остальных приходится всего 4% его массы.

Солнечная энергия является основным условием существова­ния биосферы и одним из главных климатообразующих факто­ров. За счет энергии Солнца воздушные массы в атмосфере не­прерывно перемещаются, что обеспечивает постоянство газово­го состава атмосферы. Под действием солнечной радиации ис­паряется огромное количество воды с поверхности водоемов , почвы, растений. Водяной пар, переносимый ветром с океанов и морей на материки, является основным источником осадков для суши.

Солнечная энергия - непременное условие существования зеленых растений, превращающих в процессе фотосинтеза сол­нечную энергию в высокоэнергетические органические веще­ства.

Рост и развитие растений представляют собой процесс усвоения и переработки солнечной энергии, поэтому сельскохозяйственное производство возможно только при условии поступления солнечной энергии на поверхность Земли. Русский ученый писал: « Дайте самому лучшему повару сколько угодно свежего воздуха, солнечного света, целую речку чистой воды, попросите, чтобы из всего этого он приготовил вам сахар, крахмал, жиры и зерно, и он решит, что вы над ним смеетесь. Но то, что кажется совершенно фантастическим человеку, беспрепятственно совершается в зеленых листьях растений под действием энергии Солнца». Подсчитано, что 1 кв. метр листьев за час продуцирует грамм сахара. В связи с тем, что Земля окружена сплошной оболочкой атмосферы, солнечные лучи, прежде чем достичь поверхности земли, проходят всю толщу атмосферы, которая частично отражает их, частично рассеивает, т. е. изменяет количество и качество солнечного света, поступающего на поверхность земли. Живые организмы чутко реагируют на изменение интенсивности освещенности, создаваемой сол­нечным излучением. Вследствие различной реакции на интен­сивность освещенности все формы растительности делят на све­толюбивые и теневыносливые. Недостаточная освещенность в посевах обусловливает, например, слабую дифференциацию тканей соломины зерновых культур. В результате уменьшаются крепость и эластичность тканей, что часто приводит к полега­нию посевов. В загущенных посевах кукурузы из-за слабой осве­щенности солнечной радиацией ослабляется образование почат­ков на растениях.

Солнечная радиация влияет на химический состав сельскохо­зяйственной продукции. Например, сахаристость свеклы и пло­дов, содержание белка в зерне пшеницы непосредственно зави­сят от числа солнечных дней. Количество масла в семенах под­солнечника, льна также возрастает с увеличением прихода сол­нечной радиации.

Освещенность надземной части растений существенно влия­ет на поглощение корнями питательных веществ. При слабой освещенности замедляется перевод ассимилятов в корни, и в результате тормозятся биосинтетические процессы, происходящие в клетках растений.

Освещенность влияет и на появление, распространение и развитие болезней растений. Период заражения состоит из двух фаз, различающихся между собой по реакции на световой фак­тор. Первая из них - собственно прорастание спор и проникно­вение заразного начала в ткани поражаемой культуры - в боль­шинстве случаев не зависит от наличия и интенсивности света. Вторая - после прорастания спор - наиболее активно проходит при повышенной освещенности.

Положительное действие света сказывается также на скорос­ти развития патогена в растении-хозяине. Особенно четко это проявляется у ржавчинных грибов. Чем больше света, тем коро­че инкубационный период у линейной ржавчины пшеницы, желтой ржавчины ячменя, ржавчины льна и фасоли и т. д. А это увеличивает число генераций гриба и повышает интенсивность поражения. В условиях интенсивного освещения у этого патоге­на возрастает плодовитость

Некоторые заболевания наиболее активно развиваются при недостаточном освещении, вызывающем ослабление растений и снижение их устойчивости к болезням (возбудителям разного рода гнилей, особенно овощных культур).

Продолжительность осве­щения и растения. Ритм сол­нечной радиации (чередова­ние светлой и темной части суток) является наиболее устойчивым и повторяющимся из года в год фактором внешней среды. В результате многолетних исследований физиологами ус­тановлена зависимость перехода растений к генеративному раз­витию от определенного соотношения длины дня и ночи. В свя­зи с этим культуры по фотопериодической реакции можно клас­сифицировать по группам: короткого дня, развитие которых задерживается при продол­жительности дня больше 10ч. Короткий день способствует закладке цветков, а длинный день препятствует этому. К таким культурам относятся соя, рис, просо, сорго, кукуруза и др.;

длинного дня до 12-13час., требующие для своего развития продолжитель­ного освещения. Их развитие ускоряется, когда продолжитель­ность дня составляет около 20 ч. К этим культурам относятся рожь, овес, пшеница, лен, горох, шпинат, клевер и др.;

нейтральные по отношению к длине дня , развитие которых не зависит от продолжительности дня, например томат, гречиха, бобовые, ревень.

Установлено, что для начала цветения растений необходимо преобладание в лучистом потоке определенного спектрального состава. Растения короткого дня быстрее развиваются, когда максимум излучения приходится на сине-фиолетовые лучи, а растения длинного дня - на красные. Продолжительность светлой части суток (астрономическая длина дня) зависит от времени года и географической широты. На экваторе продолжительность дня в течение всего года равна 12 ч ± 30 мин. При продвижении от экватора к полюсам после весеннего равноденствия (21.03) длина дня увеличивается к се­веру и уменьшается к югу. После осеннего равноденствия (23.09) распределение продолжительности дня обратное. В Северном полушарии на 22.06 приходится самый длинный день, продолжительность которого севернее Полярного круга 24 ч. Самый короткий день в Северном полушарии 22.12, а за Полярным кру­гом в зимние месяцы Солнце вообще не поднимается над гори­зонтом. В средних же широтах, например в Москве, продолжи­тельность дня в течение года меняется от 7 до 17,5 ч.

2. Виды солнечной радиации.

Солнечная радиация состоит из трех составляющих: прямой солнечной радиации, рассеянной и суммарной.

ПРЯМАЯ СОЛНЕЧНАЯ РАДИАЦИЯ S – радиация, поступающая от Солнца в атмосферу и затем на земную поверхность в виде пучка параллельных лучей. Ее интенсивность измеряется в калориях на см2 в минуту. Она зависит от высоты солнца и состояния атмосферы (облачность, пыль, водяной пар). Годовая сумма прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность территории Ставропольского края составляет 65-76 ккал/ см2/мин. На уровне моря при высоком положении Солнца (лето, полдень) и хорошей прозрачности прямая солнечная радиация составляет 1,5 ккал/ см2/мин. Это коротковолновая часть спектра. При прохождении потока прямой солнечной радиации через атмосферу происходит его ослабление, вызванное поглощением (около 15 %) и рассеянием (около 25 %) энергии газами, аэрозо­лями, облаками.

Поток прямой солнечной радиации, падающий на горизонтальную поверхность называют инсоляцией S = S sin ho – вертикальная составляющая прямой солнечной радиации.

S – количество тепла, получаемого перпендикулярной к лучу поверхностью,

ho – высота Солнца, т. е. угол, образованный солнечным лучом с горизонтальной поверхностью.

На границе атмосферы интенсивность солнечной радиации составляет So = 1,98 ккал/ см2/мин. – по международному соглашению 1958г. И называется солнечной постоянной. Такой бы она была у поверхности, если бы атмосфера была абсолютно прозрачной.

