4.2. Распределение солнечной радиации при отсутствии атмосферы

Распределение солнечной радиации по земному шару при отсутствии атмосферы определяется следующими астрономическими факторами:

• − вращением Земли вокруг Солнца;

• − наклоном оси вращения Земли по отношению к плоскости

орбиты Земли на 66˚33΄;

• − суточным вращением Земли.

Теорию распределения солнечной радиации по земному шару при отсутствии атмосферы (астрономическая теория климата) разработал югославский ученый Мелканович.

На основании вывода основных соотношений данной теории количество радиации зависит только от широты φ и склонения Солнца δ (времени года).

Поток радиации, поступающей на горизонтальную поверхность, называется инсоляцией.

В день летнего солнцестояния (δ = 23,5°N) суточная инсоляция достигает максимума над Северным полюсом 45,67 МДж/м².

Второй максимум суточной инсоляции 42,09 МДж/м² наблюдается на широте 43,5°N, где влияние меньшей продолжительности дня перекрывается большей высотой Солнца в околополуденные часы.

В день зимнего солнцестояния (δ = 23°27'S) суточная инсоляция равна нулю на всех широтах, расположенных севернее полярного круга

(φ > 66,5° N).

С приближением к экватору (в Северном полушарии) инсоляция при δ = 23,5°S монотонно растет.

На Южном полюсе суточная инсоляция в этот день максимальна и составляет 48,76 МДж/м².

Вторичный максимум суточной инсоляции находится на широте 43,5° S и составляет 45,01 МДж/м².

Неравенство максимумов в Северном и Южном полушарии объясняется тем, что Земля во время летнего периода в Северном полушарии удалена от Солнца на 1,52·10⁸ км, а летом для Южного полушария − на 1,47·10⁸ км.

В Южном полушарии летом на верхнюю границу атмосферы поступает радиации больше, чем в Северном полушарии. Зимой – наоборот. Годовая амплитуда инсоляции в Северном полушарии меньше, чем в Южном полушарии.

Для широты φ = 30° инсоляция составляет:

• в Северном полушарии – 13,74 МДж/м²,

• в Южном полушарии – 16,46 МДж/м².

4.3. Ослабление солнечной радиации атмосферой

Солнечная радиация, пришедшая на верхнюю границу атмосферы Земли, прежде чем достичь земной поверхности, частично поглощается и рассеивается компонентами атмосферы.

Поглощение солнечной радиации. В результате поглощения радиация преобразуется из солнечной в другие виды энергии (тепловую, электрическую и др.).

К основным газам, поглощающим радиацию, относятся:

• озон,

• углекислый газ,

• водяной пар.

Озон поглощает ультрафиолетовую часть спектра,

водяной пар и углекислый газ – инфракрасную часть солнечной радиации.

Рассеяние в атмосфере. Атмосфера по отношению к потокам солнечной радиации представляет собой мутную среду. Мутность атмосферы определяется наличием взвешенных в воздухе твердых или жидких частиц различного размера. Эти примеси частично поглощают, проникающую через атмосферу, солнечную радиацию. На этих частицах также происходит и рассеяние радиации.

В зависимости от размера таких частиц различают молекулярное (релеевское) и аэрозольное рассеяние.

Молекулярное рассеяние. Теорию молекулярного рассеяния разработал английский ученый Релей.

Важная особенность молекулярного рассеяния состоит в том, что энергетическая величина и общее количество рассеянной радиации очень сильно зависит от длины волны.

Это означает, что в рассеянной радиации на долю более коротких волн (фиолетовый, синий и голубой цвета) приходится по сравнению с более длинными волнами (оранжевым и красным цветами) больше энергии, чем в прямой солнечной радиации. Рассеянный на молекулярных комплексах свет должен иметь сине-голубой цвет.

Из этого следует, что чистая (не запыленная) атмосфера должна иметь сине-голубой цвет. При этом чем меньше запыленность, тем больше синева неба.

Аэрозольное рассеяние. В атмосфере во взвешенном состоянии находятся непрозрачные частицы (пыль и др.) и прозрачные частицы (капли воды).

Рассеяние на крупных частицах не зависит от длины волны ( >40). Поэтому присутствие в атмосфере крупных частиц приводит к белесоватому цвету неба, так как свет всех длин волн рассеивается в одинаковой степени.

• Общий показатель ослабления радиации за счет ее рассеяния зависит от показателя молекулярного и аэрозольного рассеивания.

На практике для оценивания ослабления радиации в атмосфере вводится понятие коэффициента прозрачности атмосферы.

Коэффициент прозрачности атмосферы представляет собой относительную долю радиации, которая достигает земной поверхности при положении Солнца в зените.

Другим показателем прозрачности атмосферы является фактор мутности атмосферы.

Среднее значение коэффициента прозрачности для атмосферы составляет 0,70 – 0,85.

Ослабление солнечной радиации (лучистой энергии) атмосферой Земли составляет около 17 – 25 %, при этом:

• в ультрафиолетовой части спектра теряется около - 1 %,

• в видимой части – 40%,

• в инфракрасной части – 59 %.