Световой и радиационный режим

Естественная освещенность

Энергия солнечного излучения обеспечивает климат в зависимости от орбитального и суточного движения земли.

Проектирование фасадов жилого дома и планировка его жилых помещений должна учитывать естественную освещённость. Естественная освещенность жилых помещений создает необходимый санитарно-гигиенический комфорт проживания. Он зависит:

· уровня наружной освещенности (яркости небосвода);

· количества отраженного света;

· величины световых проемов;

· глубины комнат.

Солнечный свет представляет собой естественное электромагнитное излучение. Он воспринимается человеческим зрением неадекватно поступающей в глаза спектральной плотности энергетической яркости.

Проблемы, связанные с формированием уровней естественной освещенности в дневное и ночное время, непосредственно затрагивают важнейшие аспекты использования транспорта, определения стандартов в архитектуре и строительстве, создания оптимальных по комфортности и экономичности строений различного типа.

Освещенность Солнцем внешней границы земной атмосферы называется солнечной постоянной

E₀ = 134064 лк.

В процессе переноса солнечного излучения видимого диапазона в атмосфере формируются так называемые прямая, рассеянная и суммарная освещенность.

В безлунные (новолуние) ночи освещенность обусловлена собственным свечением атмосферы и светом звезд (10^-4 – 10^-5лк).

При полнолунии освещенность увеличивается до E_v = 0,2 лк.

Переход от ночной освещенности к дневной происходит в течение некоторого периода – сумерки.

С восходом Солнца при безоблачном небе быстро возрастает освещенность прямыми солнечными лучами, а максимальные ее значения в полдень могут достигать 120 клк.

При сплошной облачности естественная освещенность уменьшается до 20 клк, а при выпадении осадков составляет не более 10 клк даже в околополуденные часы.

Для разработки строительных норм и правил (СНиП) необходима информация о естественной освещенности как горизонтальных поверхностей, так и вертикальных.

Впервые вопрос об изучении светового режима был поставлен в 20-х XX в. До 1941 г. фотометрические измерения проводились в Слуцке (Павловске), затем – в Арктике, Иркутске, Ташкенте, а также в Баку, Свердловске, Воронеже, Ялте, Минске, на Эльбрусе, Памире и др.

Но эти измерения проводились различными приборами и без единой методики. В метеорологической обсерватории МГУ им. М. В. Ломоносова систематические наблюдения были начаты в конце 50-х гг., и с 1964 г. ведется непрерывная регистрация освещенности земной поверхности с помощью фотоэлектрического фотометра, разработанного сотрудниками обсерватории.

Освещенность непосредственно зависит от астрономических и метеорологических факторов:

1) высоты Солнца,

2) прозрачности атмосферы, т. е. отношения прошедшего светового потока к суммарному падающему потоку на поверхность,

3) количества и форм облаков,

4) альбедо подстилающей поверхности.

Прямая освещенность

Прямая освещенность – это освещенность, создаваемая Солнцем. Прямая освещенность зависит от:

1) высоты Солнца h_Θ (времени года и суток),

2) коэффициент прозрачности p атмосферы,

3) облачности.

С увеличением h_Θ освещенность возрастает при любом значении коэффициент прозрачности p атмосферы.

Наиболее интенсивный рост освещенности наблюдается, если высота Солнца h_Θ =20⁰ – 45⁰.

Если высота Солнца достигает максимального значения, то и прямая освещенность имеет максимум.

Пример: при высоте Солнца h_Θ =50⁰ освещенность горизонтальной поверхности может достигать:

- E_v ~ 55 клк для p = 0,71-0,80,

- E_v ~ 45 клк для p = 0,61-0,70,

- E_v ~ 30 клк для p = 0,51-0,60.

Прозрачность атмосферы учитывает суммарное ослабление солнечного излучения по всему спектру – от ультрафиолетового до инфракрасного диапазона.

Однако, молекулярное рассеяние энергетической освещенности прямого солнечного излучения гораздо интенсивнее в видимой части спектра, чем в инфракрасной, по закону Рэлея.

Кроме того, для видимого диапазона велико и аэрозольное рассеяние. При средних условиях прозрачности атмосферы полуденная освещенность горизонтальной поверхности возрастает

от 6 клк в декабре до 64 клк июне,

а полуденная освещенность поверхности, расположенной перпендикулярно солнечным лучам, - от 31 клк до 75 клк соответственно

(для Москвы, по данным МГУ им. М. В. Ломоносова).

При этом освещенность наиболее быстро увеличивается в марте и почти удваивается по сравнению с февралем, и также быстро убывает в ноябре.

Суточный ход прозрачности атмосферы в мае и летом одинаков, причем более чистая атмосфера утром, а днем увеличивается конвекция, и прозрачность уменьшается.

