Солнечная радиация – это интегральный поток корпускулярных частиц (протоны, γ-частицы, электроны, нейтроны, нейтрины) и электромагнитного (фотонного) излучения.
В результате солнечной активности образуется большое количество корпускулярных частиц, которые движутся со скоростью – от 300 до 2000 км/сек и достигают атмосферы Земли за 2 суток, однако задерживаются его магнитным полем. Образуется также электромагнитное излучение, двигающееся со скоростью 300 000 км/сек и достигающее Земли за 8 мин.
Корпускулярные частицы: α-частицы, β-частицы, протоны, электроны, нейтроны, позитроны и т. п.
Электромагнитный состав:
· γ- излучение (длина волны <0,1 нм) задерживаются
· рентгеновское излучение (0,1–10 нм) магнитным
· крайний, канцерогенный ультрафиолет (10-120 нм) полем Земли
· ультрафиолетовое излучение (120-400 нм; 0,6-3% достигает Земли, другая часть рассеивается)
· видимое (400–760 нм; 40% достигает Земли)
· инфракрасное (760–10 000 нм, 59% достигает Земли)
· далекое инфракрасное (10 000–100 000 нм)
· радиочастоты (>100 000 нм)
Физические свойства, биологическое действие и, соответственно, возможные нарушения, в состоянии здоровья возникающие при недостаточном или избыточном облучении, зависят от длины волны преобладающей в составе солнечной радиации на данной территории. Корпускулярные частицы и волны, имеющие длину менее чем 280 нм, полностью поглощаются в озоновом слое, в верхних слоях земной атмосферы. Однако, загрязнение атмосферы промышленными выбросами, особенно фреоном, способствует разрушению и утончению озонового слоя атмосферы, появлению в некоторых регионах так называемых “озоновых дыр”, сквозь которые к поверхности земли проникают более опасные для всего живого, с меньшей длиной волны УФ лучи.
Количество солнечного излучения, которое достигает Земли, называется световым климатом и зависит от природных и антропогенных факторов. В зависимости от обеспечения ультрафиолетом регионов выделяют зоны:
УФ-ДЕФИЦИТА (северные регионы, >57 широты);
УФ-КОМФОРТА (42-57 широты);
УФ-избытка (южные регионы, <42 широты).
Интегральный (суммарный) поток радиации Солнца измеряется пиранометром (например, пиранометр Янишевского) и выражается в мкал/см 2 ×мин.
Физические свойства и биологическое действие ультрафиолетового излучения
Весь диапазон УФ-излучения Солнца и искусственных источников делятся на три области:
· область А – длинноволновое УФ-излучение λ = 320–400 нм;
· область В – средневолновое УФ-излучение λ = 280–320 нм;
· область С – коротковолновое УФ- излучение: λ = 10–280 нм.
Биологическое действие УФИ:
А. Биогенное:
1. Общестимулирующее – В-спектр. Благодаря фотолизу белков кожи (УФ лучи проникают в кожу на глубину 3-4 мм) с образуются токсичные продукты фотолиза – гистамин, холин, аденазин, пиримидиновые соединения и др. Последние всасываются в кровь, стимулируют обмен веществ в организме, ретикулоэндотелиальную систему, костный мозг, повышают количество гемоглобина, эритроцитов, лейкоцитов, активность тканевых ферментов, функцию печени, стимулируют деятельность нервной системы и так далее.Общестимулирующее действие УФИ усиливается благодаря ее эритемному эффекту – рефлекторному расширению капилляров кожи, особенно наряду с интенсивным инфракрасным облучением. Эритемный эффект при избыточном облучении может закончиться ожогом кожи.
2. Д-витаминообразующее воздействие УФИ свойственно для области В. Эффект заключается в расщеплении кальциферола: из эргостерина (7,8-дегидрохолестерина) в кожном жире (секрете сальных желез) под воздействием УФО вследствии расщепления бензолового кольца образуется витамин Д 2 (ергохолекальциферол) и витамин Д 3 (холекальциферол), а из провитамина 2,2-дегидроэргостерина – витамин Д 4 .
3. Пигментообразующий эффект УФИ – область А, В. Обусловлен образованием меланина. Меланин защищает кожу (и весь организм) от избытка УФИ, видимого и инфракрасного излучения.
Б. Абиогенное:
1. Бактерицидное действие свойственно для области С. Под влиянием УФИ сначала возникает возбуждение бактерий с активацией их жизнедеятельности, которое с увеличением дозы УФИ сменяется бактериостатическим эффектом, а затем – фотодеструкцией, денатурацией белков, гибелью микроорганизмов.
