Радиационный баланс и его составляющие - Лекции - Материал по курсу "Учение об атмосфере" - Каталог статей - Метеорология и гидрология. Понятие о солнечной радиации

Количество поступающей к земной поверхности прямой солнечной радиации (S) в условиях безоблачного неба зависит от высоты солнца и прозрачности . В таблице для трех широтных зон приведено распределении месячных сумм прямой радиации при безоблачном небе (возможных сумм) в виде осредненных значений для центральных месяцев сезонов и года.

Повышенный приход прямой радиации в Азиатской части обусловлен более высокой прозрачностью атмосферы в этом регионе. Высокие значения прямой радиации летом в северных районах России объясняются сочетанием высокой прозрачности атмосферы и большой продолжительностью дня

Снижает приход прямой радиации и может существенно изменить ее суточный и годовой ход. Однако при средних условиях облачности астрономический фактор является преобладающим и, следовательно, максимум прямой радиации наблюдается при наибольшей высоте солнца.

В большей части континентальных районов России в весенне-летние месяцы прямая радиация в дополуденные часы больше, чем в послеполуденные. Это связано с развитием конвективной облачности в послеполуденные часы и с уменьшением прозрачности атмосферы в это время суток по сравнению с утренними часами. Зимой соотношение до- и послеполуденных значений радиации обратное - дополуденные значения прямой радиации меньше в связи с утренним максимумом облачности и уменьшением ее во вторую половину дня. Разница между до- и послеполуденными значениями прямой радиации может достигать 25–35%.

В годовом ходе максимум прямой радиации приходится на июнь-июль за исключением районов Дальнего Востока, где происходит его смещение на май, а на юге Приморья в сентябре отмечается вторичный максимум.
Максимальная месячная сумма прямой радиации составляет на территории России 45–65% от возможной при безоблачном небе и даже на юге Европейской части она достигает лишь 70%. Минимальные значения отмечаются в декабре и январе.

Вклад прямой радиации в суммарный приход при действительных условиях облачности достигает максимума в летние месяцы и составляет в среднем 50–60%. Исключением является Приморский край, где наибольший вклад прямой радиации приходится на осенние и зимние месяцы.

Распределение прямой радиации при средних (действительных) условиях облачности по территории России в значительной степени зависит от . Это приводит к заметному нарушению зонального распределения радиации в отдельные месяцы. Особенно это проявляется в весенний период. Так, в апреле отмечается два максимума - один в южных районах

Необходимые приборы и принадлежности : термоэлектрический актинометр М-3, пиранометр универсальный М-80М, альбедометр походный, балансомер термоэлектрический М-10М, гелиограф универсальный модели ГУ–1, люксметр Ю-16.

Основным источником энергии, поступающей на Землю, является лучистая энергия, поступающая от Солнца. Поток электромагнитных волн, излучаемый Солнцем, принято называть солнечной радиацией. Эта радиация является практически единственным источником энергии для всех процессов, протекающих в атмосфере и на земной поверхности, в том числе и для всех процессов, происходящих в живых организмах.

Солнечная радиация обеспечивает растения энергией, которую они используют в процессе фотосинтеза для создания органического вещества, влияет на процессы роста и развития, на расположение и строение листьев, продолжительность вегетации и др. Количественно солнечную радиацию можно характеризовать потоком радиации.

Поток радиации – это количество лучистой энергии, которое поступает в единицу времени на единицу поверхности.

В системе единиц СИ поток радиации измеряется в ваттах на 1м 2 (Вт/м 2) или киловаттах на 1м 2 (кВт/м 2). Ранее она измерялась в калориях на 1 см 2 в минуту (кал/(см 2 ·мин)).

1кал/(см 2 ·мин) = 698 Вт/м 2 или 0.698 кВт/м 2

Плотность потока солнечной радиации на верхней границе атмосферы при среднем расстоянии от Земли до Солнца называют солнечной постоянной S 0 . По международному соглашению 1981 г. S 0 = 1.37 кВт/м 2 (1.96 1кал/(см 2 ·мин)).

Если Солнце не в зените, то количество солнечной энергии, падающей на горизонтальную поверхность, будет меньше, чем на поверхность, расположенную перпендикулярно лучам Солнца. Это количество зависит от угла падения лучей на горизонтальную поверхность. Для определения количества тепла, получаемого горизонтальной поверхностью в минуту, служит формула:

S′ = S sinh ©

где S′ - количество тепла, получаемое в минуту горизонтальной поверхностью; S – количество тепла, получаемое перпендикулярной к лучу поверхностью; h © – угол, образованный солнечным лучом с горизонтальной поверхностью (угол h называется высотой солнца).

Проходя через земную атмосферу, солнечная радиация ослабляется вследствие поглощения и рассеяния атмосферными газами и аэрозолями. Ослабление потока солнечной радиации зависит от длины пути, проходимого лучом в атмосфере, и от прозрачности атмосферы на этом пути. Длина пути луча в атмосфере зависит от высоты солнца. При положении солнца в зените солнечные лучи проходят самый короткий путь. В этом случае масса атмосферы, проходимая солнечными лучами, т.е. масса вертикального столба воздуха с основанием 1 см 2 , принимается за одну условную единицу (m = 1). По мере опускания солнца к горизонту путь лучей в атмосфере увеличивается, а следовательно, увеличивается и число проходимых масс (m> 1). Когда солнце находится у горизонта, лучи проходят в атмосфере наибольший путь. Как показывают расчеты, при этом m в 34,4 раза больше, чем при положении Солнца в зените. Ослабление потока прямой солнечной радиации в атмосфере описывается формулой Буге. Коэффициент прозрачности p показывает, какая доля солнечной радиации, поступающей на верхнюю границу атмосферы, доходит до земной поверхности при m = 1.

S m = S 0 p m ,

где S m – поток прямой солнечной радиации, дошедший до Земли; S 0 – солнечная постоянная; p – коэффициент прозрачности; m – масса атмосферы.

Коэффициент прозрачности зависит от содержания в атмосферы водяного пара и аэрозолей: чем их больше, тем меньше коэффициент прозрачности при одном и том же числе проходимых масс. Коэффициент прозрачности колеблется в пределах от 0,60 до 0,85.

Виды солнечной радиации

Прямая солнечная радиация (S′) – радиация, поступающая к земной поверхность непосредственно от Солнца в виде пучка параллельных лучей.

Прямая солнечная радиация зависит от высоты солнца над горизонтом, прозрачности воздуха, облачности, высоты места над уровнем моря и расстояния между Землей и Солнцем.

Рассеянная солнечная радиация (D) – часть радиации, рассеянной земной атмосферой и облаками и поступающая на земную поверхность от небесного свода. Интенсивность рассеянной радиации зависит от высоты солнца над горизонтом, облачности, прозрачности воздуха, высоты места над уровнем моря, снежный покров. Очень большое влияние на рассеянную радиацию оказывают облачность и снежный покров, которые за счёт рассеивания и отражения падающей на них прямой и рассеянной радиации и повторного рассеивания их в атмосфере могут в несколько раз увеличить поток рассеянной радиации.

