Поляризация света. История открытия и исследований

Возвращаясь из Исландии, моряки привозили необычные прозрачные кристаллы известкового шпата (CaCO3), которые часто имели форму правильного ромбоэдра. В 1669 году датский учёный Э. Бартолин сообщил о своих опытах с этими кристаллами. Он с удивлением обнаружил, что луч света при прохождении сквозь кристалл расщепляется на два луча (называемых теперь обыкновенным и необыкновенным). Бартолин провёл тщательные исследования обнаруженного им явления двойного лучепреломления, однако объяснения ему дать не смог.

Через 20 лет после опытов Э. Бартолина его открытие привлекло к себе внимание голанского учёного Х. Гюйгенса. Он сам начал исследовать свойства кристаллов исландского шпата и дал объяснение двойного лучепреломления на основе своей волновой теории света. При этом он ввёл важное понятие оптической оси кристалла, при вращении вокруг которой отсутствует анизотропия свойств кристалла, то есть их зависимость от направления (конечно, такой осью обладают не все кристаллы).

 

В своих опытах Гюйгенс пошёл дальше Бартолина, пропуская оба луча, вышедшие из кристалла исландского шпата, сквозь второй такой же кристалл. Оказалось, что если оптические оси обоих кристаллов параллельны, то дальнейшее разложение этих лучей уже не происходит. Если же второй ромбоэдр повернуть вокруг направления распространения обыкновенного луча на угол 180 градусов, то при прохождении через второй кристалл необыкновенный луч претерпевает сдвиг в направлении, противоположном сдвигу в первом кристалле, и из такой системы оба луча выйдут соединёнными в один пучок. Выяснилось также, что в зависимости от величины угла поворота между оптическими осями кристаллов изменяется интенсивность обыкновенного и необыкновенного лучей. Эти исследования вплотную подвели Гюйгенса к открытию явления поляризации света, однако решающего шага он сделать не смог, поскольку световые волны в его теории предполагались продольными. Для объяснения опытов Гюйгенса Исаак Ньютон, придерживающийся корпускулярной теории света, выдвинул идею об отсутствии осевой симметрии светового луча и этим сделал важный шаг к пониманию поляризации света.

В 1808 году французский физик Э. Малюс, глядя сквозь кусок исландского шпата на блестевшие в лучах заходящего солнца окна Люксембургского дворца в Париже, к своему удивлению, заметил, что при определённом положении кристалла было видно лишь одно изображение. На основании этого и других опытов и опираясь на корпускулярную теорию света Ньютона, он предположил, что корпускулы в солнечном свете ориентированы беспорядочно, но после отражения от какой-либо поверхности или прохождения сквозь анизотропный кристалл они приобретают определённую ориентацию. Такой «упорядоченный» свет он назвал поляризованным.

В 1932 году группа американских учёных во главе с Е. Лэндом изобрела первый оптический поляризатор, который оказывает на световые волны действие, аналогичное описанному выше. Для изготовления такого поляризатора было выбрано вещество, состоящее из длинных углеводородных цепей. Затем его растянули, чтобы молекулы выстроились вдоль направления растяжения, и опустили в раствор йода. Молекулы йода «прикрепились» к углеводородным цепям и отдали в них электроны, свободно перемещающиеся вдоль нитей. При падении электромагнитной волны на получившуюся решётку составляющая электрического поля, параллельная нитям, затухает, так как полю приходится совершать работу, разгоняя электроны вдоль нитей; перпендикулярная нитям составляющая электрического поля проходит через такой поляризатор, практически не затухая.

 

15. Дисперсия света (разложение света) — это явление зависимости абсолютного показателя преломления вещества от длины волны света (частотная дисперсия), а также, от координаты (пространственная дисперсия), или, что то же самое, зависимость фазовой скорости света в веществе от длины волны (или частоты). Экспериментально открыта Ньютоном около 1672 года, хотя теоретически достаточно хорошо объяснена значительно позднее.

