2.2. Природа и спектральный состав солнечной радиации

Солнечная радиация, или излучение, относится к электромагнитной радиации. Частным случаем ее является видимый свет. К ней относятся также и невоспринимаемые глазом гамма-лучи, рентгеновы, ультрафиолетовые, инфракрасные лучи, радиоволны. Радиация распространяется по всем направлениям от источника в виде электромагнитных волн (периодические изменения электрических и магнитных сил) со скоростью, близкой к 300000 км/сек. Все тела, имеющие температуру выше абсолютного нуля, испускают электромагнитную радиацию при перестройке электронных оболочек их атомов и молекул, при колебании атомных ядер, и во вращении молекул.

Наша планета получает радиацию от Солнца, температура поверхности которого достигает 6000°С. Расход лучистой энергии Солнца постоянно пополняется благодаря термоядерной реакции преобразования водорода в гелий, происходящей в глубинах Солнца, при очень высоких температурах (10 – 15 млн °С). Земная поверхность и атмосфера, нагреваясь от солнца, сами излучают радиацию, но в других диапазонах спектра длин волн.

Рассмотрим спектральный состав солнечной радиации. Длины волн температурной радиации удобно выражать в микронах (мк) – миллионная доля метра. Принято выделять коротковолновую и длинноволновую радиацию.

Коротковолновой называют радиацию в диапазоне длин волн от 0,1 до 4 мк. На этот диапазон приходится 99 % всей энергии солнечной радиации. К длинноволновой относят радиацию, излучаемую земной поверхностью и атмосферой с длинами волн от 4 до 120 мк.

Часть потока коротковолновой радиации солнца с длинами волн менее 0,4 мк называется ультрафиолетовой. С ней поступает 7 % солнечной энергии. Она невидима, – не воспринимается глазом.

Коротковолновая радиация с длинами волн от 0,40 до 0,75 мк – это видимый свет, воспринимаемый глазом. В этом диапазоне заключается примерно половина всей солнечной лучистой энергии (46 %). На промежуточные длины волн рассматриваемого диапазона (между 0,40 и 0,75 мк) приходится свет всех цветов радуги (фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый, красный).

Солнечная радиация с длинами волн от 0,75 до нескольких микрон называется инфракрасной. Она, как и ультрафиолетовая, невидима. На инфракрасные лучи приходится 47 % поступающей к земной поверхности энергии солнца. Еще раз напомним, что 99 % всей энергии солнечной радиации на границе атмосферы заключается между длинами волн 0.17 и 4.0 мк.

Тело, испускающее радиацию, охлаждается. Если же радиация падает на другое тело, то оно нагревается. Напомним из курса физики, что энергетическая светимость тела численно равна энергии, излучаемой телом во всем диапазоне длин волн с единицы поверхности тела, в единицу времени, при абсолютной температуре Т.

Излучательная способность тела равна отношению энергетической светимости тела, приходящейся на узкий диапазон длин волн, к величине этого диапазона. Поглощательная способность тела, равна отношению элементарных потоков поглощенного и падающего на тело излучения. Излучательная и поглощательная способности тел зависят от температуры тел и от длины волны излучения.

К температурной радиации относятся известные из физики законы излучения Кирхгофа, Стефана – Больцмана, Планка, Вина.

Закон Кирхгофа утверждает, что отношение излучательной способности тел к их поглощательной способности не зависит от природы излучающего тела. Оно равно излучательной способности абсолютно чёрного тела (т.к. его поглощательная способность равна 1) и зависит от длины волны излучения и абсолютной температуры.

В соответствии с законом Стефана – Больцмана энергия излучаемой радиации растет пропорционально четвертой степени абсолютной температуры излучателя.

По закону Планка распределение энергии в спектре радиации, т.е. по длинам волн, зависит от температуры излучателя.

В соответствии с законом Вина длина волны, на которую приходится максимум лучистой энергии, обратно пропорциональна абсолютной тем­пературе излучающего тела. Это значит, что с повышением температуры максимум энергии перемещается на все более короткие волны.