2. Солнечная радиация

2.1. Общие сведения

Электромагнитная радиация есть форма материи, отличная от вещества. Кроме видимого света к ней относятся гамма-лучи, рентгеновские, ультрафиолетовые, инфракрасные лучи и радиоволны.

Радиация распространяется по всем направлениям со скоростью света равной, примерно, 300000 км/с. Все тела, имеющие температуру выше абсолютного нуля, испускают радиацию. Земля получает радиацию от Солнца и излучает ее в других диапазонах волн.

Радиация с длинами волн от 0,01 до 0,39 мкм (1 мкм=110^-6 м) не воспринимается визуально. Световой поток с длиной волны 0,4 мкм воспринимается нашим зрением как фиолетовый, а свет с длиной волны 0,76 мкм – как красный. В этом диапазоне находится весь воспринимаемый человеческим глазом спектр радиации. Радиация с длиной волны более 0,76 мкм называется инфракрасной. Она также не воспринимается глазом человека, как и ультрафиолетовая радиация, длина волны которой менее 0,01 мкм.

В метеорологии коротковолновой называют радиацию с длиной волны от 0,1 до 4 мкм. Этот диапазон радиации включает в себя всю, видимую нашим глазом часть спектра, а также и прилегающие к нему ультрафиолетовую и инфракрасную ее части. Солнечная радиация в основном состоит из коротковолновой ее части. К длинноволновой относится радиация земной поверхности и атмосферы с длиной волны от 4 до 100–120 мкм.

На диапазон от 0,1 до 4 мкм приходится 99% всей энергии солнечной радиации. Видимая часть спектра занимает узкий интервал от 0,39 до 0,78 мкм, но в нем сосредоточено 47% всей лучистой солнечной энергии. Доля инфракрасного излучения составляет 44% и только 9% приходится на ультрафиолетовую часть. Максимум солнечного излучения имеет место на волне длиной 0,475 мкм, что соответствует зелено-голубым лучам видимой части спектра.

Лучистая энергия Солнца превращается в тепловую частично в атмосфере, но, главным образом, в верхнем слое земной поверхности. Солнечная энергия нагревает верхние слои почвы и воды, а от них нагревается воздух. Нагретая земная поверхность излучают инфракрасную радиацию в мировое пространство.

Тело, испускающее радиацию, охлаждается, поскольку его тепловая энергия переходит в лучистую. Если радиация поглощается телом, то лучистая энергия, в основной своей части переходит в тепловую, в результате чего температура тела повышается.

В целом Земля при рассмотрении ее теплового баланса за длительный промежуток времени находится в состоянии теплового и лучистого равновесия.

Лучистая энергия Солнца является единственным источником тепла для земной поверхности и атмосферы. Радиация, поступающая от Луны и звезд ничтожно мала по сравнению с ней. Также мала и доля внутренней тепловой энергии Земли.

2.2. Прямая солнечная радиация

Радиация, приходящая к земной поверхности непосредственно от Солнца, называется прямой солнечной радиацией. Поскольку Земля удалена от Солнца на весьма значительное расстояние, то можно рассматривать солнечную радиацию как поток параллельных лучей, исходящих из бесконечности.

Количественной мерой солнечной радиации, поступающей на какую-либо поверхность, служит энергетическая освещенность или поток радиации, т.е. количество лучистой энергии, падающей на единичную площадь. Если единичная площадь, расположенная перпендикулярно солнечным лучам, получает количество радиации S, то на единицу горизонтальной площади придется меньшее количество лучистой энергии

S=Ssinh

где: h – высота Солнца (рис. 2.1).

На горизонтальную площадку S приходится количество радиации SF, равное SF, т.е. SF=SF.

Так как площадь F относится к площади F как АВ к ВС, то S=S h .

Если Солнце находится в зените, то S=S.

Рис. 2.1. Прямая солнечная радиация

Поток полной солнечной энергии на горизонтальную поверхность называется инсоляцией. Энергетическая освещенность поверхности измеряется в киловаттах на квадратный метр (кВт/м²).Энергетическая освещенность для определенной длины волны λ называется спектральной энергетической освещенностью и обозначается S_λ.

Поток солнечной радиации на верхней границе атмосферы при среднем расстоянии от Земли до Солнца называется солнечной постоянной. Эта величина не зависит от поглощения и рассеяния радиации в атмосфере. Она зависит только от излучательной способности Солнца и составляет 1,36 кВт/м².

В начале января Земля приближается к Солнцу на расстояние 147 млн. км, в начале июня она удаляется до 152 млн. км. т.к. освещенность обратно пропорциональна квадрату расстояния, то солнечная постоянная изменяется в течение года всего на 3,5%.

На освещенное полушарие Земли на верхней границе атмосферы падает количество солнечной энергии, равное произведению солнечной постоянной на площадь большого круга. При радиусе Земли равном 6371 км эта площадь равна 1,27510¹⁴ м², а приходящаяся на нее лучистая энергия равна 1,7210¹⁷ Вт. За год Земля получает 5,4410²⁴ Дж.

В среднем на каждый квадратный километр земной поверхности приходится за год 4,2710¹⁶ Дж. Для получения такого количества энергии необходимо сжечь 400 тыс. тонн каменного угля. Все запасы угля равноценны притоку энергии Солнца за 30 лет. За 1,5 суток Солнце дает Земле энергии, сколько ее вырабатывают все электростанции мира за один год. Сам же поток радиации, поступающий на Землю, составляет менее одной двухмиллиардной доли от всего излучения Солнца. Расход энергии Солнца постоянно компенсируется в результате термоядерных реакций, происходящих в его глубинах.

Проходя сквозь атмосферу, солнечная радиация частично рассеивается атмосферными газами и аэрозольными примесями и переходит в форму рассеянной радиации. Частично она поглощается атмосферой и переходит я теплоту. Не рассеянная и непоглощенная радиация достигает земной поверхности.

При наиболее высоком стоянии Солнца и чистой атмосфере поток прямой радиации на уроне моря достигает 1,05 кВт/м². В горах, на высоте 4–5 км этот поток повышается до 1,2 кВт/м².