Общая схема преобразований солнечной энергии на Земле

Солнечная энергия передается в основном в виде коротковолновой радиации. Она приходит на поверхность Земли в виде прямой и рассеянной радиации.Первая представляет собой совокупность практически параллельных лучей. Вторая особенно хорошо проявляется при сплошной облачности, сквозь которую радиация рассеивается по всем направлениям от небесного свода. Соотношение энергий прямой и рассеянной радиации зависит от присутствия в атмосфере аэрозольных примесей (капельки воды, кристаллы льда, пылинки и др.).

Суммарная (прямая и рассеянная) радиация частично поглощается атмосферой, разогревая ее. Суммарное количество поглощенной атмосферой радиации составляет около 20 % от поступившей к верхней границе атмосферы, остальная ее часть достигает земной поверхности. При безоблачном небе поглощение радиации атмосферой невелико, тогда как при сплошной облачности нижнего яруса поглощение возрастает до 60 – 70 %. На рис. 2.5 представлена общая схема преобразования солнечной энергии. Более подробное ее рассмотрение приводится в дальнейшем изложении темы.

Количество суммарной (прямая плюс рассеянная) радиации при безоблачном небе (I_s0), падающей на земную поверхность, зависит от широты места и времени года и может быть определено по таблицам, составленным на основе данных наблюдений и теоретических расчетов. Умножая I_s0на поправочный коэффициент (С), учитывающий фактическую облачность и влажность воздуха, получают суммарную радиацию, приходящую к поверхности Земли (I_sЗ) в данном месте,т.е. I_sЗ= I_s0С.

Приходящая радиация I_sЗчастично отражается от поверхности Земли (I_отр), а остальная ее часть поглощается ею. Обозначив коэффициент отражения буквой А (А – альбедо), получим величину радиации, поглощенной земной поверхностью (I_sр):

I_sр= I_sЗ – I_отр= I_sЗ(1–А),

или

I_sр= I_s0С (1–А). (2.2)

Радиация I_sр разогревает земную поверхность. Следовательно, поверхность Земли, будучи разогретой, сама излучат радиацию в атмосферу в длинноволновом (инфракрасном) спектре (закон Стефана – Больцмана). Излучение земной поверхности в атмосферу обозначим Е_s. Излучение земной поверхности в атмосферу (Е_s) – это расходная составляющая радиационного баланса Земли.

Атмосфера, разогреваясь от солнечной радиации и земного излучения, также излучает тепло в длинноволновом спектре, часть этого излучения, направленного к Земле, называют встречным излучением атмосферы (Е_а). Встречное излучение атмосферы является приходной составляющей радиационного баланса Земли.

Объединяя все рассмотренные потоки тепла, получим выражение длярадиационного баланса земной поверхности(В)в следующем виде:

В= I_sр – Е_s+ Е_а ,

или

В= I_s0С (1-А)– Е_s+ Е_а .

Величина Е_э= Е_s– Е_аназывается эффективным излучением земной поверхности.С учетом этого обозначения выражение для радиационного баланса получит вид:

В= I_s0С (1-А ) – Е_э . (2.3)

Is0   Солнечная радиация при безоблачном небе

Isр= Is0С (1-А)   Радиация, поглощенная земной поверхностью

Еs.   Излучение земной поверхности в атмосферу

Еа   Встречное излучение атмосферы

Еэ= Еs– Еа   Эффективное излучение земной поверхности

В= Is0С (1-А ) – Еэ   Радиационный баланс земной поверхности

Рис. 2.5. Схема преобразования солнечной энергии

Ниже мы рассмотрим способы измерения и расчетов характеристик солнечной радиации, показанных на схеме (рис. 2.5).