330

____________________________________

Раздел 2

Солнечная радиация

2.1. Прямая, рассеянная, суммарная, отраженная солнечная радиация. Альбедо. Эффективное излучение. Радиационный баланс. Фотосинтетически активная радиация. Примеры решения задач

Солнечная радиация – это поток лучистой энергии, в виде электромагнитных волн поступающий непрерывно на земную поверхность.

В международной системе (СИ) используются единицы измерения кал/см2.мин или Вт/м2 или Дж/м2:

1 кал/см2.мин = 698 Вт/м2 = 4,19·104 Дж/м2.

Прежде чем решать задачи необходимо вспомнить определения видов радиации, формулы.

Прямая солнечная радиация – радиация, поступающая к верхней границе атмосферы, а затем и на земную поверхность от Солнца в виде пучка параллельных (квазипараллельных) лучей.

Прямая солнечная радиация, поступающая на перпендикулярную поверхность к верхней границе атмосферы (S0) – это солнечная постоянная. Зависит от солнечной активности. При среднем расстоянии от Земли до Солнца 149,5·106 км S0 составляет 1400 Вт/м2. Прямая солнечная радиация, поступающая на поверхность Земли при перпендикулярном паде-

нии лучей – S, рассчитывается по формуле:

S = S0 · рm ,

11

где р – коэффициент прозрачности атмосферы, показывающий, какая доля радиации проходит через слой воздуха с массой в одну атмосферу;

m – число масс атмосферы, проходимая солнечными лучами.

Прямая солнечная радиация, поступающая на горизонтальную поверхность, называется инсоляция – S', которую определяют по формуле:

S' = S · sin h,

где S – прямая солнечная радиация приходящая на перпендикулярную поверхность, Вт/м2;

h – высота солнца над горизонтом в градусах.

Рассеянная радиация (D) – часть солнечного излучения, рассеянного атмосферой и поступающего от всего небосвода на горизонтальную поверхность.

Суммарная радиация (Q) – сумма прямой S' и рассеянной D радиации, приходящей на горизонтальную поверхность.

Q = S' + D

Отраженная коротковолновая радиация (Rк) – часть суммарной радиации, отраженной деятельной поверхностью.

Отношение отраженной коротковолновой радиации к поступающей на поверхность суммарной радиации называется альбедо (А). Альбедо измеряется в процентах:

А= (Rк / Q) · 100

Разность между суммарной и отраженной радиацией составляет баланс коротковолновой радиации (Вк):

Вк = Q - R.

Тепловое излучение земли (Ез) – длинноволновая лучистая энергия направлена от земли вверх, в атмосферу.

12

Встречное тепловое излучение атмосферы (Еа) – часть теплового излучения, возникшего при поглощении прямой радиации, направленного к земле.

Разность между тепловым излучением земли (Ез) и встречным тепловым излучением атмосферы (Еа) называется эффективным излучением Земли:

Еэф = Ез - Еа.

Радиационный баланс деятельной поверхности (В) – это разность между приходом и расходом излучений:

В = S' + D + Еа- Rк - Ез,

где S', D, Еа – приходная часть,

R, Ез – расходная часть.

Данное уравнение используется при расчете днем в ясную погоду.

При пасмурной погоде днем при отсутствии прямой радиации расчет ведется по формуле:

В = D + Еа - Rк - Ез.

Лучистая энергия солнца, затрачиваемая на образование органического вещества растений в диапазоне волн от 0,38 до 0,71мкм, называется фотосинтетически активной радиацией или Qфар.

Qфар= 0,43·S' + 0,57·D, ΣQфар = 0,43·ΣS' + 0,57·ΣD

Пример. Интенсивность прямой солнечной радиации S=1,1 кал/см2.мин, интенсивность рассеянной радиации D = 0,40 кал/см2.мин. Сколько калорий отражает и сколько поглощает поверхность песчаной почвы? Если высота солнца над горизонтом составляет 45о.

Решение. Определяем интенсивность инсоляции, то есть количество тепла на 1 см2 горизонтальной поверхности по формуле:

S' = S · sin h.

13

Из таблицы 1 приложений находим sin 450 – около 0,71. Тогда S' = 1,1· 0,71= 0,78 кал/см2 . мин. Суммарная радиация составит Q = 0,78 + 0,40 = 1,18 кал/см2 . мин.

Из формулы альбедо (А) определяем величину отраженной коротковолновой радиации (R). В таблице 2 приложения находим А для песчаной почвы – 35 %, тогда

R = А · Q / 100 = 35 · 1,18 /100 = 0,41 кал/см2 . мин.

Следовательно, песчаная почва отражает 0,41 кал/см2.мин, а поглощает Вк = Q - R = 1,18 - 0,41 = 0,77 кал/см2.мин.