Рассеянная радиация существенно дополняет прямую солнечную радиацию и значительно увеличивает поступление солнечной энергии на земную поверхность.

Суммарная радиация (Q) – сумма потоков прямой и рассеянной радиаций, поступающих на горизонтальную поверхность:

До восхода, днем и после захода Солнца при сплошной облачности суммарная радиация поступает на землю полностью, а при малых высотах Солнца преимущественно состоит из рассеянной радиации. При безоблачном или малооблачном небе с увеличением высоты Солнца доля прямой радиации, в составе суммарной, быстро возрастает и в дневные часы поток многократно превышает поток рассеянной радиации.

Большая часть потока суммарной радиации, поступающего на земную поверхность, поглощается верхним слоем почвы, воды и растительностью. При этом лучистая энергия превращается в тепло, нагревая поглощающие слои. Остальная часть потока суммарной радиации отражается земной поверхностью, образуя отражённую радиацию (R). Почти весь поток отражённой радиации проходит атмосферу насквозь и уходит в мировое пространство, однако некоторая доля его рассеивается в атмосфере и частично возвращается на земную поверхность, усиливая рассеянную радиацию, а, следовательно, и суммарную радиацию.

Отражательная способность различных поверхностей называется альбедо . Оно представляет собой отношение потока отраженной радиации ко всему потоку суммарной радиации, падающему на данную поверхность:

Выражается альбедо в долях единицы или в процентах. Таким образом, земной поверхностью отражается часть потока суммарной радиации, равная QА, а поглощается и превращается в тепло – Q(1-А). Последняя величина называется поглощенной радиацией .

Альбедо различных поверхностей суши зависит главным образом от цвета и шероховатости этих поверхностей. Темные и шероховатые поверхности имеют меньшие альбедо, чем светлые и гладкие. Альбедо почв уменьшается с возрастанием влажности, так как цвет их при этом становится более темным. Значения альбедо для некоторых естественных поверхностей приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Альбедо различных естественных поверхностей

Очень велика отражательная способность верхней поверхности облаков, особенно при большой их мощности. В среднем альбедо облаков около 50-60%, в отдельных случаях – более 80-85%.

Фотосинтетически активная радиация (ФАР) – часть потока суммарной радиации, которая может использоваться зелёными растения при фотосинтезе. Поток ФАР можно рассчитать по формуле:

ФАР = 0,43S′ + 0,57D,

где S′ - прямая солнечная радиация, поступающая на горизонтальную поверхность; D – рассеянная солнечная радиация.

Поток ФАР, падающий на лист, большей частью поглощается им, значительно меньшие доли этого потока отражаются поверхностью и пропускаются листом насквозь. Листья большинства древесных пород поглощают примерно 80%, отражают и пропускают до 10-12% от всего потока ФАР. Из поглощенной листьями части потока ФАР лишь несколько процентов лучистой энергии используется растениями непосредственно на фотосинтез и преобразуется в химическую энергию органических веществ, синтезированных листьями. Остальные, более 95% лучистой энергии, превращается в тепло и расходуется в основном на транспирацию, нагрев самих листьев и теплообмен их с окружающим воздухом.

Длинноволновое излучение Земли и атмосферы.

Радиационный баланс земной поверхности

Большая часть солнечной энергии, поступающей на Землю, поглощается её поверхностью и атмосферой, некоторая её часть излучается. Излучение земной поверхностью происходит круглосуточно.

Часть лучей, излучаемых земной поверхностью, поглощается атмосферой и таким образом способствует нагреванию атмосферы. Атмосфера в свою очередь посылает лучи обратно к поверхности земли, а также в космическое пространство. Это свойство атмосферы сохранять тепло, излучаемое земной поверхностью, называют оранжерейным эффектом . Разность между приходом тепла в виде встречного излучения атмосферы и расходом его в виде излучения деятельного слоя называется эффективным излучением деятельного слоя. Особенно большим эффективное излучение бывает ночью, когда потеря тепла земной поверхностью значительно превышает приток тепла, излучаемого атмосферой. Днём же, когда к излучению атмосферы добавляется суммарная солнечная радиация, получается избыток тепла, который идёт на нагревание почвы и воздуха, испарение воды и т.п.

Разность между поглощенной суммарной радиацией и эффективным излучением деятельного слоя называют радиационным балансом деятельного слоя.

Приходную часть радиационного баланса составляют прямая и рассеянная солнечная радиация, а также встречное излучение атмосферы. Расходную часть составляют отраженная солнечная радиация и длинноволновое излучение земной поверхности.

Радиационный баланс представляет собой фактический приход лучистой энергии на поверхность Земли, от которого зависит, будет происходить её нагревание или охлаждение.

Если приход лучистой энергии больше её расхода, то радиационный баланс положителен и поверхность нагревается. Если же приход меньше расхода, то баланс отрицателен и поверхность охлаждается. Радиационный баланс земной поверхности является одним из основных климатообразующих факторов. Он зависит от высоты Солнца, продолжительности солнечного сияния, характера и состояния земной поверхности, замутнённости атмосферы, содержания в ней водяного пара, наличия облаков и др.

Приборы для измерения солнечной радиации

Термоэлектрический актинометр М-3 (Рис.3) предназначен для измерения интенсивности прямой солнечной радиации на перпендикулярную к лучам солнца поверхность.

Приемником актинометра является термобатарея из чередующихся пластинок манганина и константана, выполненная в виде звездочки. Внутренние спаи термобатареи через изоляционную прокладку подклеены к диску из серебряной фольги, обращённая к солнцу сторона диска зачернена. Внешние спаи через изоляционную прокладку подклеены к массивному медному кольцу. От нагрева радиацией оно защищено хромированным колпачком. Термобатарея расположена на дне металлической трубки, которая при измерениях направляется на солнце. Внутренняя поверхность трубки зачернена, и в трубке устроены 7 диафрагм (кольцеобразных сужений), чтобы предотвратить попадание рассеянной радиации на приемник актинометра.

Для наблюдений стрелку на основании прибора 11 (рис. 2) ориентируют на север и для облегчения слежения за солнцем устанавливают актинометр по широте места наблюдений (по сектору 9 и риске в верхней части стойки прибора 10 ). Наводка на солнце производится с помощью винта 3 и рукоятки 6 , расположенных в верхней части прибора. Винт позволяет поворачивать трубку в вертикальной плоскости, при вращении рукоятки обеспечивается ведение трубки за солнцем. Для точной наводки на Солнце в наружной диафрагме сделано небольшое отверстие. Против этого отверстия в нижней части прибора имеется белый экран 5 . При правильной установке прибора солнечный луч, проникающий через это отверстие должен дать светлое пятно (зайчик) в центре экрана.

Рис. 3 Актинометр термоэлектрический М-3: 1 – крышка; 2, 3 – винты; 4 – ось; 5 – экран; 6 – рукоятка; 7 – трубка; 8 – ось; 9 – сектор широт; 10 – стойка; 11 – основание.