Рис. 2.1. Путь солнечного луча в атмосфере при разной высоте Солнца

РАССЕЯНАЯ РАДИАЦИЯ D – часть солнечной радиации в результате рассеяния атмосферой уходит обратно в космос, но значительная ее часть поступает на Землю в виде рассеянной радиации. Максимум рассеянной радиации + 1 ккал/ см2/мин. Отмечается при чистом небе, если на нем высокие облака. При пасмурном небе спектр рассеянной радиации сходен с солнечным. Это коротковолновая часть спектра. Длина волны 0,17-4мк.

СУММАРНАЯ РАДИАЦИЯ Q - состоит из рассеянной и прямой радиации на горизонтальную поверхность. Q = S + D .

Соотношение между прямой и рассеянной радиацией в со­ставе суммарной радиации зависит от высоты Солнца, облачно­сти и загрязненности атмосферы, высоты поверхности над уров­нем моря. С увеличением высоты Солнца доля рассеянной ра­диации при безоблачном небе уменьшается. Чем прозрачнее ат­мосфера и чем выше Солнце, тем меньше доля рассеянной радиации. При сплошной плотной облачности суммарная ради­ация полностью состоит из рассеянной радиации. Зимой вслед­ствие отражения радиации от снежного покрова и ее вторичного рассеяния в атмосфере доля рассеянной радиации в составе сум­марной заметно увеличивается.

Свет и тепло, получаемые растениями от Солнца, - результат действия суммарной солнечной радиации. Поэтому большое значение для сельского хозяйства имеют данные о суммах ради­ации, получаемых поверхностью за сутки, месяц, вегетационный период, год.

Отраженная солнечная радиация. Альбедо . Суммарная радиа­ция, дошедшая до земной поверхности, частично отражаясь от нее, создает отраженную солнечную радиацию (RK), направленную от земной поверхности в атмосферу. Значение отраженной ра­диации в значительной степени зависит от свойств и состояния отражающей поверхности: цвета, шероховатости, влажности и др. Отражательную способность любой поверхности можно ха­рактеризовать величиной ее альбедо (Ак), под которым понимают отношение отраженной солнечной радиации к суммарной. Аль­бедо обычно выражают в процентах:

Наблюдения показывают, что альбедо различных поверхнос­тей изменяется в сравнительно узких пределах (10...30 %), ис­ключение составляют снег и вода.

Альбедо зависит от влажности почвы, с возрастанием которой оно уменьшается, что имеет важное значение в процессе измене­ния теплового режима орошаемых полей. Вследствие уменьше­ния альбедо при увлажнении почвы увеличивается поглощаемая радиация. Альбедо различных поверхностей имеет хорошо выра­женный дневной и годовой ход, обусловленный зависимостью альбедо от высоты Солнца. Наименьшее значение альбедо на­блюдают в околополуденные часы, а в течение года - летом.

Собственное излучение Земли и встречное излучение атмосфе­ры. Эффективное излучение. Земная поверхность как физическое тело, имеющее температуру выше абсолютного нуля (-273 °С), является источником излучения, которое называют собственным излучением Земли (Е3). Оно направлено в атмосферу и почти пол­ностью поглощается водяным паром, капельками воды и угле­кислым газом, содержащимися в воздухе. Излучение Земли за­висит от температуры ее поверхности.

Атмосфера, поглощая небольшое количество солнечной ра­диации и практически всю энергию, излучаемую земной поверх­ностью, нагревается и, в свою очередь, также излучает энергию. Около 30 % атмосферной радиации уходит в космическое про­странство, а около 70 % приходит к поверхности Земли и назы­вается встречным излучением атмосферы (Еа).

Количество энергии, излучаемое атмосферой, прямо пропор­ционально ее температуре, содержанию углекислого газа, озона и облачности.

Поверхность Земли поглощает это встречное излучение по­чти целиком (на 90...99 %). Таким образом, оно является для земной поверхности важным источником тепла в дополнение к поглощаемой солнечной радиации. Это влияние атмосферы на тепловой режим Земли называют парниковым или оранжерейным эффектом вследствие внешней аналогии с действием стекол в парниках и оранжереях. Стекло хорошо пропускает солнечные лучи, нагревающие почву и растения, но задерживает тепловое излучение нагревшейся почвы и растений.

Разность между собственным излучением поверхности Земли и встречным излучением атмосферы называют эффективным из­лучением: Еэф.

Еэф= Е3-Еа

В ясные и малооблачные ночи эффективное излучение гораз­до больше, чем в пасмурные, поэтому больше и ночное охлажде­ние земной поверхности. Днем оно перекрывается поглощенной суммарной радиацией, вследствие чего температура поверхности повышается. При этом растет и эффективное излучение. Земная поверхность в средних широтах теряет за счет эффективного из­лучения 70...140 Вт/м2, что составляет примерно половину того количества тепла, которое она получает от поглощения солнеч­ной радиации.

3. Спектральный состав радиации.

Солнце, как источник излучения, обладает многообразием испускаемых волн. Потоки лучистой энергии по длине волн условно делят на ко­ротковолновую (X < 4 мкм) и длинноволновую (А. > 4 мкм) радиа­цию. Спектр солнечной радиации на границе земной атмосферы практически заключается между длинами волн 0,17 и 4 мкм, а земного и атмосферного излучения - от 4 до 120 мкм. Следова­тельно, потоки солнечного излучения (S, D, RK) относятся к ко­ротковолновой радиации, а излучение Земли (£3) и атмосферы (Еа) - к длинноволновой.

Спектр солнечной радиации можно разделить на три каче­ственно различные части: ультрафиолетовую (Y < 0,40 мкм), ви­димую (0,40 мкм < Y < 0,75 мкм) и инфракрасную (0,76 мкм < Y < 4 мкм). До ультрафиолетовой части спектра сол­нечной радиации лежит рентгеновское излучение, а за инфра­красной - радиоизлучение Солнца. На верхней границе атмос­феры на ультрафиолетовую часть спектра приходится около 7 % энергии солнечного излучения, 46 - на видимую и 47 % - на инфракрасную.

Радиацию, излучаемую Землей и атмосферой, называют даль­ней инфракрасной радиацией.

Биологическое действие разных видов радиации на растения различно. Ультрафиолетовая радиация замедляет ростовые про­цессы, но ускоряет прохождение этапов формирования репро­дуктивных органов у растений.

Значение инфракрасной радиации , которая активно поглощается водой листьев и стеблей растений, состоит в ее теп­ловом эффекте, что существенно влияет на рост и развитие рас­тений.

Дальняя инфракрасная радиация производит лишь тепловое действие на растения. Ее влияние на рост и развитие растений несущественно.

Видимая часть солнечного спектра , во-первых, создает осве­щенность. Во-вторых, с областью видимой радиации почти со­впадает (захватывая частично область ультрафиолетовой радиа­ции) так называемая физиологическая радиация (А, = = 0,35...0,75 мкм), которая поглощается пигментами листа. Ее энергия имеет важное регуляторно-энергетическое значение в жизни растений. В пределах этого участка спектра выделяется область фотосинтетически активной радиации.

4. Поглощение и рассеивание радиации в атмосфере.

