Параметри сонячного випромінювання

 

Сонце є основним зовнішнім джерелом світла й енергії для Землі та її атмосфери, завдяки якому існує життя на планеті. Сонце має вигляд розжареної кулі радіусом 6,96 ∙108м, маса якої становить 1,991 ∙ 1030 кг. Відстань між Сонцем і Землею - 1,496 ∙1011 м. Склад сонячного середовища - водень (64%), гелій (32%) і суміш важких елементів (4%). Температура Сонця у центрі – 2 ∙ 107°С, на поверхні - 6000°С. За такої високої температури відбувається іонізація молекул сонячного середовища та ядерні реакції. Ці процеси супроводжуються виділенням великої кількості енергії. Щорічне енергія Сонця, що приймається Землею, становить 5,5 ∙ 1024 Дж; потужність - 1,5 ∙ 1018 кВт за годину. Сонце можна порівняти з абсолютно чорним тілом, температура якого дорівнює 6000 К. Спектральна область сонячного випромінювання становить 200...5000 нм; максимум випромінюванню припадає на 500 нм. Спектр сонячного випромінювання, ще досягає земної поверхні, складається з ультрафіолетової (200...400 нм), видимої (400...700 нм) та інфрачервоної (>700 нм) частин. На ультрафіолетову частину спектра припадає 5%, видиму - 35% і на інфрачервону - 60% сонячного випромінювання.

Спектр зовнішнього сонячного випромінювання нагадує спектр випромінювання абсолютно чорного тіла при температурі 6000 К з максимумом близько 0,5 мкм. Після проходження крізь земну атмосферу сонячне випромінювання істотно поглинається на певних довжинах хвиль (озоном у ультрафіолетовій області спектра, водяною парою та двоокисом вуглецю - в інфрачервоній). На зміну характеру сонячного спектра впливають також процеси розсіювання світла малими за розмірами молекулами повітря (розсіювання Релея) та великими частинками пилу, диму та аерозолів (розсіювання Мі). Крім того, на характер спектра сонячного випромінювання впливають висота стояння Сонця, хмарність неба, склад атмосфери.

Сонячне випромінювання розподіляється таким чином: близько 17% поглинається хмарами, водяною парою, двоокисом вуглецю, що сприяє безпосередньому нагріванню атмосфери; близько 30% відбивається від хмар, атмосферних газів та частинок; близько 53% досягає земної поверхні: дві третини у вигляді прямого сонячного світла, одна третина у вигляді розсіяного світла.

Атмосферне випромінювання та випромінювання земної поверхні

 

На земну поверхню діє довгохвильове випромінювання атмосфери, за яке відповідає насамперед водяна пара, зокрема двоокис вуглецю та озон. Ці компоненти поглинають та випромінюють в області: вода – 5...7 мкм, а також на довжинах хвиль, що перевищують 17 мкм; двоокис вуглецю - близько 4,5 мкм та на довжинах хвиль, більших ніж 13,5 мкм; озон - близько 9,6 мкм. Крім того, атмосферні аерозолі беруть участь у тепловому випромінюванні. Загалом, спектр випромінювання атмосфери займає область 5...100 мкм.

Справді, атмосферне теплове випромінювання залежить від концентрації водяної пари в межах перших кількох кілометрів, особливо перших сотень метрів.

Завдяки енергетичній світності атмосфери земна поверхня освітлюється; енергетична освітленість земної поверхні дорівнює енергетичній світності атмосфери. Слід зазначити, що атмосферне випромінювання спрямоване як до земної поверхні, так і вгору.

Земна поверхня діє як сіре тіло з температурою 288 К. Спектральна область випромінювання - 4...50 мкм з максимумом 10 мкм. Випромінювання земної поверхні майже повністю поглинається атмосферою (зокрема водяною парою, двоокисом вуглецю та озоном), за винятком своєрідних спектральних ділянок - так званих «вікон прозорості», через які випромінювання здатне проходити в космос.

 

Методи вимірювання природних випромінювань

 

Класифікація радіометрів

Прилади, призначені для вимірювання природних випромінювань, називають радіометрами. Сенсори радіометрів можна поділити на два типи: теплові й квантові детектори.

Теплові детектори

В основі дії сенсорів цього типу лежить поглинання випромінювання та його перетворення на теплову енергію такої форми, яку можна вимірювати. До основних типів теплових детекторів відносять:

- калориметри, в яких реєструються зміни температури матеріалу детектора;

- термопари та термобатареї, в яких реєструється електрорушійна сила (напруга) в електричному ланцюзі, що складається з послідовно з’єднаних різнорідних провідників, контакти яких мають різну температуру;

- болометри, принцип дії яких полягає в реєстрації залежності опору провідника, напівпровідника або надпровідника від температури;

- піроелектричні детектори, в основі яких лежить використання залежності поляризації піроактивного кристалу від зміни його температури при опромінюванні; струм, що проходить через кристал, реєструється.

Радіометри з тепловими детекторами класифікуються на:

- піргеліометри - прилади для вимірювання прямого сонячного випромінювання за нормального падіння;

- піранометри - прилади для вимірювання сонячного випромінювання, що надходять з цілої півсфери;

- піргеометри - прилади для вимірювання низхідного (атмосферного) або висхідного (земної поверхні) довгохвильового випромінювання в межах цілої півсфери;

- піррадіометри - прилади для вимірювання сумарного випромінювання (коротко та довгохвильового), що проходить крізь горизонтальну площину.

Квантові детектори

Ці сенсори ґрунтуються на поглинанні енергії фотона, звільненні електронів та утворенні електричного струму. Кінцевим параметром, що реєструється, може бути напруга, зміна швидкості посилання електронів або провідність сенсора. Залежно від цього радіометри з квантовими детекторами поділяють на:

- фотогальванічні детектори, в яких реєструється напруга, що виникає на фотоелементі під впливом зовнішнього випромінювання;

- фотовипромінювальні детектори, принцип дії яких полягає в перетворенні енергії оптичного вимірювання в електричну за зовнішнього (фотоелектронні помножувачі) або внутрішнього (фотодіоди) фотоефекту;

- фотопровідні детектори, які використовують аналіз залежності електропровідності матеріалу детектора від потоку випромінювання, що потрапляє на цей матеріал.