Пиранометр универсальный М-80М (Рис. 4) предназначен для измерения суммарной (Q) и рассеянной (D) радиации. Зная их, можно вычислить интенсивность прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность S′. Пиранометр М-80М имеет устройство, для опрокидывания стойки прибора приемником вниз, что позволяет измерить интенсивность отражённой радиации и определить альбедо подстилающей поверхности.

Приёмником пиранометра 1 является термоэлектрическая батарея, устроенная в форме квадрата. Приёмная поверхность ее окрашена в чёрный и белый цвета в виде шахматной доски. Половина спаев термобатареи находится под белыми, другая половина – под черными клеточками. Сверху приёмник закрыт полусферическим стеклом для защиты от ветра и осадков. Для измерения интенсивности рассеянной радиации приемник затеняется специальным экраном 3 . Во время измерений приёмник прибора устанавливается строго горизонтально, для этого пиранометр снабжён круглым уровнем 7 и установочными винтами 4. В нижней части приёмника размещена стеклянная сушилка, заполненная водопоглощающим веществом, которая предотвращает конденсацию влаги на приёмнике и стекле. В нерабочем состоянии приёмник пиранометра закрывается металлическим колпаком.

Рис. 4 Пиранометр универсальный М–80М: 1 – головка пиранометра; 2 – стопорная пружина; 3 – шарнир затенителя; 4 – установочный винт; 5 – основание; 6 – шарнир откидного штатива; 7 – уровень; 8 – винт; 9 – стойка с осушителем внутри; 10 – приёмная поверхность термобатареи.

Альбедометр походный (рис. 5) предназначен для измерения интенсивностей суммарной, рассеянной и отражательной радиаций в полевых условиях. Приемником является головка пиранометра 1 , установленная на самоуравновешивающийся карданный подвес 3 . Этот подвес позволяет установить прибор в двух положениях – приемником вверх и вниз, причем горизонтальность приемников обеспечивается автоматически. При положении приемной поверхности прибора вверх определяется суммарная радиация Q. Затем для измерения отраженной радиации R рукоятку альбедометра поворачивают на 180 0 . Зная эти величины можно определить альбедо.

Балансомер термоэлектрический М-10М (рис. 6) предназначен для измерения полного радиационного баланса подстилающей поверхности. Приемником балансомера является термобатарея квадратной формы состоящая, из множества медных брусков 5 , обмотанных константановой лентой 10 . Половина каждого винта ленты гальваническим путем посеребрена, начало и конец серебряного слоя 9 являются термоспаями. Половина спаев подклеивается к верхней, другая половина – к нижней приемным поверхностям, в качестве которых используются медные пластинки 2 , окрашенные в черный цвет. Приемник балансомера помещен в круглую металлическую оправу 1 . При измерениях он располагается строго горизонтально с помощью специального накладного уровня. Для этого приемник балансомера крепится на шаровом шарнире 15 . Для повышения точности измерений приемник балансомера может защищаться от прямой солнечной радиации круглым экраном 12 . Интенсивность прямой солнечной радиации измеряется в этом случае актинометром или пиранометром.

Рис. 5 Альбедометр походный: 1 – головка пиранометра; 2 – трубка; 3 – карданный подвес; 4 – рукоятка

Рис. 6 Балансомер термоэлектрический М-10М: а) – схематическое поперечное сечение: б) – отдельная термобатарея; в) – внешний вид; 1 – оправа приемника; 2 – приемная пластинка; 3, 4 – спаи; 5 – медный брусок; 6, 7 – изоляция; 8 – термобатарея; 9 – серебряный слой; 10 – константановая лента; 11 – рукоятка; 12 – теневой экран; 13, 15 – шарниры; 14 – планка; 16 – винт; 17 - чехол

Приборы для измерения продолжительности солнечного

сияния и освещённости

Продолжительность солнечного сияния есть время, в течение которого прямая солнечная радиация равна или больше 0,1 кВт/м 2 . Выражается в часах за сутки.

Метод определения продолжительности солнечного сияния основан на регистрации времени, в течение которого интенсивность прямой солнечной радиации достаточна для получения прожога на специальной ленте, укреплённой в оптическом фокусе шаровой стеклянной линзы, и составляет не менее 0,1 кВт/м 2 .

Продолжительность солнечного сияния измеряется прибором гелиографом (рис. 7).

Гелиограф универсальный модели ГУ–1 (рис. 7). Основанием прибора является плоская металлическая плита с двумя стойками 1 . Между стойками на горизонтальной оси 2 укреплена подвижная часть прибора, состоящая из колонки 3 с лимбом 4 и нижним упором 7 , скобы 6 с чашкой 5 и верхним упором 15 и стеклянного шара 8 , который является сферической линзой. На одном конце горизонтальной оси закреплён сектор 9 со шкалой широт. При перемещении горизонтальной оси 2 прибора с запада на восток и повороте верхней части прибора вокруг неё, ось колонки 3 устанавливается параллельно оси вращения Земли (оси мира). Для закрепления установленного угла наклона оси колонки служит винт 11 .

Верхняя часть прибора может поворачиваться вокруг оси колонки 3 и фиксироваться в четырех определенных положениях. Для этого используется специальный штифт 12 , который вставляется через отверстие лимба 4 в одно из четырёх отверстий диска 13 , закреплённого на оси 2 . Совпадение отверстий лимба 4 и диска 13 определяется по совпадению меток А, Б, В и Г на лимбе 4 с индексом 14 на диске.

Рис. 7 Гелиограф универсальный модели ГУ–1.

1 – стойка; 2 – горизонтальная ось; 3 – колонка; 4 – лимб; 5 – чашка; 6 – скоба; 7 – упор; 8 – стеклянный шар; 9 – сектор; 10 – указатель широты; 11 – винт для закрепления угла наклона оси; 12 – штифт; 13 – диск; 14 – индекс на диске; 15 – верхний упор.

На метеорологической площадке гелиограф устанавливается на бетонном или деревянном столбе высотой 2 м, на верхней части которого закреплена площадка из досок толщиной не менее 50 мм, так, чтобы при любом положении Солнца относительно сторон горизонта отдельные постройки, деревья и случайные предметы не затеняли его. Он устанавливается строго горизонтально и ориентирован по географическому меридиану и широте метеорологической станции; ось гелиографа должна быть строго параллельна оси мира.

Шар гелиографа должен содержаться в чистоте, так как наличие пыли, следов осадков, отложение росы, инея, изморози и гололёда на шаре ослабляет и искажает прожог на ленте гелиографа.

В зависимости от возможной продолжительности солнечного сияния запись за одни сутки должна производиться на одной, двух или трёх лентах. В зависимости от сезона должны применяться прямые или изогнутые ленты, которые следует закладывать в верхний, средний или нижний пазы чашки. Ленты для закладки в течение месяца должны подбираться одного цвета.

Для удобства работы с гелиографом к югу от подставки (столба) с прибором устанавливается лесенка с площадкой. Лесенка не должна касаться столба и должна быть достаточно удобной.

Люксметр Ю-16 (рис. 8) применяется для измерения освещённости, создаваемой светом или искусственными источниками света.