2. Канцерогенное действие УФИ появляется в условиях жаркого тропического климата и на производстве с высоким уровнем и длительным воздействием технических источников УФИ (электросварка и т. п.).
3. Мутагенное.
4. Аллергическое.
Недостаточность УФ-излучения (световое голодание) приводят к:
· снижению резистентности организма и, как следствие, к увеличению заболеваемости, обострению хронической патологии
· возникновению рахита у детей
· возникновению остеопороза у взрослых
Профилактика: солнечная ванна, солярии, фотарии, витамин D в медикаментозной форме
Избыток УФ-излучения приводят к:
· эритеме, ожогам
· снижению резистентности организма и, как следствие, увеличению заболеваемости, обострению хронической патологии
· поражению глаз (фотоофтальмия при природном происхождении УФИ, например, в горах, электрофтальмия при искусственном происхождении, например, у электросварщиков, кератоконъюнктивиты, катаракта, птеригий – рак роговицы)
· фотодерматозу, солнечному эластозу (нарушение образования коллагена)
· рак кожи
· выведению из организма витаминов В 2 , РР, С
· нарушению липидного обмена
Профилактика: одежда из натуральной ткани, головные уборы, солнцезащитные и специальные очки, используемые на производстве.
Методы определения интенсивности УФИ:
1) Фотохимический по Н.З.Куличковой – основанный на распаде щавелевой кислоты пропорционально интенсивности и длительности УФ-облучения. Прибором для измерения интенсивности ультрафиолетового излучения фотохимическим методом является кварцевая пробирка с раствором щавелевой кислоты и азотнокислого уранила. Единица измерения: миллиграмм распавшейся щавелевой кислоты на см 2 поверхности раствора за единицу времени (мин, час). Физиологичная доза облучения – 1 мг/см 2 , профилактическая доза – 0,5 мг/см 2 .
2) Фотоэлектрический метод – измерение интенсивности УФИ ультрафиолетметром или уфиметром (фотоинтенсиметром или фотоэкспозиметром) в мкВт/см 2
3) Биологический (эритемний) метод – определение эритемной дозы при помощи биодозиметра М.Ф. Горбачева. Биологическая (эритемная) доза (биодоза) является минимальным временем облучения участка кожи ультрафиолетовым излучением, в результате которого возникает ее слабое покраснение (эритема ). Биодозиметр является планшеткой с 6 отверстиями-окошками, которые закрываться двигающейся пластинкой. Биодозиметр располагается на незагорелой чувствительной к ультрафиолетовому излучению части кожи (нижняя часть кожи живота либо внутренняя часть предплечья) исследуемого, располагающегося на расстоянии 0,5 м от источника излучения.
В начале исследования открывают все отверстия. В дальнейшем, через 1 минуту закрывают первое, через 2 минуты – второе, через 3 минуты – третье и т.д.
Контроль появления эритемы следует проводить через 6 – 8 часов после облучения. Биодозу (в минутах) определяют в соответствии с номером отверстия (по времени экспозиции), в котором было зарегистрировано наименьшее покраснение.
Профилактическая доза ультрафиолетового излучения составляет 1/8 биодозы, физиологическая доза –1/4-1/2 биодозы. Максимальная доза – 1 биодоза для детей и 2 биодозы для взрослых.
Например:
Для определения биологической (эритемной) дозы биодозиметр Горбачева-Дальфельда разместили на коже нижней трети брюшной полости школьника и облучали на протяжении 6 минут.
) , обратимся к рисунку 1 - где приведено параллельное и последовательное продвижение теплоты Солнца к горячему рассолу солнечного соляного пруда. А также происходящие изменения значений различных видов солнечного излучения и их суммарного значения на этом пути.
Рисунок 1 – Гистограмма изменения интенсивности солнечного излучения (энергии) на пути к горячему рассолу солнечного соляного пруда.
Для оценки эффективности активного использования различных видов солнечного излучения определимся с тем, какие из природных, техногенных и эксплуатационных факторов оказывают позитивное, а какие негативное влияние на концентрацию (увеличение поступления) солнечного излучения в пруд и аккумулирование его горячим рассолом.
Земля и атмосфера получают от Солнца в год 1,3∙10 24 кал тепла. Оно измеряется интенсивностью, т.е. количеством лучистой энергии (в калориях), которое поступает от Солнца за единицу времени на площадь поверхности, перпендикулярную солнечным лучам.