Один из самых наглядных примеров дисперсии — разложение белого света при прохождении его через призму (опыт Ньютона). Сущностью явления дисперсии является неодинаковая скорость распространения лучей света c различной длиной волны в прозрачном веществе — оптической среде (тогда как в вакууме скорость света всегда одинакова, независимо от длины волны и следовательно цвета). Обычно чем больше частота волны, тем больше показатель преломления среды и меньше ее скорость света в ней:

у красного цвета максимальная скорость в среде и минимальная степень преломления,

у фиолетового цвета минимальная скорость света в среде и максимальная степень преломления.

Аномальная дисперсия — вид дисперсии света, при которой показатель преломления среды уменьшается с увеличением частоты световых колебаний.

,

где — показатель преломления среды,

— частота волны.

Согласно современным представлениям и нормальная, и аномальная дисперсии представляют собой явления единой природы. Эта точка зрения основывается на электромагнитной теории света, с одной стороны, и на электронной теории вещества, — с другой. Термин «аномальная дисперсия» сохраняет сегодня лишь исторический смысл, поскольку «нормальная дисперсия» — это дисперсия вдали от длин волн, при которых происходит поглощение света данным веществом, а «аномальная дисперсия» — это дисперсия в области полос поглощения света веществом.

Отличие аномальной дисперсии от нормальной в том, что в некоторых веществах (например в парах иода) при разложении света при прохождении призмы, синие лучи преломляются меньше, чем красные, а другие лучи поглощаются веществом и от наблюдения ускользают. В нормальной дисперсии наоборот, красный свет преломляется на угол, меньший, чем тот, на который преломляется фиолетовый. (подробнее смотри тему "Дисперсия")

Дисперсия света позволила впервые вполне убедительно показать составную природу белого света. Белый свет разлагается на спектр и в результате прохождения через дифракционную решётку или отражения от нее (это не связано с явлением дисперсии, а объясняется природой дифракции). Дифракционный и призматический спектры несколько отличаются: призматический спектр сжат в красной части и растянут в фиолетовой и располагается в порядке убывания длины волны: от красного к фиолетовому; нормальный (дифракционный) спектр — равномерный во всех областях и располагается в порядке возрастания длин волн: от фиолетового к красному.

Поглощение света - явление ослабления яркости света при его прохождении через вещество или при отражении от поверхности. Поглощение света происходит вследствие преобразования энергии световой волны во внутреннюю энергию вещества или в энергию вторичного излучения, имеющего иной спектральный состав и иное направление распространения.

 

Закон Бугера — Ламберта — Бера — физический закон, определяющий ослабление параллельного монохроматического пучка света при распространении его в поглощающей среде.

Закон выражается следующей формулой:

,

где I0 — интенсивность входящего пучка, l — толщина слоя вещества, через которое проходит свет, kλ — показатель поглощения.

Показатель поглощения — коэффициент, характеризующий свойства вещества и зависящий от длины волны λ поглощаемого света. Эта зависимость называется спектром поглощения вещества.

Цвет — качественная субъективная характеристика электромагнитного излучения оптического диапазона, определяемая на основании возникающего физиологического зрительного ощущения, и зависящая от ряда физических, физиологических и психологических факторов. Индивидуальное восприятие цвета определяется его спектральным составом, а также цветовым и яркостным контрастом c окружающими источниками света, а также несветящимися объектами. Очень важны такие явления, как метамерия; особенности человеческого глаза, и психики.

Спектр поглощения — зависимость интенсивности поглощённого веществом излучения (как электромагнитного, так и акустического) от частоты. Он связан с энергетическими переходами в веществе. Спектр поглощения характеризуется так называемым коэффициентом поглощения который зависит от частоты и определяется как обратная величина к расстоянию, на котором интенсивность прошедшего потока излучения снижается в e раз. Для различных материалов коэффициент поглощения и его зависимость от длины волны различны..

С сегодняшних позиций, нормальная дисперсия — это дисперсия вдали от длин волн, при которых происходит поглощение света данным веществом, тогда как аномальная дисперсия — это дисперсия в области полос поглощения света веществом.

Спектральный анализ — совокупность методов качественного и количественного определения состава объекта, основанная на изучении спектров взаимодействия материи с излучением, включая спектры электромагнитного излучения, акустических волн, распределения по массам и энергиям элементарных частиц и др.

В зависимости от целей анализа и типов спектров выделяют несколько методов спектрального анализа. Атомный и молекулярный спектральные анализы позволяют определять элементарный и молекулярный состав вещества, соответственно. В эмиссионном и абсорбционном методах состав определяется по спектрам испускания и поглощения.

