Лекция № 5 Световой климат

Световым климатом называется совокупность данных о природных ресурсах световой энергии в том или ином районе строительства за период не менее десяти лет.

Почему же различные регионы имеют различный световой климат? Что бы ответить на этот вопрос рассмотрим сначала гипотетическую модель Земли, на которую параллельным потоком падают световые лучи. На экваторе, если брать, к примеру, полуденные часы, солнечные лучи падают перпендикулярно к поверхности земли и освещенность при этом максимальна, т.к. она прямопропорциональна косинусу угла между лучом и нормалью к поверхности (см. формулу 5 и рис. 6). При перемещении к полюсам земного шара этот угол увеличивается и освещенность становится все меньше. Следовательно, определенной широте местности соответствует свой уровень освещенности.

На экваторе солнечный луч проходит минимальное расстояние в атмосфере и, соответственно, будет минимальное поглощение. К полюсам расстояние прохождения через атмосферу увеличивается и к поверхности световой поток доходит сильно ослабленным. Поэтому наряду с

углом падения действует фактор ослабления света атмосферой в зависимости от широты местности. Это факторы общего плана.

Также оказывают влияние орография (холмы, впадины, склоны различной ориентации, горы), соотношение водных поверхностей и суши, оказывающее влияние на облачность, которая сильно сказывается на освещенности, и другие факторы.

Основные характеристики светового климата

Как видим, в результате воздействия многочисленных факторов каждый регион имеет свои природные световые ресурсы, как по количественным, так и по качественным характеристикам.

Световой климат включает следующие характеристики:

• интенсивность природной световой энергии;

• соотношения между прямой, рассеянной и отраженной составляющими;

• яркость небосвода; распределение яркости при разной погоде;

• динамика освещения.

Солнечное излучение, падающее на землю, претерпевает изменения вследствие его отражения, рассеяния и поглощения атмосферой и подстилающим слоем земной поверхности.

Поэтому основными составляющими дневной освещенности под открытым небосводом являются:

• прямой солнечный свет Е_с;

• рассеянный (диффузный) свет неба Е_н;

• отраженный свет от земли и наземных объектов Е_з.

Таким образом, общая освещенность в ясный день на открытом месте Е_о составляет:

Е_о = Е_с + Е_н + Е_з. (19)

Прямой солнечный свет представляет собой световой поток, идущий непосредственно от Солнца, принадлежащего к числу желтых звезд-карликов, и удаленного в среднем от Земли на

149,6 ·10⁶ км. Это расстояние принимается за единицу (астрономическая единица). Радиус солнечного шара составляет 696000 км, что в 109,1 раза больше среднего радиуса Земли. Несмотря

на такие колоссальные размеры, солнечный диск на небосводе невелик и его видимый угловой диаметр составляет в среднем 0^о , а телесный угол равен 1,6989·10^-5 стерадиан. Основными характеристиками, которые определяют излучательную способность Солнца, служат солнечные постоянные – световая и тепловая.

Световая солнечная постоянная представляет собой освещенность площадки, расположенной перпендикулярно солнечным лучам и удаленной от Солнца на расстояние, равное астрономической единице (т.е. площадка расположена на внешней границе атмосферы Земли). Приближенное значение световой солнечной постоянной на внешней границе атмосферы составляет 135000 – 137000 лк. Соответствующая этой освещенности средняя яркость Солнца, как уже отмечалось, L_с = 2 ·10⁹ кд/м².

При заданном коэффициенте пропускания света атмосферой _а, который зависит от высоты стояния Солнца и прозрачности воздуха p, прямая освещенность на горизонтальной поверхности Е_с определяется по формуле

Е_с = , (20)

где - прямая освещенность на плоскость, перпендикулярную направлению солнечных лучей, лк;

h_о – угловая высота стояния Солнца над горизонтом, град.

= , (21)

где ² – расстояние от Солнца в заданный момент в астрономических единицах; определяется по астрономическим таблицам (для инженерных расчетов   1);

р – прозрачность воздуха (для крупных городов с загрязненной атмосферой р = 0,6; для сельских районов р = 0,7; для горных областей р = 0,8);

М – воздушная масса, которую необходимо преодолеть солнечным лучам при прохождении через атмосферу. Значения М в зависимости от угловой высоты солнцестояния h_o представлены в таблице Бемпорада (табл. 6, рис. 17).

Значения воздушной массы в зависимости от угловой высоты солнцестояния

Таблица 6

ho, град	0	5	10	20	30	40	50	60	70	80	90
М	26,96	10,4	5,6	3,2	2,0	1,6	1,3	1,2	1,1	1,015	1,00

Т аким образом, прямая освещенность окончательно определяется таким образом

Е_с = sinh_o. (22)

П

Рис. 17. Схема к определению воздуш-

ной массы

ри прохождении через атмосферу прямые лучи Солнца рассеиваются и доходят до поверхности земли в виде диффузного света неба. Рассеивание в атмосфере бывает двух видов. Молекулярное – рассеивание частицами, размеры которых значительно меньше длины волны падающего света. Это рассеивание происходит в коротковолновой части спектра ( = 475 – 490 нм), что соответствует синему цвету. Аэрозольное – рассеивание частицами, размеры которых больше длины волны падающего света. Спектральный состав этого рассеивания смещается в длинноволновую часть и имеет в основном нейтральные цвета (облака, дымка).

Рассеянная наружная освещенность от диффузного неба зависит в основном от высоты стояния Солнца и характера облачности. Существенное влияние на освещенность оказывают также прозрачность воздуха и состояние земного покрова.

Чтобы определить горизонтальную рассеянную освещенность от диффузного неба можно воспользоваться зависимостями из закона проекции телесного угла

Е_н = L_ср·, (23)

где L_ср – средняя яркость диффузного неба.

Дошедший до поверхности земли прямой свет от солнца и диффузный свет от неба отражается от нее и попадает на поверхность потолка помещения, имеющей высокий коэффициент отражения. Затем, отражаясь от потолка, поступает на рабочую поверхность, создавая при этом дополнительный световой поток. Влияние отраженного света в облачную погоду проявляется в большей степени, чем в ясную, так как происходит многократное отражение от земли и облаков, увеличивая, таким образом, общую величину светового потока.

Главным фактором, определяющем величину отраженного света, является коэффициент отражения подстилающей поверхности земли _з . Некоторые значения коэффициентов отражения от естественных поверхностей представлены ниже:

• снег тающий – 0,8;

• снег свежевыпавший – 0,9;

• море - 0,035;

• луг зеленый сочный – 0,064;

• песок обыкновенный – 0,24;

• слой облаков – 0,8.

Для определения отраженной составляющей Е_з необходимо значение суммарной освещенности (прямая + диффузная) умножить на коэффициент отражения земной поверхности _з :

Е_з = ( sinh_o + L_ср·)·_з. (24)

Итак, общая освещенность определится по следующей формуле:

Е_о = Е_с + Е_н + Е_з = ( sinh_o + L_ср·) + ( sinh_o + L_ср·)·_з ;

Е_о = ( sinh_o + L_ср·)·(1 + _з). (25)