6.3. Розподіл сонячної радіації по земній кулі при відсутності атмосфери

Сонячна радіація поширюється в усіх напрямках з кожної точки поверхні Сонця. Радіацію, яка надходить до земної поверхні безпосередньо від сонячного диску, називають прямою сонячною радіацією. Оскільки відстань від Землі до Сонця дуже велика, то пряма радіація падає на будь-яку поверхню Землі у вигляді пучка паралельних променів, які надходять майже з нескінченності. Густина потоку прямої сонячної радіації - це кількість прямої сонячної радіації (її променистої енергії), яка надходить від сонячного диску за одиницю часу на одиницю площі, перпендикулярну до її променів (Вт/м²). Зазначимо, що під густиною потоку радіації розуміють потік радіації (випромінювання), який припадає на одиницю поверхні. Це може бути радіація, що падає на поверхню (енергетична освітленість), або радіація, яка випромінюється самою поверхнею (енергетична світність). Густину потоку радіації часто називають інтенсивністю радіації. Однак більш точно під інтенсивністю радіації розуміють кількість променистої енергії (монохроматичної або інтегральної), яка переноситься від джерела радіації в одиничному тілесному куті за одиницю часу через одиничну площину, розташовану перпендикулярно до променів (Вт/м² ср). Для прямої сонячної радіації поняття інтенсивність радіації та густина потоку радіації збігаються. Легко зрозуміти, що інтенсивність радіації, яка припадає на одиницю горизонтальної поверхні, буде - меншою, оскільки та кількість променистої енергії, яка надходить на поверхню, перпендикулярну сонячним променям, розподілиться вже на значно більшу горизонтальну поверхню, яка утворюється пучком сонячних променів, нахилених до горизонтальної поверхні.

Потік сонячної радіації на горизонтальну поверхню нерідко називають інсоляцією (I^/).

Рис. 1. Ілюстрація зв'язку між потоками сонячної радіації на перпендикулярну (І₀) та горизонтальну (I^/) поверхню

Рис. 1 дає наочне уявлення про встановлення зв'язку між потоками сонячної радіації на перпендикулярну (І₀) та горизонтальну (I^/) поверхні.

З рисунка видно, що кількість радіації, яка припадає на перпендикулярну поверхню (S), дорівнює кількості радіації, що припадає на горизонтальну поверхню (S^/).

IS=I^/S^/ (5.3)

Із (5.2) випливає, що I^/=IS/S^/. Але, згідно з рис.1,

S/S^/=AB/AC=Sin h_©.

Тоді

I^/=I Sinh_©,

або

I^/=I₀/(r/r₀)² Sinh_©, (5.4)

де h - висота Сонця над горизонтом (у градусах) у довільний момент часу.

Із (5.4) випливає, що кількість радіації, яка припадає на одиницю горизонтальної поверхні, виявляється меншою, ніж на одиницю перпендикулярної до сонячних променів поверхні.

Оскільки всі види енергії еквівалентні, то променисту енергію можна виразити в одиницях будь-якого виду енергії, тобто у ватах на метр квадратний (Вт/м²).

Розподіл сонячної радіації по земній кулі при відсутності атмосфери або на верхній межі атмосфери та зміна її в часі визначається суто астрономічними чинниками: обертанням Землі навколо Сонця, нахилом осі обертання Землі відносно площини орбіти Землі, добовим обертанням Землі.

Для того, щоб уявити собі картину розподілу добової інсоляції по земній кулі та її зміну в часі, необхідно обчислити цю характеристику потоку сонячної радіації на різних широтах та для різних моментів часу (t), а потім представити розрахунки у вигляді графіка.

Легко зрозуміти, що добова інсоляція (Q) визначиться із співвідношення:

, або (5.5)

З астрономії відомо, що

Sin h_© = SinφSinδ + CosφCosδCos (5.6)

де φ - географічна широта місця спостереження; δ - схилення Сонця (пора року); - часовий кут; t - час, відрахований від полудня; П - період обертання Землі.

Тоді з урахуванням (5.4) та (5.6) рівняння (5.5) запишеться:

(5.7)

де ±t₀ – моменти сходу та заходу Сонця, які визначаються з умови Sinh_©=0.

Формула (5.7), яка оцінює добову інсоляцію, показує, що величина добової інсоляції в тій чи іншій точці земної кулі залежить тільки від широти місця φ і схилення Сонця δ (пори року).

Місяці

Рис. 2. Розподіл інсоляції на різних широтах у різні пори року

На рис. 2 зображені результати розрахунку добової інсоляції на різних широтах у різні пори року. Величини добової інсоляції, вказані на рис. 2, наведені в кал/см добу. Видно, що в день літнього сонцестояння (δ = 23,5°) добова інсоляція досягає максимуму над Північним полюсом. Інший максимум Q в північній півкулі спостерігається на широті 43,5°, де вплив меншої тривалості дня перекривається більшою висотою Сонця в години, ближчі до полудня. У день зимового сонцестояння (δ = - 23,5°) добова інсоляція дорівнює нулю на всіх широтах, розташованих північніше полярного круга (φ = - 66,5°), а з наближенням до екватора інсоляція монотонне зростає. На Південному полюсі в цей день добова інсоляція досягає максимуму й розподіляється вона в південній півкулі аналогічно розподілу добової інсоляції в північній півкулі в день літнього сонцестояння.