Масс-спектрометрический анализ осуществляется по спектрам масс атомарных или молекулярных ионов и позволяет определять изотопный состав объекта.

Тёмные линии на спектральных полосках были замечены давно (например, их отметил Волластон), но первое серьёзное исследование этих линий было предпринято только в 1814 году Йозефом Фраунгофером. В его честь эффект получил название «Фраунгоферовы линии». Фраунгофер установил стабильность положения линий, составил их таблицу (всего он насчитал 574 линии), присвоил каждой буквенно-цифровой код. Не менее важным стало его заключение, что линии не связаны ни с оптическим материалом, ни с земной атмосферой, но являются природной характеристикой солнечного света. Аналогичные линии он обнаружил у искусственных источников света, а также в спектрах Венеры и Сириуса.

Вскоре выяснялось, что одна из самых отчётливых линий всегда появляется в присутствии натрия. В 1859 году Г. Кирхгоф и Р. Бунзен после серии экспериментов заключили: каждый химический элемент имеет свой неповторимый линейчатый спектр, и по спектру небесных светил можно сделать выводы о составе их вещества. С этого момента в науке появился спектральный анализ, мощный метод дистанционного определения химического состава.

Для проверки метода в 1868 году Парижская академия наук организовала экспедицию в Индию, где предстояло полное солнечное затмение. Там учёные обнаружили: все тёмные линии в момент затмения, когда спектр излучения сменил спектр поглощения солнечной короны, стали, как и было предсказано, яркими на тёмном фоне.

Природа каждой из линий, их связь с химическими элементами выяснялись постепенно. В 1860 году Кирхгоф и Бунзен при помощи спектрального анализа открыли цезий, а в 1861 году — рубидий. А гелий был открыт на Солнце на 27 лет ранее, чем на Земле (1868 и 1895 годы соответственно).

В 1933 году в Ленинградском институте исторической технологии впервые применили спектральный анализ древних металлических изделий

Принцип работы

Атомы каждого химического элемента имеют строго определённые резонансные частоты, в результате чего именно на этих частотах они излучают или поглощают свет. Это приводит к тому, что в спектроскопе на спектрах видны линии (тёмные или светлые) в определённых местах, характерных для каждого вещества. Интенсивность линий зависит от количества вещества и его состояния. В количественном спектральном анализе определяют содержание исследуемого вещества по относительной или абсолютной интенсивностям линий или полос в спектрах.

Оптический спектральный анализ характеризуется относительной простотой выполнения, отсутствием сложной подготовки проб к анализу, незначительным количеством вещества (10—30 мг), необходимого для анализа на большое число элементов.

Атомарные спектры (поглощения или испускания) получают переведением вещества в парообразное состояние путём нагревания пробы до 1000—10000 °C. В качестве источников возбуждения атомов при эмиссионном анализе токопроводящих материалов применяют искру, дугу переменного тока; при этом пробу помещают в кратер одного из угольных электродов. Для анализа растворов широко используют пламя или плазму различных газов.

Применение

В последнее время, наибольшее распространение получили эмиссионные и масс-спектрометрические методы спектрального анализа, основанные на возбуждении атомов и их ионизации в аргоновой плазме индукционных разрядов, а также в лазерной искре.

Спектральный анализ — чувствительный метод и широко применяется в аналитической химии, астрофизике, металлургии, машиностроении, геологической разведке, археологии и других отраслях науки.

В теории обработки сигналов, спектральный анализ означает анализ распределения энергии сигнала (например, звукового) по частотам, волновым числам и т. п.

 

16. Агрометеорология или сельскохозяйственная метеорология - наука, изучающая метеорологические, климатические и гидрологические условия в их взаимодействии с объектами и процессами сельскохозяйственного производства.

Агрометеорология в структурном плане представляет собой, научную систему специфических знаний, объединенных законами, методами и понятиями, раскрывающими связи объектов сельского хозяйства с погодой и климатом.

