Общая характеристика солнечной радиации

Лучистая энергия Солнца, или солнечная радиация, является основным источником тепла для поверхности Земли и для ее атмосферы. Радиация, поступающая от звезд и Луны, ничтожно мала по сравнению с солнечной радиацией и существенного вклада в тепловые процессы на Земле не вносит. Так же ничтожно мал поток тепла, направленный к поверхности из глубин планеты. Солнечная радиация распространяется по всем направлениям от источника (Солнца) в виде электромагнитных волн со скоростью, близкой к 300 000 км/сек. В метеорологии рассматривают преимущественно тепловую радиацию, определяемую температурой тела и его излучательной способностью. Тепловая радиацияимеет длины волн от сотен микрометров до тысячных долей микрометра. Рентгеновское излучение и гамма-излучение в метеорологии не рассматриваются, так как в нижние слои атмосферы они практически не поступают.

Тепловую радиацию принято подразделять на коротковолновую и длинноволновую. Коротковолновой радиацией называют радиацию в диапазоне длин волн от 0,1до 4 мкм, длинноволновой - от 4 до 100 мкм. Солнечная радиация, поступающая к поверхности Земли, на 99% является коротковолновой. Коротковолновую радиацию подразделяют на ультрафиолетовую (УФ), с длинами волн от 0,1 до 0,39 мкм; видимый свет (ВС) - 0,4 - 0,76 мкм; инфракрасную (ИК) - 0,76 - 4 мкм. ВС и ИК радиация дают наибольшую энергию: на ВС приходится 47% лучистой энергии, на ИК - 44%, а на УФ - только 9% лучистой энергии. Такое распределение тепловой радиации соответствует распределению энергии в спектре абсолютно черного тела с температурой в 6000К. Эту температуру считают условно близкой к фактической температуре на поверхности Солнца (в фотосфере, являющейся источником лучистой энергии Солнца). Максимум лучистой энергии при такой температуре излучателя, согласно закону Вина

l= 0,2898/Т (см*град). (28)

приходится на сине-голубые лучи с длинами около 0,475 мкм (l.- длина волны, Т - абсолютная температура излучателя).

Общее количество излучаемой тепловой энергии пропорционально, согласно закону Стефана-Больцмана, четвертой степени абсолютной температуры излучателя:

Е = sТ⁴ (29)

где s = 5,7*10^-8 Вт/м²*К⁴ (постоянная Стефана-Больцмана).

Количественной мерой солнечной радиации, поступающей на поверхность, служит энергетическая освещенность, или плотность потока радиации. Энергетическая освещенность - это количество лучистой энергии, поступающей на единицу площади в единицу времени. Она измеряется в Вт/м² (или кВт/м²). Это означает, что на 1 м² в секунду поступает 1 Дж (или 1 кДж) лучистой энергии. Энергетическую освещенность солнечной радиации, падающей на площадку единичной площади, перпендикулярную солнечным лучам в единицу времени на верхней границе атмосферы при среднем расстоянии от Земли до Солнца называют солнечной постоянной S_о. При этом под верхней границей атмосферы понимают условие отсутствия воздействия атмосферы на солнечную радиацию. Поэтому величина солнечной постоянной определяется только излучательной способностью Солнца и расстоянием между Землей и Солнцем. Современными исследованиями с помощью спутников и ракет установлено значение S_о, равное 1367 Вт/м² с ошибкой ±0,3%, среднее расстояние между Землей и Солнцем в этом случае определено как 149,6*10⁶ км. Если учитывать изменения солнечной постоянной в связи с изменением расстояния между Землей и Солнцем, то при среднегодовом значении 1,37 кВт/м², в январе она будет равна 1,41 кВт/м², а в июне - 1,34 кВт/м², следовательно, северное полушарие за летний день получает на границе атмосферы несколько меньше радиации, чем Южное полушарие за свой летний день.

В связи с постоянным изменением солнечной активности солнечная постоянная, возможно, испытывает колебания из года в год. Но эти колебания, если они и существуют, настолько малы, что лежат в пределах точности измерений современных приборов. Но за время существования Земли солнечная постоянная, вероятнее всего, меняла свое значение.

Зная солнечную постоянную, можно рассчитать количество солнечной энергии, поступающей на освещенное полушарие на верхней границе атмосферы. Оно равно произведению солнечной постоянной на площадь большого круга Земли. При среднем радиусе земли, равном 6371 км, площадь большого круга составляет p*(6371)² = 1,275*10¹⁴ м², а приходящая на нее лучистая энергия - 1,743*10¹⁷ Вт. За год это составит 5,49*10²⁴ Дж.