Пример. Вычислите радиационный баланс (В) деятельной поверхности (поверхность почвы покрыта зелѐной травой), на метеорологической площадке, если величина солнечной радиации горизонтальной поверхности S'=1,1 кал/см2.мин, рассеянной радиации D=0,20 кал/см2.мин, а эффективное излучение Еэф=0,16 кал/см2.мин.

Решение. Радиационный баланс вычисляем по формуле: В=Q-R-Еэф, при этом Q=S'+D. Отраженную радиацию R=А·Q/100 определяем из формулы А=R/Q·100. Альбедо зеленой травы А=26 %, его находим в таблице 2 приложений. R=26·1,3/100=0,34 кал/см2.мин. При этом радиационный баланс составит В=1,3-0,16-0,34=0,8 кал/см2.мин.

Пример. При высоте солнца 30о поток прямой солнечной радиации, поступающей на перпендикулярную поверхность S=0,84 кВт/м2, а поток рассеянной D=0,11кВт/м2. Определите, какое количество тепла поглощается поверхностью сухой травы (А=19%).

Решение. Основная формула: В = Q - R. Вначале определяем суммарную радиацию Q=S'+D, где S' – прямая солнечная радиация, поступающая на горизонтальную поверхность, вычисляется по формуле: S'=S·sin h=0,84·0,5=0,42

14

кВт/м2. В итоге суммарная радиация Q=0,42+0,11=0,53 кВт/м2.

Из формулы альбедо А = R/Q·100 определяем R, R=А·Q/100=19·0,53/100=0,1 кВт/м2.

И наконец, рассчитываем количество поглощенного теп-

ла – В: В = 0,53-0,1=0,43 кВт/м2.

2.2.Задачи

2.2.1.Вычислить сумму фотосинтетически активной

радиации, если среднее значение прямой солнечной радиации S=840 Вт/м2, рассеянной D=140 Вт/м2, средняя высота солнца над горизонтом 320 (sin 320=0,53).

2.2.2.Найти радиационный баланс травы, имеющей аль-

бедо А=20%, если прямая солнечная радиация на горизонтальную поверхность S'=546 Вт/м2, рассеянная D=140 Вт/м2, эффективное излучение Еэф=105 Вт/м2.

2.2.3.Высота солнца 450 (sin 450=0,70), инсоляция при перпендикулярном падении лучей S'=1400 Вт/м2, рассеянная

радиация составляет 20 % от S', эффективное излучение Еэф=57 Вт/м2. Определить радиационный баланс картофельного поля, если А=20 %.

2.2.4.При высоте солнца 300 поток прямой солнечной радиации на перпендикулярную поверхность S=0,84 кВт/м2, а поток рассеянной D=0,11кВт/м2. Определить какое количество тепла поглощается поверхностью сухой травы (А=19%).

2.2.5.Чему равно альбедо, если величина прямой солнечной радиации, измеренная актинометром S=200 Вт/м2, высота солнца над горизонтом 300, рассеянная радиация D=100 Вт/м2, отраженная радиация R=50 Вт/м2?

15

2.2.6.Определить отраженную радиацию (R) от поверх-

ности пшеничного поля (А= 20%), если суммарная радиация

Q=960 Вт/м2.

2.2.7.Каков радиационный баланс поверхности песчаной

почвы (А=35%), если интенсивность солнечной радиации – S'=0,85 кал/(см2.мин), рассеянной радиации D=0,20

кал/см2.мин, а величина эффективного излучения Еэф=0,10 кал/см2.мин.?

2.2.8.Коэффициент прозрачности атмосферы р=0,80, высота солнца над горизонтом 300. Найти интенсивность пря-

мой солнечной радиации на горизонтальную поверхность –

S'.

2.2.9. Интенсивность прямой солнечной радиации S=1,1 кал/см2.мин, интенсивность рассеянной радиации D=0,40 кал/см2мин. Сколько калорий отражает и сколько поглощает поверхность песка? Наблюдения проводились при высоте солнца 450. (sin 450=0,71, Апеска=35 %)?

2.2.10. Вычислить радиационный баланс поверхности почвы, покрытой зелѐной травой (А=26 %) на метеорологической площадке, если величина инсоляции горизонтальной поверхности S'=1,1 кал/см2мин, рассеянная радиация D=0,20 кал/см2мин, а эффективное излучение Еэф= 0,16 кал /см2мин.

16

_________________________________

Раздел 3

Температура воздуха и почвы

3.1. Температура активная и эффективная. Суммы температур. Амплитуда годовых колебаний. Вертикальный температурный градиент. Приведение температуры к уровню моря. Определение даты всходов зерновых культур. Примеры решения задач.

Температура является одним из главных факторов внешней среды, от которой зависит рост, развитие и географическое распределение растений по территории земного шара.