Лучистая энергия Солнца доходит до Земли в виде прямой и рассеянной радиации, т.е. суммарной. Она поглощается земной поверхностью и превращается в тепло не полностью, часть её теряется в виде отраженной радиации.
Прямая и рассеянная (суммарная), отраженная и поглощенная радиация относятся к коротковолновой части спектра. Наряду с коротковолновой радиацией к земной поверхности поступает длинноволновое атмосферы (встречное ), в свою очередь земная поверхность излучает длинноволновую радиацию (собственное ).
Прямое солнечное излучение относится к основному природному фактору поступления энергии к водной поверхности солнечного соляного пруда.
Солнечная радиация, поступающая на деятельную поверхность в виде пучка параллельных лучей, исходящих непосредственно от диска Солнца, называется прямой солнечной радиацией.
Прямая солнечная радиация относится к коротковолновой части спектра (с длинами волн от 0,17 до 4 мкм, фактически земной поверхности достигают лучи с длиной волны от 0,29 мкм)
Солнечный спектр можно разделить на три основных области:
Ультрафиолетовое излучение (λ< 0,4 мкм) - 9 % интенсивности.
Коротковолновая ультрафиолетовая области (λ< 0,29 мкм) практически полностью отсутствует на уровне моря вследствие поглощения О 2 , О 3 , О, N 2 и их ионами.
Ближний ультрафиолет диапазон (0,29 мкм <λ < 0,4 мкм) достигает Земли малой долей излучения, но вполне достаточной для загара;
Видимое излучение (0,4 мкм < λ < 0,7 мкм) - 45 % интенсивности.
Видимое излучение чистая атмосфера пропускает практически полностью, и она становится «окном», открытым для прохода на Землю этого вида солнечной энергии. Наличие аэрозолей и загрязнений атмосферы могут быть причинами значительного поглощения излучения этого спектра;
Инфракрасное излучение (λ> 0,7 мкм) - 46 % интенсивности. Ближняя инфракрасная область (0,7 мкм < < 2,5 мкм). На этот диапазон спектра приходится почти половина интенсивности солнечного излучения. Более 20 % солнечной энергии поглощается в атмосфере, в основном парами воды и СО 2 (диоксидом углерода). Концентрация СО 2 в атмосфере относительно постоянна и составляет 0,03 %, а концентрация паров воды меняется очень сильно - почти до 4 %.
При длинах волн более 2,5 мкм слабое внеземное излучение интенсивно поглощается СО 2 и водой, так что только небольшая часть этого диапазона солнечной энергии достигает поверхности Земли.
Дальний инфракрасный диапазон (λ> 12 мкм) солнечного излучения практически не поступает на Землю .
С точки зрения применения солнечной энергии на Земле следует учитывать только излучение в интервале длин волн 0,29 – 2,5 мкм
Большая часть солнечной энергии за пределами атмосферы приходится на диапазон длин волн 0,2 – 4 мкм, а на поверхности Земли - на диапазон 0,29 – 2,5 мкм .
Проследим, как перераспределяются, в общем виде , потоки энергии, которую дает Земле Солнце. Возьмем 100 условных единиц солнечной мощности (1,36 кВт/м 2), попадающей на Землю, и проследим за их путями в атмосфере. Один процент (13,6 Вт/м 2), короткий ультрафиолет солнечного спектра, поглощается молекулами в экзосфере и термосфере, разогревая их. Ещё три процента (40,8 Вт/м 2) ближнего ультрафиолета поглощаются озоном стратосферы. Инфракрасный хвост солнечного спектра (4 % или 54,4 Вт/м 2) остается в верхних слоях тропосферы, содержащей пары воды (выше водяного пара практически нет).
Оставшиеся 92 доли солнечной энергии (1,25 кВт/м 2) приходятся на «окно прозрачности» атмосферы 0,29 мкм < < 2,5 мкм. Они проникают в плотные приземные слои воздуха. Значительная часть их (45 единиц или 612 Вт/м 2), преимущественно в синей видимой части спектра, рассеиваются воздухом, придавая голубой цвет небу. Прямые солнечные лучи - оставшиеся 47 процентов (639,2 Вт/м 2) начального светового потока - достигают поверхности. Она отражает примерно 7 процентов (95,2 Вт/м 2) из этих 47 % (639,2 Вт/м 2) и этот свет по пути в космос отдает ещё 3 единицы (40,8 Вт/м 2) диффузному рассеянному свету неба. Сорок же долей энергии солнечных лучей, и ещё 8 от атмосферы (всего 48 или 652,8 Вт/м 2) поглощаются поверхностью Земли, нагревая сушу и океан.
