5.2. Поняття про сонячну радіацію

Енергія, випромінювана Сонцем, називається сонячною радіацією. Взагалі електромагнітна радіація, або просто електромагнітне випромінювання це особлива форма матерії, що відрізняється від речовини. До неї належать гамма-промені, рентгенівські, ультрафіолетові та інфрачервоні промені, видиме світло та радіохвилі. Практично сонячна радіація - єдине джерело енергії для Землі та її атмосфери.

Велике значення має проблема з'ясування зв'язку сонячної активності з процесами, що протікають у земній атмосфері - проблема сонячно-земних зв'язків. Отримані на сьогоднішній день результати досліджень цієї проблеми вказують на дуже тісний взаємозв'язок процесів, зумовлених як хвильовими, так і корпускулярними випромінюваннями. Проте залишається незрозумілим механізм зв'язку з сонячною активністю погодотворчих процесів, що спостерігаються в тропосфері та стратосфері. Однак основний канал, по якому Сонце діє на Землю, - це перетворення інтегрального по всіх довжинах хвиль потоку променистої енергії в тепло.

Увесь спектр хвильового випромінювання Сонця поділяють на ряд областей: 1) Гамма-промені (λ < 10^-5 мкм); 2) Рентгенівське випромінювання (10^-5 < λ < 10^-2 мкм); 3) Ультрафіолетова радіація (0,01 < λ < 0,39 мкм); 4) Видиме світло (0,39 < λ < 0,75 мкм); 5) Інфрачервона радіація (0,76 < λ < 3000 мкм); 6) Радіохвильове випромінювання (λ > 0,3 см).

Практично вся енергія, яку Сонце випромінює у вигляді електромагнітних хвиль, надходить із шару фотосфери та поширюється в усіх напрямках із швидкістю близько 300 000 км/с. Більша частина випромінювання Сонця припадає на довжини хвиль від 0,29 до 2,4 мікрометра (мкм). Ця область носить назву оптичного вікна з тієї причини, що саме тут земна атмосфера найбільш прозора для сонячного випромінювання, тоді як випромінювання в дальніх короткохвильових та інфрачервоній областях майже повністю поглинається атмосферою. В інтервалі довжин хвиль радіохвильового випромінювання від 1 до 20 см (10⁴ – 10⁵ мкм) атмосфера теж прозора для такого випромінювання.

Кількість сонячної радіації, яка надходить до верхньої межі земної атмосфери за одиницю часу на одиничну поверхню, перпендикулярну до сонячних променів, при середній відстані від Землі до Сонця, називається сонячною сталою. Багаторічні вимірювання сонячної сталої показали, що ця величина дорівнює 1,37 кВт/м². Варто відмітити, що точного значення сонячної сталої внаслідок великих труднощів, які виникають при її визначенні, досі не встановлено. Не виключено, що сонячна стала зазнає деяких змін у часі під впливом коливань активності Сонця. Вважають, що вона змінюється не більше ніж на 2 %.

Земля обертається навколо Сонця протягом року по еліптичній орбіті з ексцентриситетом Э = 0,01673, завдяки чому земна куля виявляється то ближче, то далі від Сонця. З цієї причини прихід сонячного тепла на межі атмосфери змінюється за співвідношенням:

І = І_о/(r/r_o)², (5.2)

де r_o - середня відстань, а r- довільна відстань Землі від Сонця; І - потік сонячної радіації через одиничну площину, перпендикулярну до сонячних променів при відстані r; І₀ - сонячна стала.

Розрахунок за формулою (5.2) при І₀ = 1,37 кВт/м² показує, що на початку січня І = 1,44 кВт/м² , а на початку липня І = 1,35 кВт/м².

Кількість енергії, що випромінюється Сонцем, розподіляється між різними ділянками спектра так: ультрафіолетова область (λ < 0,39 мкм) - біля 9 %, видима ділянка спектра (0,39 мкм ≤ λ ≤ 0,76 мкм) - 47 %, інфрачервона область (λ ≥ 0,76 мкм) - 44 %.

Узагальнюючи викладене вище, відмітимо таке: 1) Сонце випромінює енергію в широкому діапазоні довжин хвиль; 2) Більше 99 % цієї енергії припадає на ділянку спектра, що знаходиться між 0,1 та 4 мкм. З цієї причини сонячну радіацію називають короткохвильовою, на відміну від інфрачервоної (довгохвильової) радіації Землі та атмосфери, більше 99 % якої припадає на інтервал довжин хвиль від 3 - 4 до 80 - 120 мкм.