Проходя через земную атмосферу, солнечная радиация ослабляется вследствие поглощения и рассеяния атмосферными газами и аэрозолями . При этом изменяется и ее спектральный состав. При различной высоте солнца и различной высоте пункта наблюдений над земной поверхностью длина пути, проходимого солнечным лучом в атмосфере, неодинакова. При уменьшении высоты особенно сильно уменьшается ультрафиолетовая часть радиации, несколько меньше – видимая и лишь незначительно – инфракрасная.

Рассеяние радиации в атмосфере происходит главным образом в результате непрерывных колебаний (флуктаций) плотности воздуха в каждой точке атмосферы, вызванных образованием и разрушением некоторых «скоплений» (сгустков) молекул атмосферного газа. Солнечную радиацию рассеивают также частицы аэрозоля. Интенсивность рассеяния характеризуется коэффициентом рассеяния.

К= добавить формулу.

Интенсивность рассеяния зависит от количеств рассеивающих частиц в единице объема, от их размера и природы, а также от длин волн самой рассеиваемой радиации.

Лучи рассеиваются тем сильнее, чем меньше длина волны. Например фиолетовые лучи рассеиваются в 14 раз сильнее красных, этим объясняется голубой цвет неба. Как отмечалось выше (см. разд. 2.2), прямая солнечная ради­ация, проходя через атмосферу, частично рассеивается. В чис­том и сухом воздухе интенсивность коэффициента молекуляр­ного рассеяния подчиняется закону Релея:

к= с/ Y 4 ,

где С - коэффициент, зависящий от числа молекул газа в единице объема; X - длина рассеиваемой волны.

Поскольку длина дальних волн красного света почти вдвое больше длины волн фиолетового света, первые рассеиваются молекулами воздуха в 14 раз меньше, чем вторые. Так как перво­начальная энергия (до рассеяния) фиолетовых лучей меньше, чем синих и голубых, то максимум энергии в рассеянном свете (рассеянной солнечной радиации) смещается на сине-голубые лучи, что и обусловливает голубой цвет неба. Таким образом, рассеянная радиация более богата фотосинтетически активными лучами, чем прямая.

В воздухе, содержащем примеси (мелкие капельки воды, кри­сталлики льда, пылинки и т. д.), рассеяние одинаково для всех участков видимой радиации. Поэтому небо приобретает белесо­ватый оттенок (появляется дымка). Облачные же элементы (крупные капельки и кристаллики) вообще не рассеивают сол­нечные лучи, а диффузно их отражают. В результате облака, ос­вещенные Солнцем, имеют белый цвет.

5. ФАР (фотосинтетическиактивная радиация)

Фотосинтетически активная радиация. В процессе фотосинте­за используется не весь спектр солнечной радиации, а только его

часть, находящаяся в интервале длин волн 0,38...0,71 мкм, - фо­тосинтетически активная радиация (ФАР).

Известно, что видимая радиация, воспринимаемая глазом че­ловека как белый цвет, состоит из цветных лучей: красных, оранжевых, желтых, зеленых, голубых, синих и фиолетовых.

Усвоение энергии солнечной радиации листьями растений селективно (избирательно). Наиболее интенсивно листья погло­щают сине-фиолетовые (X = 0,48...0,40 мкм) и оранжево-крас­ные (X = 0,68 мкм) лучи, менее - желто-зеленые (А. = 0,58...0,50 мкм) и дальние красные (А. > 0,69 мкм) лучи.

У земной поверхности максимум энергии в спектре прямой солнечной радиации, когда Солнце находится высоко, прихо­дится на область желто-зеленых лучей (диск Солнца желтый). Когда же Солнце располагается у горизонта, максимальную энергию имеют дальние красные лучи (солнечный диск крас­ный). Поэтому энергия прямого солнечного света мало участву­ет в процессе фотосинтеза.

Так как ФАР является одним из важнейших факторов про­дуктивности сельскохозяйственных растений, информация о ко­личестве поступающей ФАР, учет ее распределения по террито­рии и во времени имеют большое практическое значение.

Интенсивность ФАР можно измерить, но для этого необходимы специальные светофильтры, пропускающие только волны в диапазоне 0,38...0,71 мкм. Такие приборы есть, но на сети актинометрических станций их не применяют, а измеряют интен­сивность интегрального спектра солнечной радиации. Значение ФАР можно рассчитать по данным о приходе прямой, рассеян­ной или суммарной радиации с помощью коэффициентов, пред­ложенных, X. Г. Тоомингом и:

Qфар = 0,43 S " +0,57 D);

составлены карты распределения месячных и годовых сумм Фар на территории России.

Для характеристики степени использования посевами ФАР применяют коэффициент полезного использования ФАР:

КПИфар= (сумма Q / фар/сумма Q / фар) 100%,

где сумма Q / фар - сумма ФАР, затрачиваемая на фотосинтез за период вегетации расте­ний; сумма Q / фар - сумма ФАР, поступающая на посевы за этот период;

Посевы по их средним значениям КПИФАр разделяют на группы (по): обычно наблюдаемые - 0,5...1,5 %; хорошие-1,5...3,0; рекордные - 3,5...5,0; теорети­чески возможные - 6,0...8,0 %.

6. РАДИАЦИОННЫЙ БАЛАНС ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Разность между приходящими и уходящими потоками лучис­той энергии называют радиационным балансом земной поверхнос­ти (В).

Приходная часть радиационного баланса земной поверхности днем состоит из прямой солнечной и рассеянной радиации, а также излучения атмосферы. Расходной частью баланса являют­ся излучение земной поверхности и отраженная солнечная ра­диация:

B = S / + D + Ea - Е3- Rk

Уравнение можно записать и в другом виде: B = Q - RK - Еэф.

Для ночного времени уравнение радиационного баланса име­ет следующий вид:

В = Еа - Е3, или В = -Еэф.

Если приход радиации больше, чем расход, то радиационный баланс положительный и деятельная поверхность* нагревается. При отрицательном балансе она охлаждается. Летом радиацион­ный баланс днем положительный, а ночью - отрицательный. Переход через ноль происходит утром примерно через 1 ч после восхода Солнца, а вечером за 1...2 ч до захода Солнца.

Годовой радиационный баланс в районах, где устанавливает­ся устойчивый снежный покров, в холодное время года имеет отрицательные значения, в теплое - положительные.

Радиационный баланс земной поверхности существенно вли­яет на распределение температуры в почве и приземном слое ат­мосферы, а также на процессы испарения и снеготаяния, обра­зование туманов и заморозков, изменение свойств воздушных масс (их трансформацию).

Знание радиационного режима сельскохозяйственных угодий позволяет рассчитывать количество радиации, поглощенной по­севами и почвой в зависимости от высоты Солнца, структуры посева, фазы развития растений. Данные о режиме необходимы и для оценки разных приемов регулирования температуры и влажности почвы, испарения, от которых зависят рост и разви­тие растений, формирование урожая, его количество и качество.

Эффективными агрономическими приемами воздействия на радиационный, а следовательно, и на тепловой режим деятель­ной поверхности является мульчирование (покрытие почвы тон­ким слоем торфяной крошки, перепревшим навозом, древесны­ми опилками и др.), укрытие почвы полиэтиленовой пленкой, орошение. Все это изменяет отражательную и поглощательную способность деятельной поверхности.