Рассеянная в атмосфере световая мощность (всего 48 долей или 652,8 Вт/м 2) частично поглощается ею (10 долей или 136 Вт/м 2), а остальное распределяется между поверхностью Земли и космосом. В космическое пространство уходит больше, чем попадает на поверхность, 30 долей (408 Вт/м 2) наверх, 8 долей (108,8 Вт/м 2) вниз.
Это была описана общая, осредненная , картина перераспределения солнечной энергии в атмосфере Земли. Однако, она не позволяет решать частные задачи использования солнечной энергии для удовлетворения потребностей человека в конкретной зоне его проживания и трудовой деятельности и вот почему.
Атмосфера Земли лучше отражает косые солнечные лучи, поэтому часовая инсоляция на экваторе и в средних широтах намного больше чем в высоких.
Значениям высоты Солнца (возвышениям над горизонтом) 90, 30, 20, и 12 ⁰ (воздушная (оптическая) масса (m) атмосферы соответствует 1, 2, 3, и 5) при безоблачной атмосфере соответствует интенсивность около 900, 750, 600 и 400 Вт/м 2 (при 42 ⁰ - m = 1,5, а при 15 ⁰ - m = 4). В действительности полная энергия падающего излучения превышает указанные значения, поскольку она включает не только прямую составляющую, но и рассеянную при воздушных массах 1, 2, 3 и 5 величина рассеянной составляющей интенсивности излучения на горизонтальную поверхность при этих условиях соответственно равна 110, 90, 70 и 50 Вт/м 2 (с коэффициентом 0,3 – 0,7 для вертикальной плоскости, т. к. видна только половина неба). Кроме того, на участках небосклона близких к Солнцу, присутствует «околосолнечный ореол» в радиусе ≈ 5⁰.
В таблице 1 приведены данные по инсоляции для различных регионов Земли.
Таблица 1 – Инсоляция прямой составляющей по регионам для чистой атмосферы
Из таблицы 1 видно, что дневное количество солнечного излучения максимально не на экваторе, а вблизи 40 ⁰. Подобный факт также является следствием наклона земной оси к плоскости её орбиты. В период летнего солнцестояния Солнце в тропиках почти весь день находится над головой и продолжительность светового дня - 13,5 часов, больше чем на экваторе в день равноденствия. С повышением географической широты продолжительность дня возрастает, и хотя интенсивность солнечного излучения при этом уменьшается, максимальное значение дневной инсоляции приходится на широту около 40 ⁰ и остается почти постоянным (для условий безоблачного неба) вплоть до полярного круга.
Следует подчеркнуть, что данные таблицы 1 справедливы лишь для чистой атмосферы. С учетом облачности и загрязнений атмосферы промышленными отходами, характерных для многих стран мира, приведенные в таблице величины следует уменьшать, по крайней мере, вдвое. Например, для Англии 70 г. XX века, до начала борьбы за охрану окружающей среды, годовое количество солнечной радиации составляло лишь 900 кВт∙ч/м 2 вместо 1700 кВт∙ч/м 2 .
Первые данные, о прозрачности атмосферы на Байкале были получены В.В. Буфалом в 1964г. Он показал, что значения прямой солнечной радиации над Байкалом в среднем на 13 % выше, чем в Иркутске. Средний спектральный коэффициент прозрачности атмосферы на Северном Байкале в летний период составляет для красного, зеленого и синего фильтров соответственно 0,949, 0,906, 0,883. В летний период атмосфера более неустойчива в оптическом отношении, чем зимой, и эта неустойчивость значительно меняется от дополуденных к послеполуденным часам. В зависимости от годового хода ослабления водяным паром и аэрозолями меняется и их вклад в общее ослабление солнечной радиации. В холодную часть года основную роль играют аэрозоли, в теплую - водяной пар. Байкальская котловина и озеро Байкал отличаются сравнительно высокой интегральной прозрачностью атмосферы. При оптической массе m = 2 средние значения коэффициента прозрачности колеблются от 0,73 (летом) до 0,83 (зимой) При этом межсуточные изменения интегральной прозрачности атмосферы велики, особенно в полуденные часы - от 0,67 до 0,77 .