Агрометеорология сформировалась в конце XIX в. как прикладная отрасль метеорологии — науки о земной атмосфере и физических процессах, происходящих в ней. Метеорология изучает состав, плотность, температуру и влажность воздуха, лучистую энергию, движение и преобразование воздушных масс, облака, осадки, ураганы, заморозки, засухи и многие другие явления, происходящие в воздушной оболочке Земли во взаимодействии с поверхностью Мирового океана и суши. Эти явления, происходящие в атмосфере, называются метеорологическими явлениями.

Погода - состояние атмосферы в данном пункте в отдельный момент, характеризуемое совокупностью значений метеорологических величин.

Метеорологические величины - это различные характеристики состояния воздуха и некоторых атмосферных процессов. К основным метеорологическим величинам относятся атмосферное давление, температура воздуха, влажность воздуха, облачность, атмосферные осадки, ветер. К метеорологическим величинам можно также отнести характеристики лучистой энергии (солнечную радиацию, излучение Земли и атмосферы, продолжительность солнечного сияния).

Значения метеорологических величин за определенный период времени характеризуют метеорологические условия (условия погоды).

Климат - многолетний режим погоды в данной местности, обусловленный ее географическим положением.

Метеорологические величины и процессы в большей или меньшей степени влияют на рост, развитие и урожайность растений, на состояние и продуктивность животных, поэтому они изучаются и в агрометеорологии. При этом анализируется их влияние на растения и животных, на процессы сельского хозяйства во взаимодействии с водным и тепловым режимом почвы. Водный режим почвы характеризуют гидрологические величины.

Агрометеорологические факторы - метеорологические и гидрологические величины, определяющие состояние и продуктивность сельскохозяйственных объектов. Их сочетания в определенный период времени называют агрометеорологическими условиями существования объектов сельского хозяйства.

Агроклиматические условия — это многолетние характеристики агрометеорологических условий в данной местности.

Следовательно, агрометеорология изучает погоду и климат применительно к задачам сельского хозяйства, что не изучается ни одной из других сельскохозяйственных наук.

Агрометеорология тесно связана с другими отраслями метеорологии: физикой атмосферы, изучающей общие физические закономерности атмосферных процессов; синоптической метеорологией, изучающей эти процессы в целях разработки методов прогноза погоды; климатологией, исследующей процессы климатообразования, ресурсы климата и проблемы преобразования климата территорий разного масштаба; космической метеорологией и др.

Агрометеорология также тесно связана с физикой, географией, так как агрометеорологические явления изучаются в географическом и физическом аспектах; с почвоведением, физиологией растений, растениеводством, мелиорацией и другими сельскохозяйственными и биологическими науками.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Методы агрометеорологических исследований базируются на следующих основных законах.

1. Закон равнозначности (или незаменимости) основных факторов жизни. Сущность его состоит в том, что ни один из необходимых для развития растений основных факторов (воздух, свет, тепло, влага) не может быть ни исключен, ни заменен другим. Все они необходимы для жизни растений.

2. Закон неравноценности факторов среды для растений. Согласно этому закону, факторы среды по своему действию на растения подразделяются на основные и второстепенные (ветер, облачность, давление атмосферы и др.). Основные факторы оказывают непосредственное и сильное влияние на растения. Второстепенные играют косвенную роль, корректируя действие основных. Они усиливают или ослабляют действие основных факторов.

3. Закон минимума (или лимитирующего фактора), согласно которому при не изменяющихся других условиях уровень урожая определяется тем фактором, который находится в минимуме. Например, в засушливых зонах количество влаги является лимитирующим фактором урожая.

4. Закон оптимума (или совокупного действия факторов). Согласно этому закону, наивысшая продуктивность растений обеспечивается только оптимальным сочетанием разных факторов при непрерывном повышении агротехники возделывания растений.

5. Закон критических периодов, в соответствии с которым в отдельные периоды жизни растения особо чувствительны к определенным количественным значениям факторов среды, особенно к влаге, теплу, солнечной радиации.

