3. Сонячна, земна та атмосфера радіація

3.1. Випромінювання Сонця

Основним джерелом енергії майже для усіх процесів та явищ, що відбуваються в атмосфері Землі і на її поверхні, є промениста енергія Сонця. Енергія, яку випромінює Сонце, називається сонячною радіацією. Майже вся сонячна радіація, що надходить на Землю, перетворюється на тепло. Сонячні промені поширюються зі швидкістю 3·10⁵ км/с досягають поверхні Землі через 8 хвилин.

На верхню межу атмосфери надходить потік радіації 1,7·10¹⁷ Вт/м². Це в сотні тисяч разів більше, ніж потрібно людству. На кожен квадратний кілометр земної поверхні щорічно надходить 4,27·10¹⁶ Дж. Щоб одержати таку кількість тепла потрібно спалити понад 400 тис т. кам’яного вугілля. За 1,5 доби Сонце дає Землі стільки ж енергії, скільки дають електростанції усіх країн протягом року. Такі великі витрати променистої енергії Сонцем поповнюються в результаті термоядерних реакцій перетворення водню в гелій в середині світила.

Порівняно із сонячною радіацією інші джерела радіації для Землі не мають великого значення. Це випромінювання зірок і планет, космічні промені. Найбільшим джерелом після Сонця є Місяць, але від нього надходить всього 0,002 % від сонячної радіації. З середини Землі одиниця поверхні отримує в 5000 разів менше тепла, ніж від Сонця. Отже, сонячна радіація має визначальне значення в генезисі клімату і взагалі в розвитку життя на Землі.

Сонце – це величезна газоподібна зірка радіусом 695 600 км, масою 1,98·10³³ г та середньою густиною 1,4 г/см³. Температура в надрах світила 5·10⁶ - 5·10^{7 0} К і це сприяє розвитку термоядерних реакцій. Джерелом енергії, що випромінює Сонце, є синтез ядер водню, що призводить до утворення гелію.

Атмосфера Сонця складається з трьох шарів: фотосфери, хромосфери та сонячної корони. Фотосфера – це іонізований газ з температурою 5000-6000⁰ К, який випромінює практично всю енергію, що надходить на Землю.

Атмосфера Сонця неоднорідна. Хромосферні спалахи призводять до виникнення магнітних бур, полярних сяйв та інших геофізичних явищ в атмосфері Землі. Потік заряджених часток – корпускул або „сонячного вітру” надходить до атмосфери Землі через 1 -2 доби після хромосферних спалахів. У фотосфері формуються відносно холодні ділянки, які називаються сонячними плямами. Вони мають температуру близько 4600⁰ К та діаметр до 185 000 км. Утворюються сонячні плями інколи групами в широтних зонах від 35 до 5⁰ обабіч сонячного екватора. Увесь цей комплекс нестаціонарних явищ в атмосфері Сонця називається сонячною активністю. Людство уже давно цікавить проблема зв’язку сонячної активності з процесами і явищами земної атмосфери. Особливо важливим є з’ясування механізму зв’язку сонячної активності з процесами, що формують погоду і клімат Землі.

3.2. Основні закони випромінювання

Досвід показав, що між здатністю випромінювання радіації і здатністю її засвоєння існує зв’язок. Цей зв’язок виражається законом Кірхгофа

Е_λ /К_λ = ε

і звучить так: відношення випромінювальної здатності тіла (Е) при даній довжині хвилі (λ) до його поглинальної здатності (К) величина постійна і дорівнює випромінювальній здатності абсолютно чорного тіла (ε) при тій же температурі. Для всіх довжин хвиль

Е/К =ε

звідси Е = Кε, тобто випромінювання будь-якого тіла дорівнює добутку поглинальної здатності цього тіла і випромінювальної здатності абсолютно чорного тіла. Поглинальна здатність К‹1 для всіх тіл, крім абсолютно чорного тіла. Звідси можна зробить висновок: якщо при даній температурі тіло випромінює променисту енергію певної довжини хвилі, то при цій температурі воно й поглинає променисту енергію цієї ж довжини хвилі і навпаки. Отже, внутрішня енергія такого тіла залишається сталою.

Абсолютно чорним тілом називається таке тіло, яке засвоює всю енергію, яка до нього надходить і його випромінювальна здатність найбільша. У природі до абсолютно чорного тіла для короткохвильової радіації якнайбільше підходить сажа і платинова чернь, а для інфрачервоного випромінювання – сніг.

Повний потік випромінювання абсолютно чорного тіла визначається за законом Стефана-Больцмана

Е = σТ⁴

де σ – стала Больцмана, σ = 5,67·10^-8 Вт/м².

Отже, потік випромінювання абсолютно чорного тіла прямопропорційний абсолютній температурі в четвертій степені.

Стосовно до природних поверхонь закон Стефана-Больцмана має такий вигляд

Е = δσТ⁴

де δ – коефіцієнт відносної здатності випромінювання природних поверхонь. Цей коефіцієнт для чорнозему становить 0,87, для піску 0,89, для житнього поля 0,93, для води 0,965, для світлого снігу 0,968. Коефіцієнт показує, яку частку від випромінювання абсолютно чорного тіла становить випромінювання даної поверхні.

Важливим є закон Віна:

добуток довжини хвилі λ_m, якій відповідає максимальна випромінювальна здатність тіла, і його абсолютної температури Т є величина стала

λ_m·Т = 2898 мкм·К

Ф

Мал. 3.1. Розподіл енергії у спектрі випромінювання абсолютно чорного тіла (криві Планка) за різних температур.

ормула дозволяє визначити температуру тіла, якщо відома довжина хвилі, яка відповідає максимальній випромінювальній здатності цього тіла. І навпаки, можна визначити довжину хвилі, на яку припадає максимум енергії випромінювання при даній температурі. Формула показує, що чим вища температура тіла, тим коротші хвилі, які випромінюють максимум енергії. При зміні температури тіла положення максимуму енергії випромінювання зміщується у бік довших чи коротших хвиль. Тому закон Віна ще називають законом зміщення.

Закон Планка визначає розподіл енергії в спектрі випромінювання абсолютно чорного тіла за довжинами хвиль за різних температур (мал. 3.1.)