Приход солнечной радиации на горизонтальную поверхность на верхней границе атмосферы называют солярным климатом. Формирование солярного климата определяется двумя факторами - продолжительностью солнечного сияния и высотой Солнца. Количество радиации, приходящейся на границе атмосферы на единицу площади горизонтальной поверхности пропорционально синусу высоты Солнца, которая меняется не только в течение дня, но и зависит от времени года. Как известно, высота Солнца для дней солнцестояния определяется по формуле 90⁰ - (j±23,5⁰), для дней равноденствия - 90⁰-j, где j - широта места. Таким образом, высота Солнца на экваторе меняется в течение года от 90 до 66,5⁰, в тропиках - от 90 до 43⁰, на полярных кругах - от 47 до 0⁰ и на полюсах - от 23,5 до 0⁰. В соответствии с таким изменением высоты Солнца зимой в каждом полушарии приток солнечной радиации на горизонтальную площадку быстро убывает от экватора к полюсам. Летом картина более сложная: в середине лета максимальные значения приходятся не на экватор, а на полюса, где продолжительность дня составляет 24 часа. В годовом ходе во внетропической зоне наблюдается один максимум (летнее солнцестояние) и один минимум (зимнее солнцестояние). В тропической зоне приток радиации достигает максимума два раза в год (дни равноденствия). Годовые количества солнечной радиации меняются от 133*10² МДж/м² (экватор) до 56*10² МДж/м² (полюса). Амплитуда годового хода на экваторе небольшая, во внетропической зоне - значительная.

 

Прямая солнечная радиация

Прямой солнечной радиациейназывают радиацию, приходящую к земной поверхности непосредственно от солнечного диска. Несмотря на то, что солнечная радиация распространяется от Солнца по всем направлениям, к Земле она приходит в виде пучка параллельных лучей, исходящих как бы из бесконечности. Приток прямой солнечной радиации на земную поверхность или на любой уровень в атмосфере характеризуется энергетической освещенностью - количеством лучистой энергии, поступающей за единицу времени на единицу площади. Максимальный приток прямой солнечной радиации будет поступать на площадку, перпендикулярную солнечным лучам. Во всех остальных случаях энергетическая освещенность будет определяться высотой Солнца, или синусом угла, который образует солнечный луч с поверхностью площадки

S’=S sin h_c (30)

В общем случае S (энергетическая освещенность площадки единичной площади, перпендикулярной солнечным лучам) равно S_o. Поток прямой солнечной радиации, приходящийся на горизонтальную площадку, называется инсоляцией.

Продолжительность солнечного сияния — это время, в течение которого прямые солнечные лучи освещают земную поверхность. Продолжительность солнечного сияния является важным элементом климата и зависит от длины дня, определяемой широтой местности и временем года, и облачности. На метеостанции она определяется гелиографами. Продолжительность солнечного сияния выражают либо в часах, либо в процентах от наиболее возможной продолжительности.

Продолжительность солнечного сияния возрастает от полярных широт к тропикам. В Арктике относительная продолжительность составляет 25% и ниже, в Северной Европе — около 40%, в Италии — 50%. Максимум продолжительности солнечного сияния отмечают в субтропических пустынях (например, в Аризоне — 88%, а в летнее время до 97% возможной). В дождливых областях близ экватора — 35%.

В годовом ходе максимум продолжительности солнечного сияния для умеренных широт приходится на июль-август, в пустынях субтропиков — на июнь и сентябрь. Внутри тропиков максимум солнечного сияния наблюдается в сухой период, минимум — во влажный (особенно в муссонных районах).

Горы в среднем беднее солнечным сиянием, чем прилегающие равнины из-за сильного развития облаков конвекции летом. Но зимой в высокогорье больше солнечного сияния, чем на низменности. Это является важным преимуществом горных курортов.

Самые солнечные часы суток в Средней Европе летом от 10 до 11 часов, зимой от 13 до 14 часов. На горных вершинах максимум приходится на два часа раньше. В тропиках наиболее богаты солнечным сиянием утренние часы — 8-9 часов.

В больших городах загрязнение воздуха снижает продолжительность солнечного сияния до 20% и более по сравнению с сельской местностью.

Условия облачности можно характеризовать также и числом ясных и пасмурных дней. Вот несколько экстремальных значений: Ифрена (Ливия) — 293 ясных дня в году, Термез (Узбекистан) — 260 дней, Имандра (Кольский п-ов) — 9 ясных дней в году, на горной станции Бен-Невис в Шотландии — 247 пасмурных дней в году, на восточном берегу острова Тайвань — 233 пасмурных дня.