Основные методы исследований агрометеорологии, опирающиеся на указанные законы, имеют целью установить количественные значения основных и второстепенных факторов среды, обусловливающих существование растений, их лимитирующие значения и оптимальные сочетания с учетом критических периодов. Для этого в агрометеорологии применяются следующие методы исследований:

1. Метод параллельных, или сопряженных, полевых наблюдений за метеорологическими явлениями и растениями, позволяющий устанавливать связь между условиями погоды и ростом, развитием, урожайностью сельскохозяйственных культур. Метод предусматривает измерение метеорологических величин параллельно (сопряженно) с наблюдениями за развитием сельскохозяйственных растений в поле.Сопряженные наблюдения позволяют также оценивать потребность растений в определенных количествах света, тепла, влаги, определять критические температуры различных сортов и культур, выявлять повреждения их заморозками и др.

2. Метод учащенных сроков посевов, при котором растения высеваются в поле в разные сроки и за их развитием и условиями погоды в данном месте ведутся сопряженные (параллельные) наблюдения. При использовании метода изучаемый сорт высевается через каждые 5—10 дней в течение вегетационного периода. Растения различных сроков сева развиваются в неодинаковых метеорологических условиях. В результате опыта даже в течение одного года можно получить информацию о влиянии разных комплексов метеорологических параметров на исследуемое растение в данной местности. Этот метод значительно ускоряет изучение устойчивости растений к неблагоприятным явлениям погоды.

3. Метод географических посевов, при котором в разных географических пунктах (в разных климатических условиях) высевают исследуемые сорта (гибриды) растений. Метод географических посевов позволяет решать ту же задачу, что и метод учащенных сроков сева, так как посевы данного сорта в разных климатических зонах находятся в различных условиях увлажнения, температуры, длины дня и т. д.

4. Метод экспериментально-полевой, при котором в полевых опытах с помощью специальных конструкций и приемов изменяются агрометеорологические условия, возделывания растений регулируется по программе опыта температура и влажность почвы, продолжительность и интенсивность освещения, высота снежного покрова.

5. Метод дистанционных (неконтактных) измерений с вертолетов, самолетов и спутников, позволяющий определять состояние посевов, термический режим, увлажнение и т. п. на больших площадях.

6. Метод фитотронов, позволяющий исследовать реакции растений на различные комплексы света, тепла, влаги в камерах искусственного климата.

7. Метод математического моделирования, который состоит в построении математической модели, позволяющей при помощи математического аппарата описывать влияние агрометеорологических условий на рост и развитие растений, их продуктивность.

8. Метод математической статистики, который позволяет обрабатывать массовые материалы наблюдений для установления связи развития и формирования продуктивности растений с условиями погоды.

Из перечисленных методов первый — метод сопряженных наблюдений положен в основу программы агрометеорологических наблюдений, проводящихся на метеорологических станциях.

3. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ

Задачи агрометеорологии определяются требованиями сельского хозяйства, его интенсификации путем механизации, химизации, мелиорации земель, селекции высокопродуктивных сортов культурных растений.

Основными задачами агрометеорологии являются:

1) исследование закономерностей формирования метеорологических и климатических условий сельскохозяйственного производства в географическом разрезе и во времени;

2) разработка методов количественной оценки влияния метеорологических факторов на развитие, состояние и продуктивность агроценозов, животных, на развитие и распространение вредителей и болезней сельскохозяйственных культур;

3) разработка методов агрометеорологических прогнозов;

4) обоснование размещения новых сортов и гибридов сельскохозяйственных культур и обоснование приемов наиболее полного использования ресурсов климата для повышения продуктивности земледелия;

5) разработка методов борьбы с неблагоприятными явлениями погоды и климата, изучение путей мелиорации микроклимата полей;

6) обоснование дифференцированного применения агротехники в соответствии со сложившимися и ожидаемыми условиями погоды;

7) агроклиматическое обоснование приемов мелиорации земель и интенсивной технологии в растениеводстве;

8) совершенствование методов оперативного обеспечения сельскохозяйственного производства агрометеорологической информацией и оценки ее экономической эффективности.

Для решения указанных задач, совершенствуя методы и средства исследований на основе научно-технического прогресса, агрометеорология изучает требования объектов сельского хозяйства к метеорологическим условиям и устанавливает количественные связи между этими условиями и процессами роста, развития и формирования урожая сельскохозяйственных растений. Эти задачи направлены на достижение основной цели—обеспечения всеми видами агрометеорологической информации агропромышленного комплекса страны на проектном, плановом и оперативном уровнях.