Рис. 8 Люксметр Ю–16. 1 – фотоэлемент; 2 – провод; 3 – измеритель; 4 – поглотитель; 5 – клеммы; 6 – переключатель пределов измерения; 7 – корректор.

Прибор состоит из селенового фотоэлемента 1 , соединённого проводом 2 с измерителем 3 , и поглотителя 4 . Фотоэлемент заключён в пластмассовый корпус с металлической оправой, для увеличения пределов измерения в 100 раз на корпус надевается поглотитель из молочного стекла. Измерителем люксметра является магнитоэлектрический стрелочный прибор, смонтированный в пластмассовом корпусе с окном для шкалы. В нижней части корпуса находится корректор 7 для установки стрелки на нуль, в верхней части – клеммы 5 для присоединения проводов от фотоэлемента и ручки переключения пределов измерения 6 .

Шкала измерителя разбита на 50 делений и имеет 3 ряда цифр соответственно трём пределам измерения - до 25, 100 и 500 люкс (лк). При использовании поглотителя пределы увеличиваются до 2500, 10000 и 50000 лк.

Во время работы с люксметром необходимо тщательно следить за чистотой фотоэлемента и поглотителя, при загрязнении их протирают ваткой, смоченной в спирте.

Фотоэлемент при измерениях располагается горизонтально. Корректором устанавливают стрелку измерителя на нулевое деление. Присоединяют фотоэлемент к измерителю и через 4-5 с проводят измерения. Для уменьшения перегрузок начинают с большего предела измерений, затем переходят на меньшие пределы, пока стрелка не окажется в рабочей части шкалы. Отсчёт снимают в делениях шкалы. При малых отклонениях стрелки для повышения точности измерений рекомендуется переключить измеритель на меньший предел. Для предупреждения усталости селенового фотоэлемента через каждые 5-10 мин работы прибора необходимо затенять фотоэлемент на 3-5 мин.

Освещенность определяется умножением отсчёта на цену деления шкал и на поправочный коэффициент (для естественного света он равен 0.8, для ламп накаливания -1). Цена деления шкалы равна пределу измерения, делённому на 50. При использовании одного или двух поглотителей полученную величину умножают, соответственно, на 100 или 10000.

1 Ознакомиться с устройством термоэлектрических приборов (актинометр, пиранометр, альбедометр, балансомер).

2 Ознакомиться с устройством гелиографа универсального, со способами его установки в различное время года.

3 Ознакомиться с устройством люксметра, измерить в аудитории освещенность естественную и искусственную.

Записи оформить в тетрадь.

ЛЕКЦИЯ 2.

СОЛНЕЧНАЯ РАДИАЦИЯ.

План:

1.Значение солнечной радиации для жизни на Земле.

2. Виды солнечной радиации.

3. Спектральный состав солнечной радиации.

4. Поглощение и рассеивание радиации.

5.ФАР (фотосинтетически активная радиация).

6. Радиационный баланс.

1. Основным источником энергии на Земле для всего живого (растений, животных и человека) является энергия солнца.

Солнце представляет собой газовый шар радиусом 695300км. Радиус Солнца в 109 раз больше радиуса Земли (экваториальный 6378,2км, полярный 6356,8км). Солнце состоит в основном из водорода (64%) и гелия (32%). На долю остальных приходится всего 4% его массы.

Солнечная энергия является основным условием существова­ния биосферы и одним из главных климатообразующих факто­ров. За счет энергии Солнца воздушные массы в атмосфере не­прерывно перемещаются, что обеспечивает постоянство газово­го состава атмосферы. Под действием солнечной радиации ис­паряется огромное количество воды с поверхности водоемов , почвы, растений. Водяной пар, переносимый ветром с океанов и морей на материки, является основным источником осадков для суши.

Солнечная энергия - непременное условие существования зеленых растений, превращающих в процессе фотосинтеза сол­нечную энергию в высокоэнергетические органические веще­ства.

Рост и развитие растений представляют собой процесс усвоения и переработки солнечной энергии, поэтому сельскохозяйственное производство возможно только при условии поступления солнечной энергии на поверхность Земли. Русский ученый писал: « Дайте самому лучшему повару сколько угодно свежего воздуха, солнечного света, целую речку чистой воды, попросите, чтобы из всего этого он приготовил вам сахар, крахмал, жиры и зерно, и он решит, что вы над ним смеетесь. Но то, что кажется совершенно фантастическим человеку, беспрепятственно совершается в зеленых листьях растений под действием энергии Солнца». Подсчитано, что 1 кв. метр листьев за час продуцирует грамм сахара. В связи с тем, что Земля окружена сплошной оболочкой атмосферы, солнечные лучи, прежде чем достичь поверхности земли, проходят всю толщу атмосферы, которая частично отражает их, частично рассеивает, т. е. изменяет количество и качество солнечного света, поступающего на поверхность земли. Живые организмы чутко реагируют на изменение интенсивности освещенности, создаваемой сол­нечным излучением. Вследствие различной реакции на интен­сивность освещенности все формы растительности делят на све­толюбивые и теневыносливые. Недостаточная освещенность в посевах обусловливает, например, слабую дифференциацию тканей соломины зерновых культур. В результате уменьшаются крепость и эластичность тканей, что часто приводит к полега­нию посевов. В загущенных посевах кукурузы из-за слабой осве­щенности солнечной радиацией ослабляется образование почат­ков на растениях.

Солнечная радиация влияет на химический состав сельскохо­зяйственной продукции. Например, сахаристость свеклы и пло­дов, содержание белка в зерне пшеницы непосредственно зави­сят от числа солнечных дней. Количество масла в семенах под­солнечника, льна также возрастает с увеличением прихода сол­нечной радиации.

Освещенность надземной части растений существенно влия­ет на поглощение корнями питательных веществ. При слабой освещенности замедляется перевод ассимилятов в корни, и в результате тормозятся биосинтетические процессы, происходящие в клетках растений.

Освещенность влияет и на появление, распространение и развитие болезней растений. Период заражения состоит из двух фаз, различающихся между собой по реакции на световой фак­тор. Первая из них - собственно прорастание спор и проникно­вение заразного начала в ткани поражаемой культуры - в боль­шинстве случаев не зависит от наличия и интенсивности света. Вторая - после прорастания спор - наиболее активно проходит при повышенной освещенности.

Положительное действие света сказывается также на скорос­ти развития патогена в растении-хозяине. Особенно четко это проявляется у ржавчинных грибов. Чем больше света, тем коро­че инкубационный период у линейной ржавчины пшеницы, желтой ржавчины ячменя, ржавчины льна и фасоли и т. д. А это увеличивает число генераций гриба и повышает интенсивность поражения. В условиях интенсивного освещения у этого патоге­на возрастает плодовитость

Некоторые заболевания наиболее активно развиваются при недостаточном освещении, вызывающем ослабление растений и снижение их устойчивости к болезням (возбудителям разного рода гнилей, особенно овощных культур).

