1.4 Отражение солнечной радиации. Альбедо

Суммарная радиация, достигающая земной поверхности, не поглощается ею полностью, а частично отражается от земли. Поэтому при расчетах прихода солнечной энергии для какого-нибудь места необходимо принимать во внимание отражательную способность земной поверхности. Отражение радиации происходит также и от поверхности облаков. Отношение величины всего потока коротковолновой радиации Rк, отраженного данной поверхностью по всем направлениям, к потоку радиации Q, падающему на эту поверхность, называется альбедо(А) данной поверхности. Эта величина

(1.2)

показывает, какая часть падающей на поверхность лучистой энергии отражается от нее. Часто величину альбедо выражают в процентах. Тогда

(1.3)

В табл. № 1.5 приводятся величины альбедо различных видов земной поверхности. Из данных табл. № 1.5 видно, что наибольшей отражательной способностью обладает свежевыпавший снег. В отдельных случаях наблюдалась величина альбедо снега до 87%, а в условиях Арктики и Антарктики даже до 95%. Слежавшийся, подтаявший и тем более загрязненный снег отражает уже гораздо меньше. Альбедо различных почв и растительного покрова, как следует из табл. № 4, отличаются сравнительно незначительно. Многочисленные исследования показали, что величина альбедо часто изменяется в течение суток.

При этом наибольшие значения альбедо отмечаются утром и вечером. Объясняется это тем, что отражательная способность шероховатых поверхностей зависит от угла падения солнечных лучей. При отвесном падении солнечные лучи проникают глубже в растительный покров и там поглощаются. При малой высоте солнца лучи меньше проникают внутрь растительности и в большей мере отражаются от ее поверхности. Альбедо водных поверхностей в среднем меньше, чем альбедо поверхности суши. Объясняется это тем, что солнечные лучи (коротковолновая зелено-голубая часть солнечного спектра) в значительной мере проникают в прозрачные для них верхние слои воды, где рассеиваются и поглощаются. В связи с этим на отражательную способность воды оказывает влияние степень ее мутности.

Таблица № 1.5

Для загрязненной и мутной воды величины альбедо заметно возрастает. Для рассеянной радиации альбедо воды в среднем около 8—10%. Для прямой солнечной радиации альбедо водной поверхности зависит от высоты солнца: с уменьшением высоты солнца величина альбедо увеличивается. Так, при отвесном падении лучей отражается только около 2—5%. При низком положении солнца над горизонтом отражается 30—70%. Очень велика отражательная способность облаков. В среднем альбедо облаков около 80%. Зная величину альбедо поверхности и значение суммарной радиации, можно определить количество радиации, поглощенной данной поверхностью. Если А — альбедо, то величина а = (1—А) представляет собой коэффициент поглощения данной поверхности, показывающий, какая часть падающей на эту поверхность радиации ею поглощается.

Например, если на поверхность зеленой травы (А = 26%) падает поток суммарной радиации Q = 1,2 кал/см²мин, то процент поглощенной радиации будет

Q = 1- А = 1 — 0,26 = 0,74, или а = 74%,

а величина поглощенной радиации

В_погл = Q (1 - А) = 1,2 ·0,74 = 0,89 кал\см2 ·мин.

Альбедо поверхности воды в большой степени зависит от угла падения солнечных лучей, поскольку чистая вода отражает свет по закону Френеля.

гдеZ_п –зенитный угол Солнца, Z₀- угол преломления солнечных лучей.

Приположении Солнца в зените альбедо поверхности спокойного моря равна0,02. При росте зенитного угла СолнцаZ_п альбедо увеличивается и достигает 0,35 приZ_п=85.Волнение моря приводит к изменению Z_п,и существенно уменьшает диапазон значений альбедо, поскольку оно увеличивается при больших Z_nблагодаря увеличению вероятности попадания лучей на наклоую волновую поверхность.Волнение влияет на отражающих способность не только из-занаклона поверхности волны относительно солнечных лучей, но и за счет образованием пузырей воздуха в воде. Эти пузыри в значительной степени рассеивают свет, увеличивая рассеяннуюрадиацию выходящего из моря. Поэтому при больших волнениях моря, когдавозникает пена и барашки, альбедо под влиянием обоих факторов увеличивается.Рассеянная радиация поступает к поверхности воды под разными углами.Интенсивность лучей различных направлений изменяется при изменении высоты Солнца, от которой зависит, как известно, интенсивность рассеивания солнечной радиации при безоблачном небе. Она зависит также от распределения облаков на небе. Поэтому альбедо поверхности моря для рассеянной радиации не является постоянным. Но границы его колебания более узкие 1 от 0,05 до 0,11.Следовательно, альбедо поверхности воды для суммарной радиации изменяется в зависимости от высоты Солнца, соотношение между прямой и рассеянной радиации, волнения поверхности моря.Надо иметь в виду, что северные части океанов в большой степени покрыты морским льдом. В таком случае надо учитывать и альбедо льда. Как известно, значительные пространства земной поверхности, особенно в средних и высоких широтах, покрытые облаками, которые очень отражают солнечную радиацию. Поэтому знания о альбедо облачности вызывают большой интерес. Были проведены специальные измерения альбедо облаков с помощью самолетов и аэростатов. Они показали, что альбедо облаков зависит от их формы и толщины.Наибольшие значения имеет альбедо высоко-кучевых и слоисто-кучевых облаков.Например, при толщине 300 м альбедо Ас находится в границах 71-73%, Sс - 56-64%, смешанных облаков Сu - Sс - около 50%.

Наиболееполные данные о альбедо облаков полученные в Украине. Зависимость альбедо и функции пропускания р от толщины облаков, является результатомсистематизации данных измерений, приводится в табл. 1.6. Как видно, рост толщины облаков приводит к увеличению альбедо и уменьшение функции пропускания.

Среднеезначение альбедо для облаков St при средней толщине 430 м равна 73%, для облаковSспри среднейтолщине 350м - 66%, а функции пропускания для указанных облаков равны соответственно 21 й 26%.

Альбедо облаков зависит от альбедо земной поверхности r₃, над которой располагается облако. С физической точки зрения понятно, что чем большеr₃, тем больше поток отраженной радиации, проходящей вверх через верхнюю границуоблака. Поскольку альбедо - это отношение этого потока до поступающего, то увеличение альбедо земной поверхности приводит к увеличению альбедо облаков.Исследование свойств облаков отражать солнечную радиацию проводились с помощью искусственных спутников Земли путем измерения яркости облаков.Средние значения альбедо облаков, полученные по этим данным, приводятся в табл.1.7.

Таблиця 1.7 - Средние значения альбедо облаков разных форм

По этим данным альбедо облаков колеблется от 29 до 86%. Обращает внимание тот факт, что перистые облака имеют небольшое альбедо по сравнению с другими формами облаков (за исключением кучевых). Только перисто-слоистые облака, которые имеют большую толщину, в значительной степени отражают солнечную радиацию(r= 74%).