Со́лнечная радиа́ция — электромагнитное и корпускулярное излучение Солнца. Следует отметить, что данный термин является калькой с англ. Solar radiation («Солнечное излучение»), и в данном случае не означает радиацию в «бытовом» смысле этого слова (ионизирующее излучение).

Солнечная радиация измеряется по её тепловому действию (калории на единицу поверхности за единицу времени) и интенсивности (ватты на единицу поверхности). В целом, Земля получает от Солнца менее 0,5×10⁻⁹ от его излучения.

Электромагнитная составляющая солнечной радиации распространяется со скоростью света и проникает в земную атмосферу. До земной поверхности солнечная радиация доходит в виде прямых и рассеянных лучей. Всего Земля получает от Солнца менее одной двухмиллиардной его излучения. Спектральный диапазон электромагнитного излучения Солнца очень широк — от радиоволн (Солнечные радио всплески)^[1] до рентгеновских лучей — однако максимум его интенсивности приходится на видимую (жёлто-зелёную) часть спектра.

Существует также корпускулярная часть солнечной радиации, состоящая преимущественно из протонов, движущихся от Солнца со скоростями 300—1500 км/с (см. Солнечный ветер). Во время солнечных вспышек образуются также частицы больших энергий (в основном протоны и электроны), образующие солнечную компоненту космических лучей.

Энергетический вклад корпускулярной составляющей солнечной радиации в её общую интенсивность невелик по сравнению с электромагнитной. Поэтому в ряде приложений термин «солнечная радиация» используют в узком смысле, имея в виду только её электромагнитную часть.

Солнечная радиация — главный источник энергии для всех физико-географических процессов, происходящих на земной поверхности и в атмосфере (см. Инсоляция). Количество солнечной радиации зависит от высоты солнца, времени года, прозрачности атмосферы. Для измерения солнечной радиации служат пиранометры и пиргелиометры. Интенсивность солнечной радиации обычно измеряется по её тепловому действию и выражается в ваттах на единицу поверхности

Солнечная радиация сильно влияет на Землю только в дневное время, безусловно — когда Солнце находится над горизонтом. Также солнечная радиация очень сильна вблизи полюсов, в период полярных дней, когда Солнце даже в полночь находится над горизонтом. Однако зимой в тех же местах Солнце вообще не поднимается над горизонтом, и поэтому не влияет на регион. Солнечная радиация не блокируется облаками, и поэтому всё равно поступает на Землю (при непосредственном нахождении Солнца над горизонтом). Солнечная радиация — это сочетание ярко-жёлтого цвета Солнца и тепла, тепло проходит и сквозь облака. Солнечная радиация передаётся на Землю посредством излучения, а не методом теплопроводности.

Сумма радиации, полученной небесным телом, зависит от расстояния между планетой и звездой — при увеличении расстояния вдвое количество радиации, поступающее от звезды на планету уменьшается вчетверо (пропорционально квадрату расстояния между планетой и звездой). Таким образом, даже небольшие изменения расстояния между планетой и звездой (зависит от эксцентриситета орбиты) приводят к значительному изменению количества поступающей на планету радиации. Эксцентриситет земной орбиты тоже не является постоянным — с течением тысячелетий он меняется, периодически образуя практически идеальный круг, иногда же эксцентриситет достигает 5 % (в настоящее время он равен 1,67 %), то есть в перигелии Земля получает в настоящее время в 1,033 больше солнечной радиации, чем в афелии, а при наибольшем эксцентриситете — более чем в 1,1 раза. Однако гораздо более сильно количество поступающей солнечной радиации зависит от смен времён года — в настоящее время общее количество солнечной радиации, поступающее на Землю, остаётся практически неизменным, но на широтах 65 С. Ш. (широта северных городов России, Канады) летом количество поступающей солнечной радиации более чем на 25 % больше, чем зимой. Это происходит из-за того, что Земля по отношению к Солнцу наклонена под углом 23,3 градуса. Зимние и летние изменения взаимно компенсируются, но тем не менее по росту широты места наблюдения всё больше становится разрыв между зимой и летом, так, на экваторе разницы между зимой и летом нет. За Полярным кругом же летом поступление солнечной радиации очень высоко, а зимой очень мало. Это формирует климат на Земле. Кроме того, периодические изменения эксцентриситета орбиты Земли могут приводить к возникновению различных геологических эпох: к примеру, ледникового периода.