Продолжительность осве­щения и растения. Ритм сол­нечной радиации (чередова­ние светлой и темной части суток) является наиболее устойчивым и повторяющимся из года в год фактором внешней среды. В результате многолетних исследований физиологами ус­тановлена зависимость перехода растений к генеративному раз­витию от определенного соотношения длины дня и ночи. В свя­зи с этим культуры по фотопериодической реакции можно клас­сифицировать по группам: короткого дня, развитие которых задерживается при продол­жительности дня больше 10ч. Короткий день способствует закладке цветков, а длинный день препятствует этому. К таким культурам относятся соя, рис, просо, сорго, кукуруза и др.;

длинного дня до 12-13час., требующие для своего развития продолжитель­ного освещения. Их развитие ускоряется, когда продолжитель­ность дня составляет около 20 ч. К этим культурам относятся рожь, овес, пшеница, лен, горох, шпинат, клевер и др.;

нейтральные по отношению к длине дня , развитие которых не зависит от продолжительности дня, например томат, гречиха, бобовые, ревень.

Установлено, что для начала цветения растений необходимо преобладание в лучистом потоке определенного спектрального состава. Растения короткого дня быстрее развиваются, когда максимум излучения приходится на сине-фиолетовые лучи, а растения длинного дня - на красные. Продолжительность светлой части суток (астрономическая длина дня) зависит от времени года и географической широты. На экваторе продолжительность дня в течение всего года равна 12 ч ± 30 мин. При продвижении от экватора к полюсам после весеннего равноденствия (21.03) длина дня увеличивается к се­веру и уменьшается к югу. После осеннего равноденствия (23.09) распределение продолжительности дня обратное. В Северном полушарии на 22.06 приходится самый длинный день, продолжительность которого севернее Полярного круга 24 ч. Самый короткий день в Северном полушарии 22.12, а за Полярным кру­гом в зимние месяцы Солнце вообще не поднимается над гори­зонтом. В средних же широтах, например в Москве, продолжи­тельность дня в течение года меняется от 7 до 17,5 ч.

2. Виды солнечной радиации.

Солнечная радиация состоит из трех составляющих: прямой солнечной радиации, рассеянной и суммарной.

ПРЯМАЯ СОЛНЕЧНАЯ РАДИАЦИЯ S – радиация, поступающая от Солнца в атмосферу и затем на земную поверхность в виде пучка параллельных лучей. Ее интенсивность измеряется в калориях на см2 в минуту. Она зависит от высоты солнца и состояния атмосферы (облачность, пыль, водяной пар). Годовая сумма прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность территории Ставропольского края составляет 65-76 ккал/ см2/мин. На уровне моря при высоком положении Солнца (лето, полдень) и хорошей прозрачности прямая солнечная радиация составляет 1,5 ккал/ см2/мин. Это коротковолновая часть спектра. При прохождении потока прямой солнечной радиации через атмосферу происходит его ослабление, вызванное поглощением (около 15 %) и рассеянием (около 25 %) энергии газами, аэрозо­лями, облаками.

Поток прямой солнечной радиации, падающий на горизонтальную поверхность называют инсоляцией S = S sin ho – вертикальная составляющая прямой солнечной радиации.

S – количество тепла, получаемого перпендикулярной к лучу поверхностью,

ho – высота Солнца, т. е. угол, образованный солнечным лучом с горизонтальной поверхностью.

На границе атмосферы интенсивность солнечной радиации составляет So = 1,98 ккал/ см2/мин. – по международному соглашению 1958г. И называется солнечной постоянной. Такой бы она была у поверхности, если бы атмосфера была абсолютно прозрачной.

Рис. 2.1. Путь солнечного луча в атмосфере при разной высоте Солнца

РАССЕЯНАЯ РАДИАЦИЯ D – часть солнечной радиации в результате рассеяния атмосферой уходит обратно в космос, но значительная ее часть поступает на Землю в виде рассеянной радиации. Максимум рассеянной радиации + 1 ккал/ см2/мин. Отмечается при чистом небе, если на нем высокие облака. При пасмурном небе спектр рассеянной радиации сходен с солнечным. Это коротковолновая часть спектра. Длина волны 0,17-4мк.

СУММАРНАЯ РАДИАЦИЯ Q - состоит из рассеянной и прямой радиации на горизонтальную поверхность. Q = S + D .

Соотношение между прямой и рассеянной радиацией в со­ставе суммарной радиации зависит от высоты Солнца, облачно­сти и загрязненности атмосферы, высоты поверхности над уров­нем моря. С увеличением высоты Солнца доля рассеянной ра­диации при безоблачном небе уменьшается. Чем прозрачнее ат­мосфера и чем выше Солнце, тем меньше доля рассеянной радиации. При сплошной плотной облачности суммарная ради­ация полностью состоит из рассеянной радиации. Зимой вслед­ствие отражения радиации от снежного покрова и ее вторичного рассеяния в атмосфере доля рассеянной радиации в составе сум­марной заметно увеличивается.

Свет и тепло, получаемые растениями от Солнца, - результат действия суммарной солнечной радиации. Поэтому большое значение для сельского хозяйства имеют данные о суммах ради­ации, получаемых поверхностью за сутки, месяц, вегетационный период, год.

Отраженная солнечная радиация. Альбедо . Суммарная радиа­ция, дошедшая до земной поверхности, частично отражаясь от нее, создает отраженную солнечную радиацию (RK), направленную от земной поверхности в атмосферу. Значение отраженной ра­диации в значительной степени зависит от свойств и состояния отражающей поверхности: цвета, шероховатости, влажности и др. Отражательную способность любой поверхности можно ха­рактеризовать величиной ее альбедо (Ак), под которым понимают отношение отраженной солнечной радиации к суммарной. Аль­бедо обычно выражают в процентах:

Наблюдения показывают, что альбедо различных поверхнос­тей изменяется в сравнительно узких пределах (10...30 %), ис­ключение составляют снег и вода.

Альбедо зависит от влажности почвы, с возрастанием которой оно уменьшается, что имеет важное значение в процессе измене­ния теплового режима орошаемых полей. Вследствие уменьше­ния альбедо при увлажнении почвы увеличивается поглощаемая радиация. Альбедо различных поверхностей имеет хорошо выра­женный дневной и годовой ход, обусловленный зависимостью альбедо от высоты Солнца. Наименьшее значение альбедо на­блюдают в околополуденные часы, а в течение года - летом.

Собственное излучение Земли и встречное излучение атмосфе­ры. Эффективное излучение. Земная поверхность как физическое тело, имеющее температуру выше абсолютного нуля (-273 °С), является источником излучения, которое называют собственным излучением Земли (Е3). Оно направлено в атмосферу и почти пол­ностью поглощается водяным паром, капельками воды и угле­кислым газом, содержащимися в воздухе. Излучение Земли за­висит от температуры ее поверхности.

Атмосфера, поглощая небольшое количество солнечной ра­диации и практически всю энергию, излучаемую земной поверх­ностью, нагревается и, в свою очередь, также излучает энергию. Около 30 % атмосферной радиации уходит в космическое про­странство, а около 70 % приходит к поверхности Земли и назы­вается встречным излучением атмосферы (Еа).

Количество энергии, излучаемое атмосферой, прямо пропор­ционально ее температуре, содержанию углекислого газа, озона и облачности.

