Солнечная радиация, приборы для ее измерения

 

Лучистая энергия Солнца, или солнечная радиация – основной источник энергии, приходящей на деятельную поверхность Земли. Она необходима для создания органического вещества в процессе фотосинтеза, влияет на рост и развитие растений, на продолжительность их вегетации, определяет урожайность.

Солнечная радиация состоит из трех составляющих: прямой солнечной радиации, рассеянной и суммарной.

Прямая солнечная радиация (S) – поток солнечных лучей, непосредственно падающих на поверхность Земли. Её интенсивность измеряется в калориях на см² в минуту. Она зависит от высоты солнца и состояния атмосферы (облачности, пыли, водяного пара). Это коротковолновая часть спектра, измеряемая актинометром (рис. 2.1).

Рисунок 2.1 – Приборы для измерения радиации: а - актинометр М-3; б - пиранометр M-80M: 1 – термобатарея, 4 – стеклянный колпак, 5 – экран (по А.П. Лосеву, 1994)

Актинометр устанавливается на горизонтальной площадке, нацеливается на солнце, закрепляется, открывается крышка, провода присоединяются к клеммам гальванометра. Если стрелка уходит за «0», провода меняют местами. На концах трубки есть кольца для нацеливания на солнце. На одном отверстие, на другом – точка. Пучок света проходит через отверстие и точно попадает на точку. Крышку закрывают и берут первый отсчет. Крышку снимают с интервалом 10-15 сек, каждый раз записывая отчет и время наблюдения.

Приход прямой радиации на земную поверхность зависит от угла падения солнечных лучей. Поток прямой солнечной радиа­ции, падающей на горизонтальную поверхность, называют инсо­ляцией.

На негоризонтальную земную поверхность приход радиации зависит не только от высоты Солнца, но и от наклона поверхности, ее ориентации по отношению к сторонам света (экспо­зиции). Разница в приходе радиации особенно заметна весной и осенью, когда Солнце над горизонтом стоит невысоко. В результате на южных склонах даже при крутизне всего 3-5⁰ раньше сходит снег, почва прогревается и поспевает на 7-10 суток раньше, чем на северных, что позволяет проводить посев в более ранние сроки.

Рассеянная радиация (D) – часть солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность со всех точек небесного свода за исключением солнца. Измеряется она пиранометром, затененным от прямой радиации. Это коротковолновая часть спектра. Длина волны 0,17-4,0 мк.

Суммарная радиация (Q) – состоит из рассеянной и прямой радиации на горизонтальную поверхность: Q= D+S

Суммарная радиация в пасмурную погоду состоит из одной рассеянной.

Отраженная солнечная радиация (R_k) – часть суммарной радиации, которая отражается земной поверхностью.

Интенсивность суммарной (Q),рассеянной (D)и отраженной (R_K)радиации измеряют пиранометром М-80М (рис. 2.1). При расположении приемной части вверх без затенения измеряют Q, при затенении – Д, а направив ее вниз – R_K.

Отражательную способность любой поверхности можно характеризовать величиной ее альбедо (Ак), под которым понимают отношение отраженной солнечной радиации к суммарной. Альбедо обычно выражают в процентах:

А = R_k: Q 100 %.

Для непосредственного измерения и регистрации радиационного баланса служит балансомер (рис. 2.2). Приемником прибора являются две зачерненные с наружной стороны пластинки, расположенные параллельно. К внутренней стороне пластинок приклеены спаи термоэлектических батарей. Подсоединяется к гальванометру. Устанавливается на деревянной рейке на высоте 1,5 м от земли.

Радиационная энергия солнечного потока в Международной системе единиц (СИ) выражается в ваттах на квадратный метр (Вт/м²). Сумма солнечной радиации за какой-либо промежуток времени измеряется в Дж/(м²ч), Дж/(м²сут) и т.д.

Соотношения между единицами: 1,0 кал/(см² мин) = 698 Дж/м² сек) = 698 Вт/м²;

1 кал/см² = 4,19 х 10⁴ Дж/м²;

10⁶ Дж/м² = 1 МДж/м².

 

 

Рисунок 2.3 – Балансомер М-10М:1- корпус, 2- приемная пластинка, 5- медный бру­сок, 6- изоляция, 9- серебряный слой, 10- константановая лента, 11- рукоятка, 12- теневой экран, 16- винт, 17- чехол (по А.П. Лосеву, 1994)

 

Растения усваивают только часть солнечной энергии – фотосинтетически ак­тивную радиацию (ФАР), световые лучи с длиной волны от 0,38 до 0,71 мкм. Ее величина рассчитывается по формуле:

ФАР = 0,43S + 0,57Д,

где S – прямая радиация, поступающая на горизонтальную поверхность;

D – рассеянная радиация.

Используе­мая часть ФАР растениями на фотосинтез и выраженная в процентах, называется коэффициентом использования или коэффици­ентом полезного действия ФАР. По А.А. Ничипорович, посевы сельскохозяйственных культур по использованию ФАР делятся на группы: обычные, использующие 0,5-1,5 % солнечной радиации; хоро­шие, использующие 1,5-3,0 %; рекордные – 3,5-5,0 %; теоретически воз­можные – 6-8 %. В сильной степени различается приход солнечной энергии и в зависимости от длины вегетационного периода зоны.

Фитосинтетическая активная радиация (ФАР) позволяет получать такую урожайность возделываемых культур в регионе, которую даже опытные учреждения и сортоучастки пока не имеют. Только за май, июнь, июль в районах Среднего Урала ФАР составляет 2,0 млр. ккал/га, за апрель – октябрь – 3,3 млр. ккал/га. Энергоемкость 1 г сухого вещества на Урале 4,5 ккал (Трушин В. Ф., 1990).

Потенциальная урожайность (пу), т/га определяется по формуле:

Упу = Gфар х Кg: 100g,

где Gфар – сумма ФАР за период вегетации культуры, МДж/га;

Кg – коэффициент полезного использования ФАР, %;

g – калорийность единицы сухого органического вещества.

Месячные суммы ФАР (МДж/м² месяц) на метеостанции Свердловска:

март 172, апрель 235, май 293, июнь 323, июль 302, август 235, сентябрь 142, октябрь 71.

Задачи:

1. Рассчитать потенциальную урожайность ячменя на Южном Урале, если посевы используют 2 % ФАР при продолжительности вегетационного периода с 1 мая по 10 августа. Калорийность ячменя 17000 МДж/т.

2. Вычислить потенциальную урожайность овса при коэффициенте использования ФАР 2,5 %. За вегетационный период сумма ФАР равна 1050 МДж/м², калорийность овса 16500 МДж/т.

3. Посевами пшеницы занято 600 га. Вычислить потенциальную урожайность и валовой сбор зерна при продолжительности вегетационного периода с 1 мая по 15 августа. Коэффициент использования ФАР 1,5 %. Калорийность пшеницы 18000 МДж/т.

 

Вопросы.

1. Виды солнечной радиации?

2. Радиационный баланс?

3. Фотосинтетически активная радиация (ФАР)?

4. В каких единицах измеряется интенсивность солнечной радиации?

5. Приборы для измерения солнечной радиации?

6. Значение солнечной радиации?