2.2. Солнечная радиация и растения

Солнечная радиация — важнейшее условие жизни растения. Это энергия, которую растения используют в процессе фото­синтеза для создания органического вещества. Ультрафиолето­вая радиация замедляет ростовые процессы, но ускоряет фор­мирование репродуктивных органов. Значение инфракрасной радиации, которая активно поглощается водой листьев и стеб­лей растений, состоит в тепловом эффекте, влияющем на рост и развитие растений.

Однако решающее значение имеет участок видимого спектра с длиной волны от 0,38 до 0,71 мкм, называемой фотосинтетичес­кой активной радиацией ( ФАР). Усвоение солнечной энергии про­исходит с помощью хлорофилла листьями растений.

Лучистая энергия солнца проникает в посевы и создает радиа­ционный режим. В зависимости от геометрической структуры по­сева, размеров листьев, их наклона, а также высоты солнца проис­ходит разное поглощение растениями ФАР. Для светолюбивых ра­стений, в том числе для сельскохозяйственных культур, компен­сационная точка, выше которой начинается накопление органического вещества, составляет 20...25 Вт/м².

При достаточном водоснабжении растений подавляющая часть поглощенной радиации (70...95 %) идет на транспирацию, тепло-обмен с воздухом и т. д., а на фотосинтез тратится незначительная ее часть.

Коэффициентом полезного действия (КПД_ФАР) называют от­ношение части ФАР, затраченной на фотосинтез и образование биомассы, к общей ФАР. По использованию ФАР все посевы де­лят: на обычные — КПД = 0,5..1,5 %, хорошие — 1,5..,3,0 и рекор­дные — КПД = 3.0...5.0 %.

Для расчета ФАР используют формулы Б. И. Гулеева, Н. А. Ефи­мовой, X. Г. Тооминга:

, (2.6)

где — сумма солнечной радиации на горизонтальную поверхность; — сум­ма рассеянной радиации за декаду, месяц, вегетационный период.

Созданы карты ФАР за вегетационный период со средней су­точной температурой выше 10^оС. ФАР повышается с севера на юг от 10 Вт/м² в зоне тундры до 50 Вт/м² в Краснодарском крае.

Продолжительность солнечного освещения суток зависит от времени года и географической широты. Если на экваторе в тече­ние года солнце светит 12 ч ± 30 мин, то в северном полушарии 22 июня севернее полярного круга — 24 ч. В Москве продолжитель­ность дня меняется от 7 ч до 17,5 ч.

По реакции растений на длину дня и ночи выделяют: короткодневные, развитие которых задерживается при увеличении дня более 12 ч; длиннодневные, требующие для своего развития длинного дня; нейтральные. Излучение земной поверхности в атмосфере поглощается водяным паром и углекислым газом. Но коротковолновую радиацию атмосфера в значительной степени пропускает. Это свойство называют «оранжерейным эффектом». Расчеты показывают, что без атмосферы температура поверхности Земли понизилась бы на 38 °С и была бы покрыта вечным льдом.

2.3. Радиационный баланс

Разность между приходящими к поверхности земли и уходящи­ми от нее потоками лучистой энергии называют радиационным ба­лансом деятельного слоя.

Приходная часть складывается из прямой и рассеянной сол­нечной радиации (вспомним, это коротковолновая радиация) и( встречного излучения (длинноволновая радиация). Расходную часть баланса составляют отраженная радиация и излучение зем­ной поверхности.

Уравнение радиационного баланса имеет вид:

(2.7)

или

, (2.8)

или

(2.9)

где — радиационный баланс, кВт/м²; — прямая солнечная радиация на горизонталь­ную поверхность; —рассеянная радиация; — отраженная радиация; — излучение земной поверхности; — встречное излучение атмосферы; S— прямая радиация на перпендикулярную солнечным лучам пло­щадку; — высота солнца; А — альбедо; — эффективное излучение; ; Q — суммарная радиация; .

В целом схематично все .составляющие радиационного баланса у земной поверхности показаны на рисунке 2.1. При отсутствии прямой радиации: в пасмурную погоду

(2.10)

ночью

. (2.11)

Если приход радиации больше расхода, то радиационный баланс положителен и деятельный слой Земли нагревается; при отрицательном балансе — охлаждается.

Радиационный баланс днем положителен, ночью отрицателен. От отрицательных значений к дневным положительным В перехо­дит через 1 ч после восхода солнца при высоте его 10...15° над го­ризонтом, а за 1...2 ч до захода В становится отрицательным.

Если рассматривать радиационный баланс на верхней границе атмосферы, то есть Земли в целом, то он равен нулю, поэтому можно принять гипотезу, что Земля находится в тепловом равно­весии: приход тепла от Солнца уравновешивается его потерей в космическое пространство.

Рис. 2.1. Схема составляющих ра­диационного баланса земной по­верхности