Поверхность Земли поглощает это встречное излучение по­чти целиком (на 90...99 %). Таким образом, оно является для земной поверхности важным источником тепла в дополнение к поглощаемой солнечной радиации. Это влияние атмосферы на тепловой режим Земли называют парниковым или оранжерейным эффектом вследствие внешней аналогии с действием стекол в парниках и оранжереях. Стекло хорошо пропускает солнечные лучи, нагревающие почву и растения, но задерживает тепловое излучение нагревшейся почвы и растений.

Разность между собственным излучением поверхности Земли и встречным излучением атмосферы называют эффективным из­лучением: Еэф.

Еэф= Е3-Еа

В ясные и малооблачные ночи эффективное излучение гораз­до больше, чем в пасмурные, поэтому больше и ночное охлажде­ние земной поверхности. Днем оно перекрывается поглощенной суммарной радиацией, вследствие чего температура поверхности повышается. При этом растет и эффективное излучение. Земная поверхность в средних широтах теряет за счет эффективного из­лучения 70...140 Вт/м2, что составляет примерно половину того количества тепла, которое она получает от поглощения солнеч­ной радиации.

3. Спектральный состав радиации.

Солнце, как источник излучения, обладает многообразием испускаемых волн. Потоки лучистой энергии по длине волн условно делят на ко­ротковолновую (X < 4 мкм) и длинноволновую (А. > 4 мкм) радиа­цию. Спектр солнечной радиации на границе земной атмосферы практически заключается между длинами волн 0,17 и 4 мкм, а земного и атмосферного излучения - от 4 до 120 мкм. Следова­тельно, потоки солнечного излучения (S, D, RK) относятся к ко­ротковолновой радиации, а излучение Земли (£3) и атмосферы (Еа) - к длинноволновой.

Спектр солнечной радиации можно разделить на три каче­ственно различные части: ультрафиолетовую (Y < 0,40 мкм), ви­димую (0,40 мкм < Y < 0,75 мкм) и инфракрасную (0,76 мкм < Y < 4 мкм). До ультрафиолетовой части спектра сол­нечной радиации лежит рентгеновское излучение, а за инфра­красной - радиоизлучение Солнца. На верхней границе атмос­феры на ультрафиолетовую часть спектра приходится около 7 % энергии солнечного излучения, 46 - на видимую и 47 % - на инфракрасную.

Радиацию, излучаемую Землей и атмосферой, называют даль­ней инфракрасной радиацией.

Биологическое действие разных видов радиации на растения различно. Ультрафиолетовая радиация замедляет ростовые про­цессы, но ускоряет прохождение этапов формирования репро­дуктивных органов у растений.

Значение инфракрасной радиации , которая активно поглощается водой листьев и стеблей растений, состоит в ее теп­ловом эффекте, что существенно влияет на рост и развитие рас­тений.

Дальняя инфракрасная радиация производит лишь тепловое действие на растения. Ее влияние на рост и развитие растений несущественно.

Видимая часть солнечного спектра , во-первых, создает осве­щенность. Во-вторых, с областью видимой радиации почти со­впадает (захватывая частично область ультрафиолетовой радиа­ции) так называемая физиологическая радиация (А, = = 0,35...0,75 мкм), которая поглощается пигментами листа. Ее энергия имеет важное регуляторно-энергетическое значение в жизни растений. В пределах этого участка спектра выделяется область фотосинтетически активной радиации.

4. Поглощение и рассеивание радиации в атмосфере.

Проходя через земную атмосферу, солнечная радиация ослабляется вследствие поглощения и рассеяния атмосферными газами и аэрозолями . При этом изменяется и ее спектральный состав. При различной высоте солнца и различной высоте пункта наблюдений над земной поверхностью длина пути, проходимого солнечным лучом в атмосфере, неодинакова. При уменьшении высоты особенно сильно уменьшается ультрафиолетовая часть радиации, несколько меньше – видимая и лишь незначительно – инфракрасная.

Рассеяние радиации в атмосфере происходит главным образом в результате непрерывных колебаний (флуктаций) плотности воздуха в каждой точке атмосферы, вызванных образованием и разрушением некоторых «скоплений» (сгустков) молекул атмосферного газа. Солнечную радиацию рассеивают также частицы аэрозоля. Интенсивность рассеяния характеризуется коэффициентом рассеяния.

К= добавить формулу.

Интенсивность рассеяния зависит от количеств рассеивающих частиц в единице объема, от их размера и природы, а также от длин волн самой рассеиваемой радиации.

Лучи рассеиваются тем сильнее, чем меньше длина волны. Например фиолетовые лучи рассеиваются в 14 раз сильнее красных, этим объясняется голубой цвет неба. Как отмечалось выше (см. разд. 2.2), прямая солнечная ради­ация, проходя через атмосферу, частично рассеивается. В чис­том и сухом воздухе интенсивность коэффициента молекуляр­ного рассеяния подчиняется закону Релея:

к= с/ Y 4 ,

где С - коэффициент, зависящий от числа молекул газа в единице объема; X - длина рассеиваемой волны.

Поскольку длина дальних волн красного света почти вдвое больше длины волн фиолетового света, первые рассеиваются молекулами воздуха в 14 раз меньше, чем вторые. Так как перво­начальная энергия (до рассеяния) фиолетовых лучей меньше, чем синих и голубых, то максимум энергии в рассеянном свете (рассеянной солнечной радиации) смещается на сине-голубые лучи, что и обусловливает голубой цвет неба. Таким образом, рассеянная радиация более богата фотосинтетически активными лучами, чем прямая.

В воздухе, содержащем примеси (мелкие капельки воды, кри­сталлики льда, пылинки и т. д.), рассеяние одинаково для всех участков видимой радиации. Поэтому небо приобретает белесо­ватый оттенок (появляется дымка). Облачные же элементы (крупные капельки и кристаллики) вообще не рассеивают сол­нечные лучи, а диффузно их отражают. В результате облака, ос­вещенные Солнцем, имеют белый цвет.

5. ФАР (фотосинтетическиактивная радиация)

Фотосинтетически активная радиация. В процессе фотосинте­за используется не весь спектр солнечной радиации, а только его

часть, находящаяся в интервале длин волн 0,38...0,71 мкм, - фо­тосинтетически активная радиация (ФАР).

Известно, что видимая радиация, воспринимаемая глазом че­ловека как белый цвет, состоит из цветных лучей: красных, оранжевых, желтых, зеленых, голубых, синих и фиолетовых.

Усвоение энергии солнечной радиации листьями растений селективно (избирательно). Наиболее интенсивно листья погло­щают сине-фиолетовые (X = 0,48...0,40 мкм) и оранжево-крас­ные (X = 0,68 мкм) лучи, менее - желто-зеленые (А. = 0,58...0,50 мкм) и дальние красные (А. > 0,69 мкм) лучи.

У земной поверхности максимум энергии в спектре прямой солнечной радиации, когда Солнце находится высоко, прихо­дится на область желто-зеленых лучей (диск Солнца желтый). Когда же Солнце располагается у горизонта, максимальную энергию имеют дальние красные лучи (солнечный диск крас­ный). Поэтому энергия прямого солнечного света мало участву­ет в процессе фотосинтеза.

