Основные законы лучистой энергии

 

Основная часть лучистой энергии, излучаемой Солнцем, представляет собой ультрафиолетовые, видимые и инфракрасные лучи, то есть имеет длины волн от 0,1 до 30 мкм. Эта часть электромагнитного излучения Солнца называется солнечной радиацией.

Лучеиспускательной способностью тела Е_λ называется количество энергии определенной длины волны λ, которая излучается в единицу времени единицей поверхности тела. Она зависит от природы тела, его абсолютной температуры и длины волны.

Лучистая энергия, которая попадает на какое-нибудь тело, частично поглощается им и частично отражается. Тело, которое поглощает всю падающую на него лучистую энергию, называется абсолютно черным. В природе таких тел не существует.

Тело, которое отражает всю падающую на него энергию, называется зеркальным. Таких тел в природе тоже не существует.

Число, которое показывает, какая часть падающей на тело лучистой энергии с длиной волны λ поглощается им, называется его поглощающей способностью.

 

Закон Кирхгофа. Отношение лучеиспускательной способности тела к его поглощающего способносит есть величина постоянная для всех тел и равная лучеиспускательной способности ε_λ абсолютно черного тела при той же температуре.

.

 

Излучательная способность тела пропорциональная его поглощающей способности.

Из закона Кирхгофа следует, если при заданной температуре тело излучает лучистую энергию какой-то длины волны λ, то при той же температуре оно и поглощает лучистую энергию той же длины волны.

 

Закон Стефана-Больцмана. Полная лучеиспускательная способность черного тела ε пропорциональная четвертой степени ее абсолютной температуры.

 

ε = σ ·T,

 

где σ – постоянная Стефана-Больцмана;

Т – температура поверхности, которая излучает, К.

Полная излучательная способность естественных поверхностей несколько меньше излучаемой способности абсолютно черного тела. Поэтому для естественных поверхностей закон Стефана-Больцмана имеет такой вид:

 

Е = δ·σ·Т⁴,

 

где δ – относительный коэффициент излучения.

 

Закон Вина. Произведение длины волны λ_т, что отвечает максимальной лучеиспускательной способности тела, на его абсолютную температуру Т, есть величина постоянная.

 

λ_т · Т = 2898 мкм·град. (1)

 

Формула (1) позволяет найти температуру тела, если известная длина волны, которая отвечает максимальной лучеиспускательной способности тела. И наоборот, можно определить, какова длина волны, на которую при излучении тела при заданной температуре приходится наибольшая энергия. Из закона Вина вытекает, что чем выше температура абсолютно черного тела, тем короче длина волны, на которую приходится максимум энергии в его излучении. Таким образом, при изменении температуры тела положение максимума энергии в его спектре сдвигается в сторону более длинных или более коротких волн. Поэтому закон Вина носит название также “закона сдвига”.

Солнечной постоянной S₀ называют плотность потока солнечной радиации на верхней границе атмосферы при среднем расстоянии от Земли до Солнца.

По международному соглашению приняты значения S₀ = 1,382 Вт/м².

 

Потоки солнечной энергии

 

Солнечная радиация – это энергия электромагнитного излучения Солнца.

 

Солнечная радиация, которая поступила на верхнюю границу атмосферы, на своем пути к земной поверхности претерпевает ряд изменений, вызванных ее поглощением и рассеянием в атмосфере.

Радиацию, которая приходит на Землю непосредственно от солнечного диска называють прямой солнечной радиациейS. (Радиация, которая поступила от Солнца в атмосферу и потом на земную поверхность в виде параллельного пучка лучей, называется прямой солнечной радиацией).

Рассеянная радиация D приходит на земную поверхность от всего небесного свода и оценивается потоком солнечной радиации, т.е. количеством энергии, которое приходит в единицу времени на единицу горизонтальной поверхности. (Часть солнечной радиации рассеивается молекулами атмосферных газов и аерозолями и поступает в земную поверхность в виде рассеянной радиации).

Часть солнечной радиации, которая отражается от земной поверхности и атмосферы (в основных, от облаков), называется отраженной радиацией.

Земля и атмосфера непрерывно излучают невидимую инфракрасную радиацию. Излучение Земли почти полностью поглощается атмосферой. Часть излучения атмосферы, направленная к Земле, называется встречным излучением атмосферы.

Часть атмосферного излучения, направленная вверх и пошедшая через всю толщу атмосферы, направляется в мировое пространство и называется уходящим излучением атмосферы.

Все перечисленные потоки лучистой энергии отличаются друг от друга по спектральному составу, то есть по длинам волн. В метеорологии принять рассматривать радиацию:

q Коротковолновую (длины волн 0,1-4 мкм);

q Длинноволновую (4 – 120 мкм).

Солнечная радиация в основном является коротковолновой (ультрафиолетовая, видимая, инфракрасная). Радиация земной поверхности и атмосферы является длинноволновой.

Лучистая энергия характеризуется потоком радиации.

Поток радиации – это количество лучистой энергии, которая поступает в единицу времени на единицу поверхности. Измеряется в Вт/м².

Количество прямой радиации S, что приходит в единицу времени на единицу поверхности, перпендикулярной солнечным лучам, называется плотностью потока прямой радиации.

Раздел метеорологии, который изучает солнечную, земную и атмосферную радиацию, называется актинометрией. Основная задача актинометрии – измерение потоков лучистой энергии. Рассеяние радиации в атмосфере происходит главным образом молекулами атмосферных газов и аэрозолями (пыль, капли тумана, облака). Интенсивность рассеяния зависит от количества рассеивающих частиц в единице объема, от их величины и природы, а также от длин волн самой радиации, которая рассеивается.

По закону Релея интенсивность молекулярного рассеяния обратно пропорциональная четвертой степени длины волны, то есть:

 

K = C/λ⁴,

 

К – коэффициент интенсивности рассеяние;

λ – длина волны,

С – коэффициент, который зависит от числа молекул газа в единица объема газа и от природы газа.

Таблица 1.1 - Значение коэффициента рассеяние в чистом и сухом воздухе при

нормальном давлении для разных длин волн

λ, мкм	0,760 (красные)	0,589 (желтые)	0,486 (голубые)	0,396 (фиолетовые)
К · 10^-7	0,31	0,86	1,9	4,4

 

Из таблицы видно, что лучи рассеиваются тем сильнее, чем меньше длина волны. Фиолетовые лучи рассеиваются в 14 раз сильнее красных. Этим объясняется голубой цвет неба. Хотя фиолетовые и синие лучи рассеиваются еще сильнее, чем голубые, их энергия значительно меньше. Поэтому, в рассеянном свете преобладает голубой цвет.