Наиболее сильное влияние на прямую освещенность оказывает облачность, которая экранирует солнечное излучение и уменьшает продолжительность освещения. В результате даже летом полуденная освещенность может уменьшится в два раза, а в ноябре – январе может понизиться 2 клк (табл.).

Табл.

Распределение средней прямой освещенности E_{v, пр} (клк) при ясном / облачном небе по часам и месяцам (1975-1982 гг., Москва, МГУ)

Рассеянная освещенность

Рассеянная освещенность – это освещенность, создаваемая рассеянным светом. Такая освещенность зависит от: высоты Солнца (времени года и суток), коэффициент прозрачности атмосферы, облачности, альбедо земной поверхности.

Изменение прозрачности атмосферы оказывает на рассеянную освещенность обратное влияние, по сравнению с прямой освещенностью: с увеличением мутности атмосферы рассеянная освещенность возрастает, а прямая освещенность уменьшается. Рассеянная освещенность увеличивается в облачную погоду в среднем на 30 %. В зависимости от времени года рассеянная освещенность меняется, достигая максимума в июне (табл.).

Табл.

Рассеянная освещенность E_v , клк (1975-1982 гг., Москва, МГУ)

В течение дня рассеянная освещенность наибольшая в околополуденное время.

Снежный покров увеличивает рассеянную освещенность как при ясном, так и пасмурном небе благодаря многократному отражению света. Световое альбедо (A_св) – это отношение отраженного от поверхности светового потока, к суммарной освещенности этой поверхности

.

Немалую роль играет структура снега, его чистота и влажность, от которых зависит альбедо снежного покрова (табл.).

Табл.

Среднее альбедо снега при безоблачном небе освещенность A_св , %

(1975-1982 гг., Москва, МГУ)

Суммарная освещенность

Суммарная освещенность - это сумма прямой и рассеянной освещенностей. Суммарная освещенность зависит от тех же факторов, что и образующие ее освещенности. Поскольку малая прозрачность атмосферы прямую освещенность уменьшает, рассеянную увеличивает, то на суммарную освещенность оказывает незаметное влияние. Зависимость суммарной освещенность очень сильно зависит от высоты Солнца (табл). Примечателен то, что максимальная суммарная освещенность в апреле достаточно велика - всего на 10 клк меньше, чем в июле. Это обусловлено влиянием снежного покрова и достаточно большой высотой Солнца в апреле.

Табл.

Распределение средней суммарной освещенности E_{v, пр} (клк) при ясном небе

по часам и месяцам (1975-1982 гг., Москва, МГУ)

Яркость небосвода

Рассеянный в атмосфере свет, падающий на поверхность Земли, можно представить как свет от полусферы – небесного свода. Яркость небосвода формируется в результате того, что каждый элементарный объем воздуха становится источником света с определенной яркостью. Яркость B_v зависит от энергетической яркости рассеянного света B_v,расс . Яркость измеряют в канделах на квадратный метр, или нитах (гектонитах, 1 гнт = 10² нт ). Ночью до появления зари яркость неба равна нулю, если нет подсветки искусственными источниками (на зданиях, дорогах и т. д.). Яркость зависит от: высоты Солнца, прозрачности атмосферы, облачности, альбедо подстилающей поверхности. Средняя яркость безоблачного неба достигает 50-60 гнт (табл.) при максимальной высоте Солнца.

Табл.

Средняя яркость неба E_v , гнт (Москва, МО МГУ)

Влияние альбедо на среднюю яркость неба проявляется в многократном отражении и рассеянии. Яркость велика над снежным покровом, альбедо которого 60-80 %, и может достигать сотни гектонит, а над морской поверхностью, альбедо которой 6-8 %, яркость меньше. Это замечали еще древние поморы, и в настоящее время в сложных ситуациях, когда нет информации о ледовой обстановке, экипажи ледоколов могут ориентироваться по более участку неба для проводки судов в сторону разводий.

Яркость возрастает в мутной атмосфере. Если небо безоблачно, что наибольшую яркость имеет околосолнечный ореол – кольцо с угловым радиусом около 10-12⁰ вокруг солнечного диска. Яркость и угловой радиус ореола зависят от количества и физических свойств аэрозолей в атмосфере. Поэтому фотометрирование ореола путем решения обратной задачи позволяет определить свойства аэрозолей.

Даже в условиях однородной подстилающей поверхности и постоянства оптических свойств аэрозолей в атмосфере яркость в горизонтальном направлении распределяется неравномерно. Для безоблачного неба в этом случае проявляются следующие основные закономерности:

- половина небосвод со стороны Солнца всегда ярче противоположной,

- более яркая область неба вблизи горизонта,

- при уменьшении высота Солнца яркость убывает наиболее сильно в противоположной от Солнца половине неба.

Инсоляция и солнцезащита

Инсоляция — облучение жилых помещений и придомовых территорий прямым солнечным светом.Она характеризуется продолжительностью (в часах) и обеспечивает человеку санитарно-гигиенический комфорт в жилых помещениях.