Поглощение и рассеяние солнечной радиации

Поглощение солнечной радиации.Частично радиация Солнца поглощается молекулами атмосферных газов и примесями к воздуху и переходит в теплоту, т.е. расходуется на нагревание атмосферы. Не рассеянная и не поглощенная в атмосфере прямаясолнечная радиация достигает земной поверхности, частично отражается от земной поверхности, а в большей степени поглощается и нагревает ее. Часть рассеянной радиации также до­стигает земной поверхности, частично от нее отражается и частично ею поглощается. Другая часть рассеянной радиации уходит вверх, в межпланетное пространство.

Дошедшая до земной поверхности прямая радиация, в результате ее поглощения и рассеяния, изменяется в сравнении с тем, что было на границе атмосферы. Интенсивность радиации уменьшается, а спектральный состав ее изменяется,так как лучи разных длин волн поглощаются и рассеи­ваются в атмосфере по-разному (рис. 2.6). При наиболее высоком стоянии солнца и при достаточной чистоте воздуха, интенсивность прямой радиации составляет около 1,5 кал/см²мин. В горах, на высотах порядка 4 – 5 км,она достигает 1,7 кал/см²мин, т.е. близка к величине солнечной постоянной.

В атмосфере поглощается сравнительно небольшое количество солнечной радиации, при этом главным образом в инфракрасной части спектра. Разные газы поглощают радиацию в разных участках спектра и в разной степени.

Азотпоглощает радиацию только очень малых длин волн в ультрафиолетовой части спектра. Энергия солнечной радиации на этом участке спектра мала, потому поглощение азотом практически не проявляется.

Очень мало поглощает солнечную радиацию кислород – в двух узких участках видимой части спектра и в ультрафиолетовой его части.

Рис. 2.6. Распределение энергии в спектре солнечной радиации на границе атмосферы (верхняя кривая) и у земной поверхности (нижняя) при высоте солнца 35°. Интенсивность радиации дана в 10^–3 кал/см² мин

Более сильным поглотителем солнечной радиации является озон. Его содержание в воздухе, даже в стратосфере, очень мало; тем не менее, он настолько сильно поглощает ультрафиолетовую радиацию, что от общего количества солнечной радиации теряется несколько процентов.

Сильно поглощает радиацию в инфракрасной области спектра углекислый газ. Однако его содержание в атмосфере ничтожно и поэтому поглощение незначительно.

Основным же поглотителем радиации в атмосфере является водяной пар, сосредоточенный в основном в нижней ее части. Водяной пар поглощает значительную долю солнечной радиации в инфракрасной области спектра.

Заметно поглощают солнечную радиацию атмосферные аэрозоли, представляющие взвешенные в атмосфере твердые и жидкие коллоидные частички размеров, превышающих молекулярные. В основном это продукты конденсации – водяные капли и ледяные кристаллы; морская соль; пыль земного и космического происхождения; дымы вулканических извержений и лесных пожаров, а также и индустриального происхождения. К атмосферным аэрозолям относятся также споры и пыльца растений, продукты органического распада, микроорганизмы, продукты органического распада.

В целом в атмосфере поглощается 15 – 20% радиации, приходящей от Солнца к Земле.Поглощение меняется в зависимости как от переменного содержания в воздухе поглощающих субстанций, главным образом водяного пара, облаков и пыли, так и от высоты солнца над горизонтом, т.е. от толщины слоя воздуха, проходимого лучами (оптическая масса ат­мосферы). Последняя зависит от расстояния, которое проходит в атмосфере солнечный луч. Это расстояние, в свою очередь, зависит от угла наклона солнечных лучей, т.е. от высоты солнца h. Поэтому от восхода солнца до полудня прямая солнечная радиация должна сначала быстро, потом медленнее нарастать, и в обратном порядке, от полудня до захода солнца, убывать (рис. 2.7).

Зимой полуденная высота солнца меньше, чем летом. Минимальная интенсивность радиации в умеренных широтах приходится на декабрь, когда высота солнца самая низкая. Максимальная интенсивность прихо­дится на весенние месяцы, а не на летние. Например,средняя полуденная интенсивность прямой солнечной радиации в г. Енисейске в декабре составляет 0,69 кал/см³мин, в апреле – 1,27, в мае 1,29, в июне 1,27 и в июле 1,20 кал/см³мин. Это обусловлено меньшей запыленностью, меньшим содержанием продуктов конденсации весеннего воздуха. Летом запыление возрастает, а также увеличивается содержание водяного пара в атмосфере, что несколько уменьшает интенсивность радиации.

Рис. 2.7. Дневной ход интенсивности прямой солнечной радиации в Павловске (26 км к югу от Санкт-Петербурга) в январе и в июле [84].

Обозначения: сплошные линии – на поверхность, перпендикулярную к лучам; прерывистые линии – на горизонтальную поверхность.