* Деятельная поверхность - поверхность почвы, воды или растительности, которая непосредственно поглощает солнечную и атмосферную радиацию и отда­ет излучение в атмосферу, чем регулирует термический режим прилегающих слоев воздуха и нижележащих слоев почвы, воды, растительности.

ЛЕКЦИЯ 3

РАДИАЦИОННЫЙ БАЛАНС И ЕГО СОСТАВЛЯЮЩИЕ

Солнечная радиация, достигшая земной поверхности, частично отражается от нее, а частично поглощается Землей. Однако Земля не только поглощает радиацию, но и сама излучает длинно­волновую радиацию в окружающую атмосферу. Атмосфера, по­глощая некоторую часть солнечной радиации и большую часть излучения земной поверхности, сама тоже излучает длинноволновую радиацию. Большая часть этого излучения атмосферы направлена к земной поверхности. Она называется встречным излу­чением атмосферы .

Разность между приходящими к деятельному слою Земли и уходящими от него потоками лучистой энергии называют радиа­ционным балансом деятельного слоя.

Радиационный баланс состоит из коротковолновой и длинно­волновой радиации. Он включает в себя следующие элементы, называемые составляющими радиационного баланса: прямая ра­диация, рассеянная радиация, отраженная радиация (ко­ротковолновая), излучение земной поверхности, встречное излучение атмосферы .

Рассмотрим составляющие радиационного баланса.

Прямая солнечная радиация

Энергетическая освещенность прямой радиации зависит от вы­соты Солнца и прозрачности атмосферы и возрастает с увеличением высоты места над уровнем моря. Облака нижнего яруса обычно пол­ностью или почти не пропускают прямую радиацию.

Длины волн солнечной радиации, достигающей земной поверх­ности, лежат в интервале 0,29-4,0 мкм. Примерно половина ее энергии приходится на фртосинтетически активную радиацию . В области ФАР ослабление радиации с уменьшением высоты Солнца происходит быстрее, чем в области инфракрасной радиа­ции. Приход прямой солнечной радиации, как уже указывалось, зависит от высоты Солнца над горизонтом, меняющейся как в те­чение суток, так и в течение года. Это обусловливает суточный и годовой ход прямой радиации.

Изменение прямой радиации в течение безоблачного дня (су­точный ход) выражено одновершинной кривой с максимумом в истинный солнечный полдень. Летом над сушей максимум мо­жет наступить до полудня, так как к полудню увеличивается за­пыленность атмосферы.

При продвижении от полюсов к экватору приход прямой ра­диации в любое время года возрастает, так как при этом увеличивается полуденная вы­сота Солнца.

Годовой ход прямой радиа­ции наиболее резко выражен на полюсах, так как зимой солнечная радиация здесь во­обще отсутствует, а летом ее приход достигает 900 Вт/м². В средних широтах максимум прямой радиации иногда на­блюдается не летом, а весной, так как в летние месяцы вследствие увеличения содер­жания водяного пара и пыли уменьшается прозрачность атмосфе­ры/Минимум приходится на период, близкий ко дню зимнего солн­цестояния (декабрь). На экваторе наблюдаются два максимума, равные примерно 920 Вт/м² в дни весеннего и осеннего равноден­ствия, и два минимума (около 550 Вт/м²) в дни летнего и зимне­го солнцестояния.

Рассеянная радиация

Максимум рассеянной радиации обычно значительно меньше, чем максимум прямой. Чем больше высота Солнца и больше загрязненность атмосферы, тем больше поток рассеянной радиации. Облака, не закрывающие Солнца, увеличивают приход рассеянной радиации по сравнению с ясным небом. Зависимость прихода рассеянной радиации от облачности сложная. Она определяется видом и количеством об­лаков, их вертикальной мощностью и оптическими свойствами. Рассеянная радиация облачного неба может колебаться более чем в 10 раз.

Снежный покров, отражающий до 70-90% прямой радиации, увеличивает рассеянную радиацию, которая затем рассеивается в атмосфере. С увеличением высоты места над уровнем моря рас­сеянная радиация при ясном небе уменьшается.

Суточный и годовой ход рассеянной радиации при ясном небе в общем соответствует ходу прямой радиации. Однако утром рас­сеянная радиация появляется еще до восхода Солнца, а вечером она еще поступает в период сумерек, т. е. после захода. В годо­вом ходе максимум рассеянной радиации наблюдается летом.

Суммарная радиация

Сумму рассеянной и прямой радиации, падающей на го­ризонтальную поверхность, называют суммарной радиацией .

Она является основной составляющей радиа­ционного баланса. Её спектральный состав по сравнению с пря­мой и рассеянной радиацией более устойчив и почти не зависит от высоты Солнца, когда, она составляет более 15°.

Соотношение между прямой и рассеянной радиацией в составе суммарной радиации зависит от высоты Солнца, облачности и за­грязненности атмосферы. С увеличением высоты Солнца доля рас­сеянной радиации при безоблачном небе уменьшается. Чем проз­рачнее атмосфера, тем меньше доля рассеянной радиации. При сплошной плотной облачности суммарная радиация полностью со­стоит из рассеянной радиации. Зимой вследствие отражения ра­диации от снежного покрова и ее вторичного рассеяния в атмо­сфере доля рассеянной радиации в составе суммарной заметно увеличивается.

Приход суммарной радиации при наличии облачности меняет­ся в больших пределах. Наибольший приход ее наблюдается при ясном небе или при небольшой облачности, не закрывающей Солнца.

В суточном и годовом ходе изменения суммарной радиации почти прямо пропорциональны изменению высоты Солнца. В су­точном ходе максимум суммарной радиации при безоблачном не­бе приходится обычно на полуденное время. В годовом ходе мак­симум суммарной радиации отмечается в северном полушарии обычно в июне, в южном - в декабре.

Отраженная радиация. Альбедо

Часть суммарной радиации, приходящей к деятельному слою Земли, отражается от него. Отношение отраженной части радиа­ции к ко всей приходящей суммарной радиации называют от­ражательной способностью , или альбедо (А) данной подстилающей поверхности.

Альбедо поверхности зависит от ее цвета, шероховатости, влажности и других свойств.

Альбедо различных естественных поверхностей (по В. Л. Гаевскому и М. И. Будыко)

Альбедо водных поверхностей при высоте Солнца свыше 60° меньше, чем альбедо суши, поскольку солнечные лучи, проникая в воду, в значительной мере поглощаются и рассеиваются в ней. При отвесном падении лучей А = 2- 5%, при высоте Солнца мень­ше 10° А = 50- 70%. Большое альбедо льда и снега обусловлива­ет замедленный ход весны в полярных районах и сохранение там вечных льдов.

Наблюдения за альбедо суши, моря и облачного покрова про­водятся с искусственных спутников Земли. Альбедо моря позво­ляет рассчитывать высоту волн, альбедо облаков характеризует их мощность, а альбедо разных участков суши позволяет судить о степени покрытия полей снегом и о состоянии растительного покрова.

Альбедо всех поверхностей, а особенно водных, зависит от высоты Солнца: наименьшее альбедо бывает в полуденные часы, наибольшее - утром и вечером. Это связано с тем, что при ма­лой высоте Солнца в составе суммарной радиации возрастает до­ля рассеянной, которая в большей степени, чем прямая радиа­ция, отражается от шероховатой подстилающей поверхности.

Длинноволновое излучение Земли и атмосферы

Земное излучение несколько меньше излучения абсолютно черного тела при той же температуре.

