3.4. Спектральний склад сонячної, атмосферної та земної радіації

Спектральний склад сонячної радіації. Енергія, яка випромінюється Сонцем, переноситься до Землі через міжпланетний простір переважно у вигляді електромагнітних хвиль, або променистої енергії. Потік променистої енергії Сонця називають ще сонячною радіацією.

Спектральний розподіл сонячного випромінювання визначається фізичними характеристиками Сонця як зірки та особливостями процесів, які відбуваються в його атмосфері.

Сонячна радіація, яка надходить на верхню межу атмосфери Землі, охоплює широкий спектр електромагнітних хвиль. Основними складовими частинами електромагнітного випромінювання Сонця є видиме світло () і невидиме оком ультрафіолетове (від 1 нм до 0,39 мкм) та інфрачервоне (від 0,76 мкм до 1 мм) світло. Сонце випромінює ще радіохвилі, жорстке рентгенівське і гамма-випромінювання, а також космічні промені (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Спектр електромагнітних хвиль та інтенсивність сонячної радіації, що надходить на Землю

На зовнішній межі атмосфери спектр сонячної радіації практично обмежується довжинами хвиль 0,10 і 4,0 мкм. Випромінювання Сонця у цьому діапазоні електромагнітних хвиль прийнято називати короткохвильовим. Поза цим діапазоном Сонцем випромінюється не більше 1 % усієї радіації.

Більш як 95 % випромінювання Сонця припадає на видиму та сусідні з нею близьку ультрафіолетову (0,29–0,39 мкм) і близьку інфрачервону (0,76–2,4 мкм) ділянки спектра. Разом вони утворюють область так званого оптичного вікна (0,29–2,4 мкм), в якій земна атмосфера пропускає близько 80 % випромінювання Сонця, у той час як в дальніх короткохвильовій та інфрачервоній областях випромінювання Сонця цілком або ж практично цілком поглинається атмосферою. Крім того, земна атмосфера є практично прозорою в інтервалі довжин хвиль радіохвильового випромінювання від 1 до 20 см.

На верхній межі атмосфери на видиму частину спектра припадає приблизно 47 %, на інфрачервону – 44 %, на ультрафіолетову область – 9 % сонячної радіації.

Максимальна інтенсивність випромінюваної Сонцем енергії припадає на хвилі з довжинами близько 0,475 мкм, тобто на зелено-блакитні промені видимої частини спектра. Ця особливість розподілу енергії випромінювання за довжинами електромагнітних хвиль підпорядковується закону зміщення довжини хвилі (першого закону Віна). Згідно з цим законом, довжина хвилі , на яку припадає максимум випромінювальної здатності абсолютно чорного тіла, обернено пропорційна абсолютній температурі :

,

(3.11)

де  – стала.

Спектральний склад атмосферної і земної радіації. Проходячи через земну атмосферу, сонячна радіація змінюється як за інтенсивністю, так і за спектральним складом унаслідок її поглинання і розсіювання атмосферними газами та зваженими у повітрі рідкими і твердими частинками.

Оскільки в атмосфері поглинається переважно ультрафіолетова та інфрачервона радіація, то спектр сонячної радіації поблизу поверхні Землі обмежений довжинами хвиль 0,29 і 2,0 мкм, а максимум енергії зміщений в інтервал жовто-зелених променів.

Унаслідок поглинання променистої енергії Сонця атмосферне повітря нагрівається. Однак приземні шари повітря нагріваються не стільки від Сонця, скільки від земної поверхні, де поглинання сонячної радіації особливо інтенсивне. Нагріті земна поверхня й атмосфера, у свою чергу, також випромінюють радіацію, але уже в іншому (довгохвильовому) діапазоні – від 4 до ~100 мкм, причому 99 % її припадає на хвилі з довжиною від 4 до 40 мкм. Відповідний діапазон інфрачервоного випромінювання атмосфери і земної поверхні, що супроводжується їх охолодженням, в метеорології прийнято називати довгохвильовою радіацією.

Довгохвильова радіація володіє значно меншою проникною здатністю, ніж короткохвильова. Крім того, з атмосферою земне випромінювання і сонячна радіація взаємодіють по-різному. Цей факт має важливе значення для пояснення перенесення променистої енергії в атмосфері.