3.7. Радіаційний баланс підстильної поверхні

Сукупний вплив на підстильну поверхню процесів надходження і витрати радіаційного тепла виражається радіаційним балансом – різницею між поглинутою сонячною радіацією та ефективним випромінюванням земної поверхні.

У доходну частину радіаційного балансу входять сумарна радіація , яка складається з прямої на горизонтальну поверхню і розсіяної сонячної радіації, а також зустрічне випромінювання атмосфери . Витратну частину становлять відбита короткохвильова і довгохвильова радіація та довгохвильове випромінювання земної поверхні . Звівши почленно потоки короткохвильової і довгохвильової радіації, маємо:

,

(3.22)

де , та  – короткохвильовий, довгохвильовий та інтегральний радіаційний баланс підстильної поверхні, відповідно.

Радіаційний баланс вимірюють з допомогою термоелектричних балансомірів.

Радіаційний баланс земної поверхні в цілому змінюється зі зміною висоти Сонця. Він є додатним удень і від'ємним уночі, а влітку більшим, ніж взимку. Перехід від від'ємних до додатних значень радіаційного балансу відбувається приблизно через 1 год після сходу Сонця при висоті його 10–15° над горизонтом, а за 1–2 год до заходу стає від'ємним.

Основні закономірності радіаційного балансу визначаються тими ж чинниками, які впливають на його складові: географічною широтою, висотою Сонця, зволоженням території, яке дуже позначається на альбедо й ефективному випромінюванні, а через хмарність – і на надходженні сонячної радіації.

У цілому за рік радіаційний баланс є додатним для більшості місцевостей планети, за винятком окремих полярних областей, насамперед крижаних пустель Гренландії та Антарктиди. В холодний період року від'ємні значення радіаційного балансу можуть спостерігатися і в середніх широтах.

Більші значення радіаційного балансу зазвичай спостерігаються над океанами, ніж над суходолом, що пояснюється різними відбивними властивостями земної й океанічної поверхонь, а також відмінностями режиму хмарності над ними.

3.8. Природна освітленість і світловий режим земної поверхні

Загальне поняття про природну освітленість та її режим. Видима частина природного світла створює природну освітленість земної поверхні та різних об'єктів. Режим природного освітлення земної поверхні, який характеризується інтенсивністю і певним спектральним складом, називається світловим кліматом, або фотокліматом. Він регулюється добовим обертанням Землі навколо осі і річним її обертанням по еліптичній орбіті навколо Сонця. Ці елементи положення Землі відносно Сонця створюють сезонний і залежний від географічної широти хід опромінення, завдяки чому на Земній кулі виділяються три основні пояси освітлення: 1) тропічний, обмежений тропіками, 2) помірний, який простягається до полярного кола, і 3) полярний. Для першого характерне перебування Сонця у зеніті на кожній широті двічі на рік (на тропіку один) і невелика відмінність тривалості дня упродовж року. Другий характеризується великими сезонними коливаннями висоти Сонця і тривалості дня. Третьому властиві полярна ніч і полярний день, тривалість яких залежить від географічної широти.

Фотоклімат створюється переважно прямим і розсіяним сонячним світлом. Освітленість прямим сонячним світлом залежить від висоти Сонця й прозорості атмосфери і при великих полуденних висотах (близько 50–60°) може досягати 60–70 тис. люксів (лк). Освітленість розсіяним світлом залежить ще й від форми і кількості хмар та альбедо підстильної поверхні. За сприятливих умов, коли Сонце просвічує у розрив між хмарами, вона може збільшитися у 5–6 разів порівняно з безхмарним небом. У таких випадках освітленість розсіяним світлом може досягати 60 тис. лк. Сніговий покрив зазвичай збільшує освітленість розсіяним світлом на 10–20 %, інколи у два рази і більше. Сумарна денна освітленість при великих висотах Сонця може перевищувати 85–90 тис. лк.

Розсіяне сонячне світло відіграє важливу роль в освітленні земної поверхні не тільки вдень, але й у присмерках (див. далі). Світло Місяця, зірок та інших небесних світил, а також власне випромінювання атмосфери відіграють другорядну роль і їх беруть до уваги тільки при оцінці нічної освітленості.

Освітленість, створювана вночі повним Місяцем, на 5–6 порядків менша ніж вдень. У безмісячну ніч природна освітленість не перевищує кількох десятитисячних часток люкса.

Світлокліматичне районування. Світловий клімат часто описується за допомогою денних сум і добового ходу природної освітленості. Унаслідок проведення таких досліджень розробляються схеми світлокліматичного районування. Важливим практичним напрямком його застосування є оцінка зовнішньої освітленості житлових будинків і виробничих споруд, які проектуються. Завдяки такому районуванню проектувальники та архітектори знаходять оптимальні рішення, які задовольняють відповідним економічним і санітарно-гігієнічним вимогам, а також оцінюють витрати, пов’язані з використанням штучного освітлення у приміщеннях тощо.

Присмерки. Проміжки часу, упродовж яких здійснюється перехід від дня до ночі або від ночі до дня, називаються присмерками. Присмерки як оптичне явище полягають в освітленні небозводу і земної поверхні розсіяним світлом після того, як Сонце уже зайшло за горизонт (вечірні присмерки), або перед тим, як воно зійде (ранкові присмерки). Світлові явища, які спостерігаються під час вечірніх і ранкових присмерків, за великим рахунком, однакові, хоча й розвиваються в оберненій послідовності. Це дозволяє у подальшому обмежитися розглядом якихось одних, наприклад вечірніх, присмерків.

Упродовж присмерків освітленість на Землі зменшується на 6–8 порядків: від 10²–10³ лк у момент заходу Сонця до 10^‑4–10^‑5 лк уночі. Залежно від глибини занурення Сонця під горизонт розрізняють кілька фаз присмерків. Упродовж громадянських присмерків поза приміщеннями без додаткового штучного освітлення можна виконувати більшість господарських робіт і читати крупний шрифт. Громадянські присмерки тривають від моменту заходу Сонця до часу його занурення на 6–8° під горизонт. Друга стадія присмерків – присмерки морські, або навігаційні, виділяються не всіма дослідниками. Починаються вони одразу після закінчення громадянських і тривають поки Сонце не зануриться під горизонт на 12°. Темрява все більше скрадає дрібні деталі навколишнього ландшафту і наприкінці цих присмерків на відкритій місцевості можна розрізнити тільки лінію горизонту. Штурмани кораблів уже не можуть орієнтуватися за неосвітленими предметами на березі, а тому відповідним службам належить у цей час вмикати усі опізнавальні і сигнальні вогні (маяки, бакени тощо). Потім настають астрономічні присмерки, які тривають до повного зникнення освітлення неба в азимуті Сонця та появи на небі зірок шостої величини, тобто до настання ночі. Перехід до густої нічної темряви здебільшого відбувається при куті занурення Сонця близько 18°.

У розпал літа у достатньо високих широтах вечірні присмерки не встигають перейти у нічну темряву, як змінюються ранковими присмерками. Такі періоди доби називаються білими ночами. Класичні білі ночі, коли зливаються громадянські присмерки, починаються з широти 59,5°. Світлими літніми ночами славиться Санкт-Петербург (Росія). Однак у день літнього сонцестояння цілковита темрява не настає уже на широті 48,5°. Це означає, що астрономічні білі ночі можливі на значній частині території України.