Излучение земной поверхности происходит непрерывно. Чем выше температура излучающей поверхности, тем интенсивнее ее излучение. Также непрерывно происходит излучение атмосферы, которая, поглощая часть солнечной радиации и излучения земной поверхности, сама излучает длинноволновую радиацию.

В умеренных широтах при безоблачном небе излучение атмо­сферы составляет 280-350 Вт/м², а в случае облачного неба оно на 20-30% больше. Около 62-64% этого излучения направлено к земной поверхности. Приход его на земную поверхность состав­ляет встречное излучение атмосферы. Разность этих двух потоков характеризует потерю лучистой энергии деятельным слоем. Эту разность называют эффективным излучением Еэф .

Эффективное излучение деятельного слоя зависит от его тем­пературы, от температуры и влажности воздуха, а также от об­лачности. С повышением температуры земной поверхности Еэф увеличивается, а с повышением температуры и влажности возду­ха уменьшается. Особенно влияют на эффективное излучение об­лака, так как капли облаков излучают почти так же, как и дея­тельный слой Земли. В среднем Еэф ночью и днём при ясном небе в разных пунктах земной поверхности изменяется в пределах 70-140 Вт/м².

Суточный ход эффективного излучения характеризуется мак­симумом в 12-14 ч и минимумом перед восходом Солнца. Годовой ход эффективного излу­чения в районах с континентальным климатом характеризуется максимумом в летние месяцы и минимумом в зимние. В районах с морским климатом годовой ход эффективного излучения выра­жен слабее, чем в районах, расположенных в глубине континента

Излучение земной поверхности поглощается водяным паром и углекислым газом, содержащимися в воздухе. Но коротковол­новую радиацию Солнца атмосфера в значительной степени пропускает. Это свойство атмосферы называется «оранжерейным эф­фектом» , поскольку атмосфера при этом действует подобно стек­лам в теплицах: стекло хорошо пропускает солнечные лучи, на­гревающие почву и растения в теплице, но плохо пропускает во внешнее пространство тепловое излучение нагревшейся почвы. Расчеты показывают, что при отсутствии атмосферы средняя тем­пература деятельного слоя Земли была бы на 38°С, ниже факти­чески наблюдающейся и Земля была бы покрыта вечным льдом.

Если приход радиации больше расхода, то радиационный ба­ланс положителен и деятельный слой Земли нагревается. При отрицательном радиационном балансе этот слой охлаждается. Радиационный баланс днем обычно положителен, а ночью отри­цателен. Примерно за 1-2 ч до захода Солнца он становится от­рицательным, а утром, в среднем за 1 ч после восхода Солнца снова делается положительным. Ход радиационного баланса днем при ясном небе близок к ходу прямой радиации.

Изучение радиационного баланса сельскохозяйственных угодий позволяет рассчитывать количество радиации, поглощенной посевами и почвой, в зависимости от высоты Солнца, структуры посева, фазы развития растений. Для оценки разных приемов ре­гулирования температуры и влажности почвы, испарения и дру­гих величин определяют радиационный баланс сельскохозяйствен­ных полей при различных типах растительного покрова.

Методы измерения солнечной радиации и составляющих радиационного баланса

Для измерения потоков солнечной радиации применяются аб­солютные и относительные методы и соответственно разработаны абсолютные и относительные актинометрические приборы. Абсо­лютные приборы обычно применяют только для тарировки и по­верки относительных приборов.

Относительные приборы применяются при регуляр­ных наблюдениях на сети метеостанций, а также в экспедициях, и при полевых наблюдениях. Из них наиболее широко использу­ются термоэлектрические приборы: актинометр, пиранометр и альбедометр. Приемником солнечной радиации у этих приборов слу­жат термобатареи, составленные из двух металлов (обычно ман­ганина и константана). В зависимости от интенсивности радиации между Спаями термобатареи создается разность температур и воз­никает электрический ток различной силы, который измеряется гальванометром. Для перевода делений шкалы гальванометра в абсолютные единицы применяются переводные множители, ко­торые определяются для данной пары: актинометрический при­бор - гальванометр.

Актинометр термоэлектрический (М-3) Савино­ва - Янишевского служит для измерения прямой радиации, при­ходящий на поверхность, перпендикулярную к солнечным лучам.

Пиранометр (М-80М) Янишевского служит для измере­ния суммарной и рассеянной радиации, приходящей на горизон­тальную поверхность.

При наблюдениях приемная часть пиранометра устанавливает­ся горизонтально. Для определения рассеянной радиации пирано­метр затеняется от прямой радиации теневым экраном в виде круглого диска, закрепленного на стержне на расстоянии 60 см от приемной поверхности. При измерении суммарной радиации те­невой экран отводится в сторону

Альбедометр - это пиранометр, приспособленный также. Для измерения отраженной радиации. Для этого служит устрой­ство, позволяющее поворачивать приемную часть прибора вверх (для измерения прямой) и вниз (для измерения отраженной радиаций). Определив альбедометром суммарную и отраженную радиацию, вычисляют альбе­до подстилающей поверхности. Для полевых измерений использу­ют альбедометр походный М-69.

Балансомер термоэлектрический М-10М. Этот прибор применяется для измерения радиационного баланса под­стилающей поверхности.

Кроме рассмотренных приборов, используют также люкс­метры - фотометрические приборы для измерения освещенно­сти, спектрофотометры, различные приборы для измере­ния ФАР и т. д. Многие актинометрические приборы приспособ­лены для непрерывной записи составляющих радиационного баланса.

Важной характеристикой режима солнечной радиации являет­ся продолжительность солнечного сияния. Для ее определения служит гелиограф .

В полевых условиях наиболее часто применяются пиранометры, походные альбедометры, балансомеры и люксметры. Для на­блюдений среди растений наиболее удобны походные альбедомет­ры и люксметры, а также специальные микропиранометры.

Солнце является источником корпускуляр­ного и электромагнитного излучений. Корпус­кулярное излучение не проникает в атмосфе­ру ниже 90 км, тогда как электромагнитное достигает земной поверхности. В метеороло­гии его называют солнечной радиацией или просто радиацией. Она составляет одну двух­миллиардную долю от всей энергии Солнца и проходит путь от Солнца до Земли за 8,3 мин. Солнечная радиация - источник энергии поч­ти всех процессов, совершающихся в атмо­сфере и на земной поверхности. Она в основ­ном коротковолновая и состоит из невидимой ультрафиолетовой радиации - 9 %, видимой световой - 47 % и невидимой инфракрасной - 44 %. Поскольку почти половина солнечной радиации представляет собой видимый свет, Солнце служит источником не только тепла, но и света - тоже необходимого условия для жизни на Земле.

Радиацию, приходящую к Земле непосред­ственно от солнечного диска, называют пря­мой солнечной радиацией. Ввиду того что расстояние от Солнца до Земли велико, а Зем­ля мала, радиация падает на любую ее по­верхность в виде пучка параллельных лучей.