Для каждого растения характерны: определенный температурный предел (минимум, оптимум, максимум), а также сумма положительных среднесуточных температур.

При оценке температурного режима произрастания растений на определенной территории учитывают значения среднегодовой, среднемесячной, среднедекадной и среднесуточной температур.

Средняя суточная температура – среднее арифметическое из температур, измеряемых во все сроки наблюдений.

Средняя месячная температура – среднее арифметическое из средних суточных температур за все сутки месяца.

Средняя годовая температура дает лишь общее представление о количестве тепла.

Показателем континентальности климата является амплитуда годовых колебаний – это разность между среднемесячными температурами самого теплого и самого холодного месяцами. Чем больше амплитуда, тем континентальнее климат.

При расчете сумм положительных среднесуточных температур принимаются во внимание минимумы, оптимумы и

17

максимумы определенных групп растений (приложения таблица 4).

Среднесуточная температура воздуха (или почвы) выше минимума развития растений называется активной.

Среднесуточная температура воздуха (или почвы), уменьшенная на значение минимума называется эффективной.

Суммы активных температур рассчитываются по формулам:

n – число дней со средней температурой за период, Т – средняя температура за период.

Суммы эффективных температур рассчитываются по

формулам:

ΣТэф5 = n·(Т-5); ΣТэф10= n·(Т-10); ΣТэф15= n·(Т-15),

где ΣТэф5 – сумма эффективных температур выше 5оС ΣТэф10 – сумма эффективных температур выше 10оС, ΣТэф15 – сумма эффективных температур выше 15оС,

При решении задач на приведение температуры к уровню моря применяем формулу вертикального градиента температур (ВГТ):

ВГТ=(tн-tв)·100/(żв-żн) ,

где tн-tв – разность температур воздуха на нижнем и верхнем уровнях,

żв-żн – разность высот, м.

Применяя формулу ВГТ, можно определить температуру воздуха на любом уровне или привести ее к уровню моря.

18

Для определения температуры на любом уровне используют формулу:

Тż = Т0 – ВГТ · Ż , где Тż – температура на любом уровне,

Т0 – температура на нижнем уровне, Т0=Тż+ВГТ·Ż, Ż – высота в метрах.

Зная температуру почвы и глубину заделки семян при условии обеспеченности влагой, можно рассчитать продолжительность периода от посева до всходов по формуле:

n = (70 + 10·l)/t

где, n – число дней от посева до всходов, l – глубина заделки семян,

t – температура почвы.

Пример. Среднемесячная температура января -15,40С, среднемесячная температура июля +170. Определить амплитуду годовых колебаний.

Решение. Агк = 170 - (-15,40) = 32,40.

Пример. Определить активную и эффективную температуру за сутки для пшеницы, если среднесуточная температура воздуха 120.

Решение. Так как биологический минимум пшеницы 50, активная температура 120, выше биологического минимума. Эффективную температуру определяем по разности средне-

суточной температуры и биологического минимума:

Тэф = 120- 50= 70.

Пример. Определить сумму активных и эффективных температур для гречихи за июль, если среднемесячная температура воздуха 220.

Решение. Сумму активных температур рассчитываем по формуле: ΣТакт= n·Т=31·220=6820. Сумму эффективных вычисляем по формуле: ΣТэф10= n·(Тсрм-100)=3720.

19

Пример. Посев овса проведен 29 апреля. Почва дерновоподзолистая песчаная, температура 60. Определить дату появления всходов.

Решение. На песчаной почве глубина заделки семян l=5см. Подставив данные в формулу, определим число дней от посева до всходов: n=(70+10·l)/t=(70+10·5)/6=20 дней.

Пример. На высоте 300 метров температура воздуха 180, на высоте 800 метров 140. Определить ВГТ.

Решение. Подставив значения в формулу, определяем ВГТ: ВГТ=(tн-tв)·100/(żв-żн) = (18-14)·100/(800-300) = 0,80С.

Пример. На высоте 400 метров температура воздуха 150, при вертикальном температурном градиенте 0,50С на 100м. Привести температуру к уровню моря.

Решение. Подставляем данные в формулу и делаем расчет Т0 (температура на уровне моря):

Т0=Тż-ВГТ·Ż=150-0,5/100.400=130С.

3.2. Задачи

3.2.1. На высоте 100 метров температура воздуха составила 200С, а на высоте 700 метров она равна 170. Определить вертикальный градиент температуры.

3.2.2.Определить сумму активных и эффективных тем-

ператур воздуха для томатов в июле, если среднемесячная температура воздуха 200.

3.2.3.На уровне моря температура воздуха 120, вертикальный градиент температуры 0,60С на 100 м. Определите температуру на высоте 400 метров.

3.2.4.Среднесуточная температура воздуха 150С. Определить активную и эффективную температуру за сутки для картофеля.

20