Так как ФАР является одним из важнейших факторов про­дуктивности сельскохозяйственных растений, информация о ко­личестве поступающей ФАР, учет ее распределения по террито­рии и во времени имеют большое практическое значение.

Интенсивность ФАР можно измерить, но для этого необходимы специальные светофильтры, пропускающие только волны в диапазоне 0,38...0,71 мкм. Такие приборы есть, но на сети актинометрических станций их не применяют, а измеряют интен­сивность интегрального спектра солнечной радиации. Значение ФАР можно рассчитать по данным о приходе прямой, рассеян­ной или суммарной радиации с помощью коэффициентов, пред­ложенных, X. Г. Тоомингом и:

Qфар = 0,43 S " +0,57 D);

составлены карты распределения месячных и годовых сумм Фар на территории России.

Для характеристики степени использования посевами ФАР применяют коэффициент полезного использования ФАР:

КПИфар= (сумма Q / фар/сумма Q / фар) 100%,

где сумма Q / фар - сумма ФАР, затрачиваемая на фотосинтез за период вегетации расте­ний; сумма Q / фар - сумма ФАР, поступающая на посевы за этот период;

Посевы по их средним значениям КПИФАр разделяют на группы (по): обычно наблюдаемые - 0,5...1,5 %; хорошие-1,5...3,0; рекордные - 3,5...5,0; теорети­чески возможные - 6,0...8,0 %.

6. РАДИАЦИОННЫЙ БАЛАНС ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Разность между приходящими и уходящими потоками лучис­той энергии называют радиационным балансом земной поверхнос­ти (В).

Приходная часть радиационного баланса земной поверхности днем состоит из прямой солнечной и рассеянной радиации, а также излучения атмосферы. Расходной частью баланса являют­ся излучение земной поверхности и отраженная солнечная ра­диация:

B = S / + D + Ea - Е3- Rk

Уравнение можно записать и в другом виде: B = Q - RK - Еэф.

Для ночного времени уравнение радиационного баланса име­ет следующий вид:

В = Еа - Е3, или В = -Еэф.

Если приход радиации больше, чем расход, то радиационный баланс положительный и деятельная поверхность* нагревается. При отрицательном балансе она охлаждается. Летом радиацион­ный баланс днем положительный, а ночью - отрицательный. Переход через ноль происходит утром примерно через 1 ч после восхода Солнца, а вечером за 1...2 ч до захода Солнца.

Годовой радиационный баланс в районах, где устанавливает­ся устойчивый снежный покров, в холодное время года имеет отрицательные значения, в теплое - положительные.

Радиационный баланс земной поверхности существенно вли­яет на распределение температуры в почве и приземном слое ат­мосферы, а также на процессы испарения и снеготаяния, обра­зование туманов и заморозков, изменение свойств воздушных масс (их трансформацию).

Знание радиационного режима сельскохозяйственных угодий позволяет рассчитывать количество радиации, поглощенной по­севами и почвой в зависимости от высоты Солнца, структуры посева, фазы развития растений. Данные о режиме необходимы и для оценки разных приемов регулирования температуры и влажности почвы, испарения, от которых зависят рост и разви­тие растений, формирование урожая, его количество и качество.

Эффективными агрономическими приемами воздействия на радиационный, а следовательно, и на тепловой режим деятель­ной поверхности является мульчирование (покрытие почвы тон­ким слоем торфяной крошки, перепревшим навозом, древесны­ми опилками и др.), укрытие почвы полиэтиленовой пленкой, орошение. Все это изменяет отражательную и поглощательную способность деятельной поверхности.

* Деятельная поверхность - поверхность почвы, воды или растительности, которая непосредственно поглощает солнечную и атмосферную радиацию и отда­ет излучение в атмосферу, чем регулирует термический режим прилегающих слоев воздуха и нижележащих слоев почвы, воды, растительности.

Важнейшим источником, от которого поверхность Земли и атмосфера получают тепловую энергию, является Солнце. Оно посылает в мировое пространство колоссальное количество лучистой энергии: тепловой, световой, ультрафиолетовой. Излучаемые Солнцем электромагнитные волны распространяются со скоростью 300 000 км/с.

От величины угла падения солнечных лучей зависит нагревание земной поверхности. Все солнечные лучи приходят на поверхность Земли параллельно друг другу, но так как Земля имеет шарообразную форму, солнечные лучи падают на разные участки ее поверхности под разными углами. Когда Солнце в зените, его лучи падают отвесно и Земля нагревается сильнее.

Вся совокупность лучистой энергии, посылаемой Солнцем, называется солнечной радиацией, обычно она выражается в калориях на единицу поверхности в год.

Солнечная радиация определяет температурный режим воздушной тропосферы Земли.

Необходимо заметить, что общее количество солнечного излучения более чем в два миллиарда раз превышает количество энергии, получаемое Землей.

Радиация, достигающая земной поверхности, состоит из прямой и рассеянной.

Радиация, приходящая на Землю непосредственно от Солнца в виде прямых солнечных лучей при безоблачном небе, называется прямой. Она несет наибольшее количество тепла и света. Если бы у нашей планеты не было атмосферы, земная поверхность получала только прямую радиацию.

Однако, проходя через атмосферу, примерно четвертая часть солнечной радиации рассеивается молекулами газов и примесями, отклоняется от прямого пути. Некоторая их часть достигает поверхности Земли, образуя рассеянную солнечную радиацию. Благодаря рассеянной радиации свет проникает и в те места, куда прямые солнечные лучи (прямая радиация) не проникают. Эта радиация создает дневной свет и придает цвет небу.

Суммарная солнечная радиация

Все солнечные лучи, поступающие на Землю, составляют суммарную солнечную радиацию, т. е. совокупность прямой и рассеянной радиации (рис. 1).

Рис. 1. Суммарная солнечная радиация за год

Распределение солнечной радиации по земной поверхности

Солнечная радиация распределяется по земле неравномерно. Это зависит:

1. от плотности и влажности воздуха — чем они выше, тем меньше радиации получает земная поверхность;

2. от географической широты местности — количество радиации увеличивается от полюсов к экватору. Количество прямой солнечной радиации зависит от длины пути, который проходят солнечные лучи в атмосфере. Когда Солнце находится в зените (угол падения лучей 90°), его лучи попадают на Землю кратчайшим путем и интенсивно отдают свою энергию малой площади. На Земле это происходит в полосе между от 23° с. ш. и 23° ю. ш., т. е. между тропиками. По мере удаления от этой зоны на юг или на север длина пути солнечных лучей увеличивается, т. е. уменьшается угол их падения на земную поверхность. Лучи начинают падать на Землю под меньшим углом, как бы скользя, приближаясь в районе полюсов к касательной линии. В результате тот же поток энергии распределяется на большую площадь, поэтому увеличивается количество отраженной энергии. Таким образом, в районе экватора, где солнечные лучи падают на земную поверхность под углом 90°, количество получаемой земной поверхностью прямой солнечной радиации выше, а по мере передвижения к полюсам это количество резко сокращается. Кроме того, от широты местности зависит и продолжительность дня в разные времена года, что также определяет величину солнечной радиации, поступающей на земную поверхность;

3. от годового и суточного движения Земли — в средних и высоких широтах поступление солнечной радиации сильно изменяется по временам года, что связано с изменением полуденной высоты Солнца и продолжительности дня;

4. от характера земной поверхности — чем светлее поверхность, тем больше солнечных лучей она отражает. Способность поверхности отражать радиацию называется альбедо (от лат. белизна). Особенно сильно отражает радиацию снег (90 %), слабее песок (35 %), еше слабее чернозем (4 %).