Солнечная радиация обладает определен­ной плотностью потока на единицу площади в единицу времени. За единицу измерения ин­тенсивности радиации принято количество энергии (в джоулях или калориях 1), которые получает 1 см 2 поверхности в минуту при пер­пендикулярном падении солнечных лучей. На верхней границе атмосферы при среднем рас­стоянии от Земли до Солнца она составляет 8,3 Дж/см 2 в мин, или 1,98 кал/см 2 в мин. Эта величина принята в качестве международ­ного стандарта и называется солнечной по­стоянной (S 0). Ее периодические колебания в течение года незначительны (+ 3,3 %) и обус­ловлены изменением расстояния от Земли до

1 1 кал=4,19 Дж, 1 ккал=41,9 МДж.

2 Полуденная высота Солнца зависит от географиче­ской широты и склонения Солнца.

Солнца. Непериодические колебания вызваны различной излучательной способностью Солн­ца. Климат на верхней границе атмосферы на­зывают радиационным или солярным. Он рас­считывается теоретически, исходя из угла на­клона солнечных лучей на горизонтальную поверхность.

В общих чертах солярный климат находит отражение на земной поверхности. В то же время реальная радиация и температура на Земле существенно отличаются от солярного климата за счет различных земных факторов. Главный из них - ослабление радиации в ат­мосфере за счет отражения, поглощения и рассеяния, а также в результате отражения радиации от земной поверхности.

На верхнюю границу атмосферы вся ради­ация приходит в виде прямой радиации. По данным С. П. Хромова и М. А. Петросянца, 21 % ее отражается от облаков и воздуха на­зад в космическое пространство. Остальная радиация поступает в атмосферу, где прямая радиация частично поглощается и рассеивает­ся. Оставшаяся прямая радиация (24 %) до­стигает земной поверхности, однако при этом ослабляется. Закономерности ослабления ее в атмосфере выражаются законом Бугера: S=S 0 ·p m (Дж, или кал/см 2 , в мин), где S - количество прямой солнечной радиации, дос­тигшей земной поверхности, на единицу пло­щади (см 2), расположенной перпендикулярно солнечным лучам, S 0 - солнечная постоян­ная, р - коэффициент прозрачности в долях от единицы, показывающий, какая часть ра­диации достигала земной поверхности, т - длина пути луча в атмосфере.

Реально же солнечные лучи падают на зем­ную поверхность и на любой другой уровень атмосферы под углом менее 90°. Поток пря­мой солнечной радиации на горизонтальную поверхность называют инсоляцией (5,). Она вычисляется по формуле S 1 =S·sin h ☼ (Дж, или кал/см 2 , в мин), где h ☼ - высота Солнца 2 . На единицу горизонтальной поверхности, ес­тественно, приходится меньшее количество

энергии, чем на единицу площади, располо­женной перпендикулярно солнечным лучам (рис. 22).

В атмосфере поглощается около 23 % и рассеивается около 32 % прямой солнечной радиации, входящей в атмосферу, причем 26 % рассеянной радиации приходит затем к земной поверхности, а 6 % уходит в Космос.

Солнечная радиация подвергается в атмо­сфере не только количественным, но и каче­ственным изменениям, поскольку газы возду­ха и аэрозоли поглощают и рассеивают сол­нечные лучи избирательно. Основными поглотителями радиации являются водяной пар, облака и аэрозоли, а также озон, кото­рый сильно поглощает ультрафиолетовую ра­диацию. В рассеянии радиации участвуют мо­лекулы разных газов и аэрозоли. Рассеяние - отклонение световых лучей во все стороны от первоначального направления, так что рассе­янная радиация приходит к земной поверх­ности не от солнечного диска, а от всего не­бесного свода. Рассеяние зависит от длины волн: по закону Рэлея, чем короче длина вол­ны, тем интенсивнее рассеяние. Поэтому боль­ше всех остальных рассеиваются ультрафио­летовые лучи, а из видимых - фиолетовые и синие. Отсюда голубой цвет воздуха и соот­ветственно неба в ясную погоду. Прямая же радиация оказывается в основном желтой, по­этому солнечный диск видится желтоватым. При восходе и заходе Солнца, когда путь луча в атмосфере длиннее и рассеяние боль­ше, поверхности достигают только красные лу­чи, отчего Солнце кажется красным. Рассеян­ная радиация обусловливает свет днем при пасмурной погоде и в тени при ясной погоде, с нею связано явление сумерек и белых но­чей. На Луне, где нет атмосферы и соответ­ственно рассеянной радиации, предметы, по­падающие в тень, становятся полностью не­видимыми.

С высотой, по мере уменьшения плотнос­ти воздуха и соответственно количества рас­сеивающих частиц, цвет неба становится тем­нее, переходит сначала в густо-синий, потом в сине-фиолетовый, что хорошо видно в го­рах и отражено на гималайских пейзажах Н. Рериха. В стратосфере цвет воздуха чер­но-фиолетовый. По свидетельству космонав­тов, на высоте 300 км цвет неба черный.

При наличии в атмосфере крупных аэро­золей, капель и кристаллов наблюдается уже не рассеяние, но диффузное отражение, а по­скольку диффузно отраженная радиация пред­ставляет собой белый свет, то цвет неба ста­новится белесым.

Прямая и рассеянная солнечная радиация имеют определенный суточный и годовой ход, который зависит прежде всего от высоты Солн-

Рис. 22. Приток солнечной радиации на поверхность АВ, перпендикулярную к лучам, и на горизонтальную поверх­ность АС (по С. П. Хромову)

ца над горизонтом, от прозрачности воздуха и облачности.

Поток прямой радиации в течение дня от восхода Солнца до полудня нарастает и потом убывает до захода Солнца в связи с измене­нием высоты Солнца и пути луча в атмосфе­ре. Однако, поскольку около полудня умень­шается прозрачность атмосферы за счет уве­личения водяного пара в воздухе и пыли и возрастает конвективная облачность, макси­мальные значения радиации смещены на пред-полуденные часы. Такая закономерность при­суща экваториально-тропическим широтам весь год, умеренным широтам летом. Зимой в умеренных широтах максимум радиации при­ходится на полдень.

Годовой ход среднемесячных значений пря­мой радиации зависит от широты. На эквато­ре годовой ход прямой радиации имеет вид двойной волны: максимумы в периоды весен­него и осеннего равноденствия, минимумы в периоды летнего и зимнего солнцестояния. В умеренных широтах максимальные значения прямой радиации приходятся на весенние (ап­рель в северном полушарии), а не на летние месяцы, так как воздух в это время прозрач­нее из-за меньшего содержания водяного па­ра и пыли, а также незначительной облачно­сти. Минимум радиации наблюдается в декаб­ре, когда наименьшая высота Солнца, короткий световой день, и это самый пасмурный месяц в году.

Суточный и годовой ход рассеянной ра­диации определяется изменением высоты Солнца над горизонтом и продолжительностью дня, а также прозрачностью атмосферы. Мак­симум рассеянной радиации в течение суток наблюдается днем при возрастании радиации в целом, хотя доля ее в утренние и вечерние часы больше, чем прямой, а днем, наоборот, прямая радиация преобладает над рассеянной. Годовой ход рассеянной радиации на экваторе в общем повторяет ход прямой. В остальных широтах она больше летом, чем зимой, из-за увеличения летом общего притока солнечной радиации.

Соотношение между прямой и рассеянной радиацией меняется в зависимости от высо­ты Солнца, прозрачности атмосферы и облач­ности.

