6.2. Розсіювання сонячної радіації в атмосфері

Розсіювання радіації - часткове перетворення радіації, яка має певний напрямок поширення (а саме такою є пряма сонячна радіація, що поширюється у вигляді паралельних променів), у радіацію, що йде по всіх напрямках.

Розсіювання радіації в атмосфері відбувається, передусім, молекулами атмосферних газів та аерозолями. Інтенсивність розсіювання залежить від кількості розсіюючих часточок в одиниці об'єму, від їх величини й природи, а також від довжин хвиль самої радіації, що розсіюється.

За законом Релея в чистому повітрі, де розсіювання відбувається на молекулах і комплексах молекул, розміри яких не перевищують 0,1 довжини хвилі розсіюваної радіації, інтенсивність молекулярного розсіювання обернено пропорційна четвертому степеню довжин хвиль розсіюваних променів

, (6.1)

де І_λ, - потік прямої радіації з довжиною хвилі λ; і_λ - потік розсіяної радіації з цією ж довжиною хвилі, n - показник заломлення повітря, який залежить від густини повітря та його діелектричних властивостей; N - кількість молекул повітря в одиниці об'єму.

З аналізу формули (6.1) випливає, що в чистому та сухому повітрі промені розсіюються тим сильніше, чим менша довжина їх хвилі. Так, фіолетові промені розсіюються в 14 разів сильніше, ніж червоні. Що ж стосується розсіювання радіації на аерозолях, то розсіювання частинками домішок, розміри яких більші від довжини хвилі розсіяного світла, не підлягає закону Релея. Зокрема, для частинок, радіус яких більший за 10^-3 см (наприклад, для крапель хмар і туманів та інших частинок), розсіювання не залежить від довжини хвилі й однакове для всіх ділянок спектру.

У результаті процесу розсіювання пряма сонячна радіація (її потік) послаблюється. Для земної ж поверхні втрати прямої сонячної радіації частково компенсуються розсіяною радіацією, яка надходить до земної поверхні з усього небосхилу. Кількість як молекулярної, так і аерозольної розсіяної радіації, яка надходить за одиницю часу на одиницю горизонтальної поверхні з усього небосхилу, має назву потоку розсіяної радіації (позначається літерою i та виражається в Дж/м² с або Вт/м²). Так як першоджерелом розсіяної радіації є пряма сонячна радіація, то потік i повинен залежати від чинників, які визначають величину потоку прямої сонячної радіації, а саме: а) від висоти сонця h_© (чим більше h_©, тим більше і); б) від прозорості атмосфери (чим прозоріша атмосфера, тим менше i); в) від хмарності (роль розсіяної радіації в інсоляції збільшується при наявності хмар). Окрім хмарності великий вплив на розсіяну радіацію здійснює сніговий покрив. Так, при наявності снігового покриву збільшується відбиття прямої сонячної радіації, повторне розсіювання якої в атмосфері призводить до збільшення і.

6.3. Явища, пов'язані із розсіюванням радіації

1. Блакитний колір неба. Розглядаючи питання розсіювання радіації, ми показали, що чим менша довжина хвилі світлового променя, тим сильніше розсіюється на молекулах повітря це випромінювання. У зв'язку з цим найсильніше повинні розсіюватись фіолетові та сині промені, визначаючи, тим самим, колір розсіяної радіації, а отже й колір неба. Однак енергія блакитних променів значно більша від енергії синіх та фіолетових променів та, згідно з формулою (6.1), інтенсивність розсіяної радіації з довжиною хвилі блакитних променів у спектрі розсіяної радіації виявляється найбільшою, що й визначає переважання в розсіяному світлі блакитного кольору, а значить і блакитного кольору неба.

З висотою із зменшенням густини повітря, а значить і кількості розсіюючих частинок, колір неба стає темнішим і переходить у густо-синій, а в стратосфері - у фіолетовий, чорно-фіолетовий. У тропосфері, й особливо, у нижній її частині, де в повітрі міститься змінна кількість помутнюючих домішок більших розмірів, ніж молекул повітря, збільшується частка розсіювання променів довгохвильової частини спектра прямої сонячної радіації, завдяки чому колір неба білішає. При цьому, чим більший вміст цих домішок, тим біліший колір неба, а певні предмети при тумані та пиловій імлі заволікаються не блакитною, а білою та сірою завісою. З цієї ж причини хмари, на які потрапляє сонячне світло, здаються білими.

2. Зміна забарвлення прямого сонячного світла. Згідно з теорією об'ємний коефіцієнт молекулярного розсіювання (К) являє собою відносну кількість променистої енергії, розсіяної одиничним об'ємом повітря. Він обернено пропорційний четвертому степеню довжини хвилі променя, що розсіюється, і прямо пропорційний кількості молекул в одиниці об'єму, а також залежить від природи газу.

У таблиці 6.1 наводяться дані про величини "К" залежно від довжини хвилі розсіюваної радіації.

Таблиця 6.1