Земная поверхность, поглощая солнечную радиацию (поглощенная радиация), нагревается и сама излучает тепло в атмосферу (отраженная радиация). Нижние слои атмосферы в значительной мерс задерживают земное излучение. Поглощенная земной поверхностью радиация расходуется на нагрев почвы, воздуха, воды.

Та часть суммарной радиации, которая остается после отражения и теплового излучения земной поверхности, называется радиационным балансом. Радиационный баланс земной поверхности меняется в течение суток и по сезонам года, однако в среднем за год имеет положительное значение всюду, за исключением ледяных пустынь Гренландии и Антарктиды. Максимальных значений радиационный баланс достигает в низких широтах (между 20° с. ш. и 20° ю. ш.) — свыше 42*10 2 Дж/м 2 , на широте около 60° обоих полушарий он снижается до 8*10 2 -13*10 2 Дж/м 2 .

Солнечные лучи отдают атмосфере до 20 % своей энергии, которая распределяется по всей толще воздуха, и потому вызываемое ими нагревание воздуха относительно невелико. Солнце нагревает поверхность Земли, которая передает тепло атмосферному воздуху за счет конвекции (от лат.convectio - доставка), т. е. вертикального перемещения нагретого у земной поверхности воздуха, на место которого опускается более холодный воздух. Именно так атмосфера получает большую часть тепла — в среднем в три раза больше, чем непосредственно от Солнца.

Присутствие в углекислого газа и водяного пара не позволяет теплу, отраженному от земной поверхности, беспрепятственно уходить в космическое пространство. Они создают парниковый эффект, благодаря которому перепад температуры на Земле в течение суток не превышает 15 °С. При отсутствии в атмосфере углекислого газа земная поверхность остывала бы за ночь на 40-50 °С.

В результате роста масштабов хозяйственной деятельности человека — сжигания угля и нефти на ТЭС, выбросов промышленными предприятиями, увеличения автомобильных выбросов — содержание углекислого газа в атмосфере повышается, что ведет к усилению парникового эффекта и грозит глобальным изменением климата.

Солнечные лучи, пройдя атмосферу, попадают на поверхность Земли и нагревают ее, а та, в свою очередь, отдает тепло атмосфере. Этим объясняется характерная особенность тропосферы: понижение температуры воздуха с высотой. Но бывают случаи, когда высшие слои атмосферы оказываются более теплыми, чем низшие. Такое явление носит название температурной инверсии (от лат. inversio — переворачивание).

Энергетическая освещенность, создаваемая излучением, поступающим на Землю непосредственно от солнечного диска в виде пучка параллельных солнечных лучей, называется прямой солнечной радиацией .
Прямая солнечная радиация, поступающая на верхнюю границу атмосферы, изменяется во времени в небольших пределах, поэтому ее называют солнечной постоянной (S0). При среднем расстоянии от Земли до Солнца 149,5·106 км составляет около 1400 Вт/м кв.
При прохождении потока прямой солнечной радиации через атмосферу происходит его ослабление, вызванное поглощением (около 15%) и рассеянием (около 25%) энергии газами, аэрозолями, облаками.

Согласно закону ослабления Буге прямая солнечная радиация, поступающая на поверхность Земли при отвесном (перпендикулярном) падении лучей,

Формула

где? – коэффициент прозрачности атмосферы; m – число оптических масс атмосферы.

Ослабление солнечного потока в атмосфере зависит от высоты Солнца над горизонтом Земли и прозрачности атмосферы. Чем меньше высота его над горизонтом, тем большее число оптических масс атмосферы проходит солнечный луч. За одну оптическую массу атмосферы принимают массу, которую проходят лучи при положении Солнца в зените (рис. 3.1).

Рисунок 3.1 . Схема пути солнечного луча в атмосфере при разной высоте Солнца (доступно при скачивании полной версии учебника)

Таблица (доступно при скачивании полной версии учебника)

Чем больший путь в атмосфере проходят солнечные лучи, тем сильнее их поглощение и рассеяние и тем больше изменяется их интенсивность.
Коэффициент прозрачности зависит от содержания в атмосфере водяного пара и аэрозолей: чем их больше, тем меньше коэффициент прозрачности при одинаковом числе проходимых оптических масс. В среднем для всего потока радиации в идеально чистой атмосфере? на уровне моря составляет около 0,9, в действительных атмосферных условиях – 0,70-0,85, зимой он несколько больше, чем летом.

Приход прямой радиации на земную поверхность зависит от угла падения солнечных лучей . Поток прямой солнечной радиации, падающей на горизонтальную поверхность, называют инсоляцией :

Формула (доступно при скачивании полной версии учебника)

где h0 – высота солнца

Энергетическая освещенность прямой радиации зависит от высоты Солнца и прозрачности атмосферы и возрастает с увеличением высоты места над уровнем моря. В основных земледельческих районах России летом полуденные значения энергетической освещенности прямой радиации находятся в пределах 700-900 Вт/м кв. На высоте 1 км увеличение составляет 70-140 Вт/м кв. На высоте 4-5 км освещенность прямой радиации превышает 1180 Вт/м кв. Облака нижнего яруса обычно почти полностью не пропускают прямую радиацию.
Приход прямой солнечной радиации зависит от высоты солнца над горизонтом, которая меняется как в течение суток, так и в течение года. Это обуславливает суточный и годовой ход прямой радиации.
Изменение прямой радиации в течение безоблачного дня (суточный ход) выражается одновершинной кривой с максимумом в истинный солнечный полдень. Летом над сушей максимум может наступить до полудня, так как к полудню увеличивается запыленность атмосферы.
Годовой ход прямой радиации наиболее резко выражен на полюсах, так как зимой солнечная радиация здесь вообще отсутствует, а летом ее приход достигает 900 Вт/м кв. В средних широтах максимум прямой радиации иногда наблюдается не летом, а весной, так как в летние месяцы, вследствие увеличения содержания водяного пара и пыли, уменьшается прозрачность атмосферы. Минимум приходится на период, близкий к дню зимнего солнцестояния (декабрь). На экваторе наблюдаются два максимума равные примерно 920 Вт/м кв. в дни весеннего и осеннего равноденствия, и два минимума (около 55- Вт/м кв.) в дни летнего и зимнего солнцестояния.

Скачать полную версию учебника (с рисунками, формулами, картами, схемами и таблицами) одним файлом в формате MS Office Word