Влияние поглощения водяным паром на интенсивность прямой радиации хорошо видно на примере Павловска. При одной и той же высоте солнца над горизонтом (30°) интенсивность заметно убывает с возрастанием абсолютной влажности а (в граммах на кубический метр воздуха):

A, г/м³.................. 2,8 4,8 6,4 8,7 11,6

I, кал/см²мин......... 1,35 1,25 1,15 1,05 0,95

Максимальные значения интенсивности прямой радиации для некоторых пунктов таковы (в кал/см²мин): бухта Тикси 1,30,Павловск 1,43, Иркутск 1,47, Москва 1,48, Курск 1,51, Тбилиси 1,51, Владивосток 1,46, Ташкент 1,52. Максимальные значения интенсивности радиации слабо реагируют на убывание географической широты, несмотря на рост высоты солнца. Это объясняется увеличением влагосодержания, а отчасти и запылением воздуха в южных широтах. На экваторе максимальные значения радиации не очень превышают летние максимумы умеренных широт. Например, в сухом воздухе субтропических пустынь (Сахара) наблюдались, значения до 1,58 кал/см² мин. На каждые 100 м высоты над уровнем моря максимальные значения радиации возрастают вследствие уменьшения оптической массы атмосферы при той же высоте солнца на 0,01 – 0,02 кал/см²мин.Максимальные измеренные значения интенсивности радиации, наблюдающиеся в горах, достигают 1,7 кал/см²мини более [84; 58].

Рассеяние солнечной радиации. Проходя сквозь атмосферу, прямая солнечная радиация частично рассеивается атмосферными газами и аэрозольными примесями и переходит в особую форму рассеянной радиации.Рассеяние происходит в оптически неоднородной среде, какой является атмосферный воздух, содержащий мельчайшие частички жидких и твердых примесей – капельки, кристаллы, ядра конденсации, пылинки. Неоднородной средой также является и чистый, свободный от примесей воздух, так как в нем вследствие теплового движения молекул постоянно возникают сгущения и разрежения. Около 25 % энергии общего потока солнечной радиации превращается в атмосфере в рассеянную радиацию. Интенсивностью рассеянной радиации называется ее величина, приходящая на единицу площади горизонтальной поверхности в единицу времени.

Голубой цвет неба– это цвет самого воздуха, обусловленный рассеянием в нем солнечных лучей. С высотой, по мере уменьшения плотности воздуха, цвет неба становится темнее и переходит в густо-синий, а в стратосфере – черно-фиолетовый. Рассеяние радиации тем больше, чем больше содержит воздух аэрозольных примесей, т.е. увеличение концентрации аэрозоля в атмосфере увеличиваетрассеянную радиацию. Кроме того, рассеянная радиация в широких пределах меняется в зависимости от облачности. Радиация, отраженная облаками, также частично рассеивается, поэтому общая интенсивность рассеянной радиации возрастает. По той же причине отражение радиации снежным покровом увеличивает рассеянную радиацию.

В безоблачные дни рассеянная радиация невелика. Даже при высоком солнце, т.е. в полуденные часы летом, ее интенсивность в отсутствии облаков не превышает 0,1 кал/см²мин. Облачность увеличивает эту величину в 3 – 4 раза. В Енисейске среднемноголетнее полуденное значение интенсивности рассеянной радиации (при облачности не более 2-х баллов) в декабре при низком солнце составляет 0,07 кал/см²мин, а в июле – 0,18 кал/см² мин. Максимальная интенсивность рассеянной радиации в Енисейске 0,36 кал/см²мин наблюдается в июле [75]. В Арктике и Антарктиде при сравнительно тонких облаках и снежном покрове, рассеянная радиация летом может достигать 1 кал/см²мин. С увеличением высоты места над уровнем моря интенсивность рассеянной радиации убывает.

Суммарная радиация. Рассеянная радиация может существенно до­полнять прямую солнечную радиацию. Всю солнечную радиацию, прямую и рассеянную вместе, называют суммарной радиацией. Под интенсивностью суммарной радиациибудем понимать приток ее энергии за единицу времени на единицу площади горизонтальной поверхности, помещенной под открытым небом и незатененной от прямых солнечных лучей. Таким образом, интенсивность суммарной радиации (I_s):

I_s= I sin h + i, (2.4)

где I – интенсивность прямой радиации, i – интенсивность рассеянной радиации, h – высота солнца.

При безоблачном небе суммарная радиация имеет суточный ход с максимумом около полудня и годовой ход с максимумом летом. Облачность уменьшает суммарную радиацию, в связи с этим в летние месяцы приход суммарной радиации в дополуденные часы в среднем больше, чем в послеполуденные, характеризующиеся большей облачностью.

Полуденные значения суммарной радиации в летние месяцы под Москвой при безоблачном небе в среднем 1,12; при солнце и облаках 1,15, при сплошной облачности 0,37 кал/см² мин.

Приборы для измерения прямой солнечной радиации называют пиргелиометрами и актинометрами, для измерения рассеянной радиации – пиранометрами. Для измерения радиации применяется зачерненная металли­ческая пластинка, которая по своим поглощательным свойствам практически идентична абсолютно черному телу, т.е. поглощает и превращает в тепло всю падающую на нее радиацию. Во многие приборы входят, кроме того, пластинки с белой или полированной поверхностью, почти полностью отражающие падающую радиацию.

Например, в компенсационном пиргелиометре Ангстремазачерненная металлическая пластинка выставляется на солнце, а другая такая же пластинка оставляется в тени. Между пластинками возникает разность температур. Эта разность температур передается спаям термоэлемента, приклеенным (с изоляцией) к пластинкам, и тем самым возбуждает термоэлектрический ток. Отсюда можно определить интенсивность солнечной радиации. Есть и другие типы пиргелиометров.