Аэрозоли существенно снижают поступление в акваторию пруда прямого солнечного излучения, причем они поглощают в основном излучение видимого спектра , с той длиной волны, которая беспрепятственно проходит пресный слой пруда, и это для аккумулирования прудом солнечной энергии имеет большое значения. (Слой воды толщиной 1 см практически непрозрачен для инфракрасного излучения с длиной волны более 1 мкм). Поэтому вода толщиной в несколько сантиметров используется как теплозащитный фильтр. Для стекла длинноволновая граница пропускания инфракрасного излучения составляет - 2,7 мкм.
Большое количество частиц пыли, беспрепятственно переносимое по степи также снижает прозрачность атмосферы.
Электромагнитное излучение испускают все нагретые тела, причем, чем холоднее тело, тем меньше интенсивность излучения и тем дальше в длинноволновую область смещен максимум его спектра. Существует очень простое соотношение λmax×Τ=c¹[ с¹= 0,2898 см∙град. ( Вина)], с помощью которого легко установить, где находится максимум излучения тела с температурой Τ (⁰К). Например, человеческое тело, имеющее температуру 37 + 273 = 310 ⁰К, испускает инфракрасные лучи с максимумом вблизи значения λmax = 9,3 мкм . А стенки, например, гелиосушилки, с температурой 90 ⁰С будут испускать инфракрасные лучи с максимумом вблизи значения λmax = 8 мкм.
Видимое солнечное излучение (0,4 мкм < λ < 0,7 мкм) имеет 45 % интенсивности потому, что температура поверхности Солнца 5780 ⁰К.
В свое большим прогрессом явился переход от электрической лампы накаливания с угольной нитью к современной лампе с вольфрамовой нитью. Все дело в том, что угольную нить можно довести до температуры 2100 ⁰К, а вольфрамовую - до 2500 ⁰К. Почему эти 400 ⁰К так важны? Все дело в том, что цель лампы накаливания - не греть, а давать свет. Следовательно, надо добиться такого положения, чтобы максимум кривой приходился на видимое изучение. Идеалом было бы располагать такой нитью, которая выдерживала бы температуру поверхности Солнца. Но даже переход с 2100 до 2500 ⁰К повышает долю энергии, приходящейся на видимое излучение, от 0,5 до 1,6 % .
Инфракрасные лучи, исходящие от тела, нагретого всего до 60 – 70 ⁰С, каждый может почувствовать, поднося ладонь снизу (для устранения тепловой конвекции).
Приход прямого солнечного излучения в акваторию пруда соответствует его приходу на горизонтальную поверхность облучения. При этом, изложенное выше показывает, неопределенность количественной характеристики прихода в конкретный момент времени, как сезонного, так и суточного. Постоянной характеристикой является только высота Солнца (оптическая масса атмосферы).
Аккумулирование же солнечного излучения земной поверхностью и прудом существенно различаются.
Естественные поверхности Земли обладают различной отражательной (поглощательной) способностью. Так, темные поверхности (чернозем, болота торфяные) имеют низкое значение альбедо около 10 %. (Альбедо поверхности - это отношение потока излучения, отраженного этой поверхностью в окружающее пространство, к потоку, упавшему на неё).
Светлые поверхности (белый песок) обладают большим альбедо, 35 – 40 %. Альбедо поверхностей с травяным покровом колеблются в пределах 15 – 25 %. Альбедо крон лиственного леса летом равно 14 – 17 %, хвойного леса - 12 – 15 %. Альбедо поверхности уменьшается с увеличением высоты Солнца.
Альбедо же водных поверхностей заключается в пределах 3 – 45 %, в зависимости от высоты Солнца и степени волнения .
При спокойной водной поверхности альбедо зависит только от высоты Солнца (рисунок 2).
Рисунок 2 – Зависимость коэффициента отражения солнечного излучения для спокойной водной поверхности от высоты Солнца.
Вступление солнечного излучения и прохождение его через слой воды имеет свои особенности.
В общем виде оптические свойства воды (её растворов) в видимой области солнечного излучения представлены на рисунке 3.
Ф0- поток (мощность) падающего излучения,
Фотр- поток отраженного водной поверхностью излучения,
Фпогл- поток поглощенного водной массой излучения,
Фпр- поток прошедшего водную массу излучения.
Коэффициент отражения тела Фотр/Ф0
Коэффициент поглощения Фпогл/Ф0
Коэффициент пропускания Фпр/Ф0.