Пропорции между прямой и рассеянной радиацией на разных широтах неодинаковы. В полярных и субполярных областях рассеян­ная радиация составляет 70 % от всего пото­ка радиации. На ее величину, кроме низкого положения Солнца и облачности, влияет так­же многократное отражение солнечной ради­ации от снежной поверхности. Начиная с уме­ренных широт и почти до экватора, прямая радиация преобладает над рассеянной. Осо­бенно велико ее абсолютное и относительное значение во внутриконтинентальных тропиче­ских пустынях (Сахара, Аравия), отличающих­ся минимальной облачностью и прозрачным сухим воздухом. Вдоль экватора рассеянная радиация вновь доминирует над прямой в свя­зи с большой влажностью воздуха и наличи­ем кучевых облаков, хорошо рассеивающих солнечную радиацию.

С возрастанием высоты места над уров­нем моря значительно увеличиваются абсолют-Рис. 23. Годовое количество суммарной солнечной ради­ации [МДж/(м 2 xгод)]

ная и относительная величины прямой радиа­ции и уменьшается рассеянная, так как становится тоньше слой атмосферы. На вы­соте 50-60 км поток прямой радиации при­ближается к солнечной постоянной.

Вся солнечная радиация - прямая и рассеянная, приходящая на земную поверх­ность, называется суммарной радиацией: (Q=S ·sinh ¤ +D где Q - суммарная радиация, S - прямая, D- рассеянная, h ¤ - высота Солнца над горизонтом. Суммарная радиация составляет около 50 % от солнечной радиации, приходящей на верхнюю границу атмосферы.

При безоблачном небе суммарная радиа­ция значительна и имеет суточный ход с мак­симумом около полудня и годовой ход с мак­симумом летом. Облачность уменьшает ради­ацию, поэтому летом приход ее в дополуденные часы в среднем больше, чем в послеполуден­ные. По той же причине в первую половину года она больше, чем во вторую.

В распределении суммарной радиации на земной поверхности наблюдается ряд законо­мерностей.

Главная закономерность заключается в том, что суммарная радиация распределяется зонально, убывая от экваториально-тропи-

ческих широт к полюсам в соответствии с уменьшением угла падения солнечных лучей (рис. 23). Отклонения от зонального распре­деления объясняются различной облачностью и прозрачностью атмосферы. Наибольшие го­довые величины суммарной радиации 7200 - 7500 МДж/м 2 в год (около 200 ккал/см 2 в год) приходятся на тропические широты, где малая облачность и небольшая влажность воз­духа. Во внутриконтинентальных тропических пустынях (Сахара, Аравия), где обилие пря­мой радиации и почти нет облаков, суммар­ная солнечная радиация достигает даже более 8000 МДж/м 2 в год (до 220 ккал/см 2 в год). Вблизи экватора величины суммарной радиа­ции снижаются до 5600 - 6500 МДж/м в год (140-160 ккал/см 2 в год) из-за значитель­ной облачности, большой влажности и мень­шей прозрачности воздуха. В умеренных ши­ротах суммарная радиация составляет 5000 - 3500 МДж/м 2 в год (≈ 120 - 80 ккал/см 2 в год), в приполярных - 2500 МДж/м в год (≈60 ккал/см 2 в год). Причем в Антарктиде она в 1,5-2 раза больше, чем в Арктике, прежде всего из-за большей абсолютной вы­соты материка (более 3 км) и потому малой плотности воздуха, его сухости и прозрачнос­ти, а также малооблачной погоды. Зональ­ность суммарной радиации лучше выражена над океанами, чем над континентами.

Вторая важная закономерность суммар­ной радиации заключается в том, что мате­рики получают ее больше, чем океаны, бла­годаря меньшей (на 15-30 %) облачности над

континентами. Исключение составляют лишь приэкваториальные широты, поскольку днем над океаном конвективная облачность мень­ше, чем над сушей.

Третья особенность состоит в том, что в северном, более материковом полушарии суммарная радиация в целом больше, не­жели в южном океаническом.

В июне наибольшие месячные суммы сол­нечной радиации получает северное полуша­рие, особенно внутриконтинентальные тропи­ческие и субтропические области. В умерен­ных и полярных широтах количество радиации по широтам изменяется незначительно, так как уменьшение угла падения лучей компенсиру­ется продолжительностью солнечного сияния, вплоть до полярного дня за Северным поляр­ным кругом. В южном полушарии с увеличе­нием широты радиация быстро убывает и за Южным полярным кругом равна нулю.

В декабре южное полушарие получает боль­ше радиации, чем северное. В это время наи­большие месячные суммы солнечного тепла приходятся на пустыни Австралии и Калаха­ри; далее в умеренных широтах радиация по­степенно уменьшается, но в Антарктиде вновь растет и достигает таких же значений, как в тропиках. В северном полушарии с увеличе­нием широты она быстро убывает и за Се­верным полярным кругом отсутствует.

В целом наибольшая годовая амплитуда суммарной радиации наблюдается за полярны­ми кругами, особенно в Антарктиде, наимень­шая - в экваториальной зоне.

Под прямой солнечной радиацией, которую нередко называют просто солнечной радиацией, понимают радиацию, доходящую до места наблюдения в виде пучка па­раллельных лучей непосредственно от Солнца.

Потоки солнечной радиации на перпендикулярную лучам (I ) и горизонтальную (I΄ = I sin h ) поверхности зависят от следующих факторов: а) солнечной постоянной; б) расстояния между Землей и Солнцем (поток I 0 ) на верхней границе атмосферы в январе примерно на 3,5 % больше, а в июле на 3,5 % меньше, чем I * 0 ); в) физического состояния атмосферы над пунктом наблюдения (содержания поглощающих газов и твердых атмосферных примесей, наличия облаков и туманов); г) высоты Солнца.

В зависимости от указанных факторов потоки I к I ΄ изменяются в широких пре­делах. В каждом пункте они имеют отчетливо выраженный суточный и годовой ход (максимумы I и I ΄ течение суток наблюдаются в местный полдень). Хотя высота Солнца (от которой зависит т .) и оказывает большое влияние на потоки солнечной радиации, но не меньшее влияние оказывает и замутненность атмосферы. Это под­тверждают максимальные (из полуденных) значения потока I , которые когда-либо наблюдались в различных пунктах (табл. 6.3 и 6.4). Из приведенных в табл. 6.3 дан­ных следует, что несмотря на большое различие в широте станций и, следовательно, в максимальной высоте Солнца, различие I макс на них невелико. Более того, на о. Диксон значение I макс больше, чем в пунктах, расположенных южнее. Объясняет­ся это тем, что атмосфера в низких широтах содержит больше водяного пара и при­месей, чем в высоких.

6.5. Рассеянная радиация

Рассеянная радиация представляет собой солнечную радиацию, претерпевшую рассеяние в атмосфере. Количество рассеянной радиации, поступающей на единич­ную горизонтальную поверхность в единицу времени, носит название потока рассе­янной радиации; поток рассеянной радиации будем обозначать через i . Поскольку первоисточником рассеянной радиации служит прямая солнечная радиация, поток i должен зависеть от факторов, которые определяют I , а именно: а) высоты Солнца h (чем больше h , тем больше i ); б) прозрачности атмосферы (чем больше р , тем меньше i ; в) облачности.