Источник солнечной радиации - Солнце - раскаленный газовый шар объемом в 13 млн раз больше Земли и массой, составляющей 99,87% Солнечной системы. От Солнца до Земли доходит 1/2 миллиардная часть излучаемой энергии, т.е. на 1 км² земной поверхности и атмосферы попадает 330 тыс. кВт. Для сравнения: Братская ГЭС дает 4 млн кВт в год, что равно поступлению солнечной радиации на 12 км². Мощность потока солнечной радиации выражается в Международной системе единиц СИ в ваттах на 1 м² (ранее - в калориях на 1 см² за 1 мин = 698 Вт/м²).

На верхнюю границу атмосферы, на поверхность, перпендикулярную солнечным лучам, поступает количество радиации, равное примерно 1400 Вт/м² (1,98 кал/см² в 1 мин), что называют солнечной постоянной. На земной поверхности интенсивность прямой солнечной радиации (I) может быть от 1200 до 0 Вт/м² в зависимости от широты и высоты места наблюдений, времени суток и года, величины поглощения радиации атмосферой. На горизонтальную поверхность приходит меньшее количество прямой радиации (I ¹), в зависимости от высоты (h) Солнца над горизонтом:

I ¹ = I sin h.

В атмосфере наблюдается три вида потоков солнечной радиации: прямая, рассеянная и отраженная. Прямая – поступает от диска Солнца в виде пучка параллельных лучей. При прохождении через атмосферу, она частично рассеивается газами и аэрозольными примесями в воздухе (пыль водяной пар) и переходит в форму рассеянной радиации (i), которая составляет примерно 25% энергии общего потока солнечной радиации. Рассеиванием является частичное преобразование прямой радиации, имеющей направленное распространение, в радиацию, которая идет по всем направлениям. Значительная доля (более 70%) этой радиации также приходит к земной поверхности. Однако рассеянная радиация будет существенно отличаться от прямой, так как она идет не от солнечного диска, а от всего небесного свода. В связи с этим ее приток измеряют на горизонтальную поверхность.

Рассеивание солнечной радиации в атмосфере дает рассеянный дневной свет, то есть вся атмосфера днем служит источником освещения и светло даже там, куда не попадают солнечные лучи или при сплошной облачности, закрывающей Солнце.

Прямая солнечная радиация частично переходит в теплоту и идет на нагревание атмосферы. Прямая и рассеянная радиация действуют совместно и составляют суммарную радиацию (Is), которая достигает поверхности Земли, в большой степени поглощается ею и нагревает ее:

Is = I sin h + i.

Интенсивность суммарной радиации зависит от высоты Солнца, прозрачности атмосферы и возрастает с увеличением высоты местности над уровнем моря и уменьшением географической широты. Облачность, не закрывающая солнечный диск, усиливает суммарную радиацию по сравнением с безоблачным небом. Облака нижнего яруса практически полностью не пропускают прямую радиацию и уменьшает суммарную. Рассеянной радиации поступает меньше, чем прямой. Количество ее в потоке суммарной радиации возрастает при загрязнении атмосферы, наличии снежного покрова и снижении Солнца над горизонтом.

Отраженная (Q) - часть радиации, которая отражается облаками и поверхностью Земли, уходит в межпланетное пространство.

Раздел метеорологии, изучающий потоки энергии Солнца, называется актинометрией.

Для измерения солнечной радиации применяются актинометрические приборы: актинометр, пиранометр, альбедо-метр. Это термоэлектрические приборы, приемником радиации в которых служат термобатареи. В зависимости от интенсивности радиации между батареями создается разность температур и возникает электрический ток, измеряемый гальванометром. Актинометр служит для измерения прямой радиации, падающей на поверхность, перпендикулярную солнечным лучам. Пиранометр служит для измерения суммарной и рассеянной радиации. Альбедометр - это пиранометр, по которому можно измерять и отраженную радиацию. Пиргеометрами измеряют величину длинноволнового излучения, балансомерами – алгебраическую сумму составляющих радиационного баланса. Люксметр – фотометрический прибор для измерения освещенности, фитактинометр и фитометры - для измерения ФАР.