Поглощение солнечного излучения в атмосфере и связанные с этим процессы

На поверхности Земли интенсивность становится значительно меньше интенсивности солнечного излучения за пределами атмосферы из-за ряда процессов, происходящих со световыми лучами, пробивающимися к поверхности Земли через толщу ее атмосферы.

Рассматривая Солнце, мы можем также наблюдать темные области на его поверхности - солнечные пятна, а с помощью оптических приборов с большим увеличением удается разглядеть пятнистую поверхность Солнца, усеянную более светлыми (более нагретыми) областями - факелами, извергающими гигантские (размером в сотни тысяч километров) струи- солнечные вспышки.

Оказывается, что общая интенсивность солнечного излучения и распределение его по длинам волн, особенно в ультрафиолетовой области спектра, почти не меняются.

Чрезвычайно сильное влияние на состояние солнечной поверхности оказывает и другое явление - солнечный ветер. Это беспорядочное перемещение вещества, состоящего в основном из протонов, которые приобретают достаточную энергию, чтобы покинуть пределы Солнца и нестись далее через солнечную систему со скоростью в сотни километров в секунду. Взаимодействие такого потока частиц с магнитным полем Земли обусловливает появление полярных сияний и препятствует распространению радиоволн.

Тем не менее на поверхность Земли от Солнца поступает огромная энергия - около 66,8∙10¹⁶ кВт-ч в год.

Однако, вследствие различных, сложных взаимодействий в атмосфере до земной поверхности доходит лишь часть солнечной энергии.

В верхних слоях атмосферы, удаленных от поверхности Земли на 25 км и более, происходит поглощение и рассеяние ультрафиолетового излучения.

Рисунок 2.7 Процессы, сопутствующие прохождению солнечного излучения сквозь атмосферу

Под действием фотонов с длиной волны менее 0,32 мкм происходит разложение озона на О₂ и О. Итак, почти вся энергия ультрафиолетового излучения идет на поддержание устойчивого процесса разложения и объединения О, О₂ и О₃, в результате чего при прохождении через атмосферу ультрафиолетовое излучение преобразуется в излучение меньшей энергии.

И это наше счастье, поскольку ультрафиолетовое излучение обжигает кожу, повреждает глаза и может быть даже смертельно опасным.

Капли воды также сильно рассеивают солнечное излучение. При повышенной их плотности, например, в массивной туче, рассеяние может быть столь велико, что до 80% фотонов возвращается вновь в космическое пространство.

Солнечное излучение при прохождении через атмосферу встречает еще одно значительное препятствие - это молекулы водяного пара, углекислого газа и других соединений, которые поглощают излучение.

В результате взаимодействий с атмосферой интенсивность солнечного излучения у поверхности Земли по сравнению с ее значением в верхних слоях атмосферы уменьшается более, чем вдвое.

Существенно изменяется также спектральное распределение энергии (рисунок 2.8).

Рисунок 2.8 Спектральная характеристика солнечного излучения

Все эти эффекты зависят от состава атмосферы и заметно изменяются от места к месту. Прохождению солнечного излучения препятствуют значительная загрязненность атмосферы больших городов, высокое содержание водяного пара у морского побережья, облачность и т.д. Но, по-видимому, основным фактором, определяющим интенсивность солнечного излучения в той или иной точке земного шара, является пройденный им путь.

Оптическая масса

Расстояние, пройденное прямыми солнечными лучами через атмосферу, зависит от угла падения (зенитного угла) и высоты расположения наблюдателя над уровнем моря (рис. 2.9).

Рисунок 2.9 Оптическая масса m = secθ_z:

1-длина пробега, увеличеннаяна коэффициент т; 2-нормальное падение

Мы предполагаем наличие ясного неба без облаков, пыли или загрязнений воздуха. Так как верхняя граница атмосферы точно не определена, более важным фактором, чем пройденное расстояние, является взаимодействие излучения с атмосферными газами и парами.

Прямой поток, нормально проходящий сквозь атмосферу при нормальном давлении, взаимодействует с определенной массой воздуха. Увеличение длины пути при наклонном падении лучаПод углом θ_z по сравнению с путем при нормальном падении называется оптической массой и обозначается символом т.

Для оптической массы используется сокращение AM. AM0 соответствует нулевой атмосфере, т.е. излучению в космическом пространстве вне атмосферы; AMI соответствует m= 1, т. е. Солнце на­ходится в зените; AM2 – m = 2 и т.д.

Из рисунка 2.9. без учета кривизны земной поверхности получаем

m=secθ_z. (2.5)