6.6. Суммарная радиация

Потоком суммарной радиации Q называется сумма потоков прямой (I΄) и рассе­янной (i ) солнечной радиации, поступающих на горизонтальную поверхность. Путем решения приближенных уравнений переноса радиации К. Я. Кондратьев и др. по­лучили следующую формулу для потока суммарной радиации при безоблачных усло­виях:

Здесь τ - оптическая толщина для интегрального потока, которую, как показано О. А. Авасте, можно полагать равной τ 0,55 - оптической толщине для монохромати­ческого потока с λ = 0,55 мкм; ε - множитель, принимающий при разных высотах Солнца следующие значения:

6.7. Альбедо

Альбедо, или отражательной способностью какой-либо поверхности, как уже указывалось, называют отношение потока отраженной данной поверхностью радиа­ции к потоку падающей радиации, выраженное в долях единицы или в процентах.

Наблюдения показывают, что альбедо различных поверхностей изменяется в сравнительно узких пределах (10-30 %); исключение составляют снег и вода. .

Солнечная радиация, которая является основным источником энергии для всех процессов на Земле, в том числе и в атмосфере распространяется по всем направлениям в виде электромагнитных волн. Общий поток солнечной энергии вне атмосферы при среднем расстоянии между Землей и Солнцем (149,6х10 6 км) считают постоянной величиной. Энергетическую освещенность солнечной радиации, падающей на площадку единичной площади, перпендикулярную солнечным лучам в единицу времени на верхней границе атмосферы при среднем расстоянии от Земли до Солнца называют солнечной постоянной S о.

Ослабление солнечной радиации при ее прохождении через атмосферу.

Ослабление прямой солнечной радиации при ее прохождении от верхней границы атмосферы до земной поверхности определяется формулой Бугера

S = S 0 p m (1),

где S - энергетическая освещенность солнечной радиацией площадки у земной поверхности, перпендикулярной к солнечным лучам;

S 0 - солнечная постоянная;

p - интегральный коэффициент прозрачности атмосферы;

m - оптическая масса атмосферы, пройденной солнечными лучами.

При m= 1, т.е. при Солнце в зените,

S=S 0 p,p=S/S 0 .

Следовательно, коэффициент прозрачности показывает, какая доля солнечной радиации доходит до земной поверхности при отвесном падении солнечных лучей.

При h c = 0, т.е. при Солнце на горизонте,mравна не бесконечности, а 35.

Ослабление радиации путем поглощения и рассеяния можно разделить на две части: ослабление постоянными газами (идеальной атмосферой) и ослабление водяным паром и аэрозольными примесями.

Соотношение коэффициента прозрачности идеальной атмосферы (р i) к коэффициенту прозрачности реальной атмосферы (р) называетсяфактором мутности (К м ). Он показывает, какое число идеальных атмосфер нужно взять, чтобы получить такое же ослабление радиации, какое производит реальная атмосфера.

К м = lg р/ lg р i

Значения К м определяются с точностью до сотых.

Приход солнечной радиации на земную поверхность.

Энергетическая освещенность прямой солнечной радиацией горизонтальной поверхности (S  инсоляция) вычисляется по формуле:

S  = S sin h c ,

где S - прямая радиация на перпендикулярную поверхность;

h c - высота Солнца в момент, когда вычисляется S.

Энергетическая освещенность суммарной солнечной радиации вычисляется по формуле:

Q = S  + D ,

где S- энергетическая освещенность прямой радиации на горизонтальную поверхность;

D- энергетическая освещенность рассеянной солнечной радиации.

Эти мгновенные (правильнее - секундные) значения выражаются в кВт/м 2 с точностью до сотых.

Действительные часовые, суточные, месячные и годовые энергетические экспозиции солнечной радиации на горизонтальную поверхность определяются путем численного интегрирования функций, выражающих зависимость радиации от времени. Энергетические экспозиции за определенный интервал времени называют часовыми, суточными, месячными и годовыми суммами соответствующей (прямой, рассеянной, суммарной) радиации и обозначают  ч S, сут D. Все эти суммы выражаются в МДж/м 2 , часовые и суточные с точностью до сотых, месячные - до единиц, годовые до десятков.

Отражение и поглощение солнечной радиации деятельным слоем.

Коэффициент отражения солнечной радиации деятельным слоем - A (альбедо) - определяется как отношение:

A = Q отр / Q ,

где Q отр - отраженная радиация, т.е. отразившаяся часть суммарной радиации (кВт/м 2).

Q- суммарная солнечная радиация (кВт/м 2).

Альбедо выражается в долях единицы с точностью до сотых или в процентах. Часть суммарной радиации (кВт/м 2), поглощенная деятельным слоем, составляет:

Q п = Q (1 – A )

Эту величину (Q п) называют поглощенной радиацией или коротковолновым радиационным балансом. В последнем случае ее обозначают В к

Излучение деятельного слоя.

Энергетическая светимость деятельного слоя (Е с) вычисляется по формуле:

E с =  T 0 4 ,

где - коэффициент теплового излучения, называемый также коэффициентом черноты,

 - постоянная Стефана-Больцмана, 5, 67 х10 -8 вт/ м 2 х К

Т 0 - температура деятельного слоя (К).

Произведение Т 0 4 при разных температурах затабулировано (приложение 1).

Эти же значения характеризуют поглощательные свойства деятельного слоя по отношению к падающей на него длинноволновой радиации.

Излучение деятельного слоя называют также собственным излучением. Мгновенные (секундные) значения Е с и энергетические экспозиции этого излучения за различные интервалы (суммы) выражаются в тех же единицах и с тем же округлением, что и соответствующие характеристики коротковолновой радиации.

Встречное излучение.

Энергетическая освещенность деятельного слоя встречным излучением при ясном небе определяется по формуле Брента:

Е А =Т А 4 (D+G)

где -Т А - температура воздуха (К) на высоте 2 м над земной поверхностью, е -парциальное давление водяного пара (гПа) на той же высоте,DиG- постоянные (D=0,61,G=0,05).

Поглощенная (Е А п) и отраженная (Е А отр) деятельным слоем части встречного излучения определяются соотношениями:

Е А п =  Е А , Е А отр = (1-  ) Е А

где Е А, Е А п и Е А отр выражаются в тех же единицах, что и Е с.

Эффективное излучение и радиационный баланс деятельного слоя.

Эффективное излучение деятельного слоя (Е эф) при ясном небе определяется соотношением:

E эф = E с -  E в ,

где Е с - собственное излучение;

Е в - встречное излучение.

 - коэффициент черноты.

Эффективное излучение, взятое со знаком минус, представляет собой длинноволновый радиационный баланс

В д =  E в - E с

Эффективное излучение при наличии облачности характеризуется соотношением:

Е эф о = Е эф я (1-С н n н -С с n с -С в n в),

где Е эф о - эффективное излучение при облачности разного яруса,

Е эф я - эффективное излучение при ясном небе,

С- эмпирические облачные коэффициенты для облачности разного яруса (С н - нижнего, равный 0,076, С с - среднего, равный 0,052, и С в - верхнего -0,022).

n н,n с, n в - количество облаков в баллах по ярусам

Радиационный баланс деятельного слоя характеризуется соотношением:

R = (S  + D ) (1- A ) - E эф

Мгновенные значения радиационного баланса деятельного слоя и его суммы выражаются в тех же единицах и с таким же округлением, как и все остальные потоки радиации.