Рисунок 3 – Оптические свойства воды (её растворов) в видимой области солнечного излучения
На плоской границе двух сред воздух - вода наблюдаются явления отражения и преломления света.
При отражении света луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр к отражающей поверхности, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости, и угол отражения равен углу падения. В случае преломления падающий луч, перпендикуляр, восстановленный в точке падения луча к границе раздела двух сред, и преломленный луч лежат в одной плоскости. Угол падения α и угол преломления β (рисунок 4) связаны sin α /sin β=n2|n1, где n2 - абсолютный показатель преломления второй среды,n1 - первой. Поскольку для воздуха n1≈1 , то формула примет вид sin α /sin β=n2
Рисунок 4 – Преломление лучей при переходе из воздуха в воду
Когда лучи идут из воздуха в воду, то они приближаются к «перпендикуляру падения»; например, луч, падающий на воду под углом к перпендикуляру к поверхности воды, вступает в неё уже под углом, который меньше, чем (рис 4,а). Но когда падающий луч, скользя по поверхности воды, падает на водную поверхность почти под прямым углом к перпендикуляру, например, под углом 89 ⁰ и менее, то он вступает в воду под углом, меньшем чем прямой, а именно под углом всего 48,5 ⁰. Под большим углом к перпендикуляру, чем 48,5 ⁰, луч вступить в воду не может: это для воды «предельный» угол (рисунок 4,б).
Следовательно, лучи, падающие на воду под всевозможными углами, сжимаются под водой в довольно тесный конус с углом раствора 48,5 ⁰ + 48,5 ⁰ = 97 ⁰ (рис 4,в).
Кроме того преломление воды зависит от её температуры (таблица 2), однако изменения эти столь не значительны что не могут представлять интереса для инженерной практики, по рассматриваемой теме.
Таблица 2 – Показатель преломления воды при различной температуре t
| n | n | n | |||||
Проследим теперь за ходом лучей, идущих обратно (из точки Р) - из воды в воздух (рисунок 5). По законам оптики, пути будут те же самые, и все лучи, заключенные в упомянутом 97-градусном конусе, выйдут в воздух под различными углами, распределяясь по всему 180-градусному пространству над водой. Подводные лучи, находящиеся вне упомянутого угла (97-градусного) не выйдут из-под воды, а отразятся целиком от её поверхности, как от зеркала.
Рисунок 5 – Преломление лучей при переходе из воды в воздух
Если n2 < n1(вторая среда оптически менее плотная), то α < β. Наибольшему значению β = 90 ⁰ соответствует угол падения α0 , определяемый равенством sinα0=n2/n1. При угле падения α >α0 существует только отраженный луч, преломленный луч отсутствует (явление полного внутреннего отражения ).
Всякий подводный луч, встречающий поверхность воды под углом, большим «предельного» (т.е. большим 48,5 ⁰), не преломляется, а отражается: он претерпевает «полное внутреннее отражение ». Отражение называется в данном случае полным потому, что здесь отражаются все падающие лучи, между тем как даже самое лучшее зеркало из полированного серебра отражает только часть падающих на него лучей, остальную же поглощает. Вода при указанных условиях является идеальным зеркалом. В данном случае речь идет о видимом свете. Вообще говоря, показатель преломления воды, как и других веществ, зависит от длины волны (это явление называется дисперсией). Как следствие этого предельный угол, при котором наступает полное внутреннее отражение, не один и тот же для разных длин волн, но для видимого света при отражении на границе вода - воздух этот угол изменяется меньше чем на 1⁰ .
Благодаря тому, что под большим углом к перпендикуляру, чем 48,5⁰, солнечный луч вступить в воду не может: это для воды «предельный» угол (рисунок 4,б), то водная масса, во всем диапазоне значений высоты Солнца изменяется не столь незначительно, чем воздушная - она всегда меньше .
Однако, поскольку, плотность воды в 800 раз больше плотности воздуха, то поглощение солнечного излучения водой будет меняться существенно.
Кроме того, если световое излучение проходит сквозь прозрачную среду, то спектр такого света обладает некоторыми особенностями. Определенные линии в нем сильно ослаблены, т. е. волны соответствующей длины сильно поглощаются рассматриваемой средой. Такие спектры называются спектрами поглощения . Вид спектра поглощения зависит от рассматриваемого вещества.
Поскольку раствор солей солнечного соляного пруда может содержать различные концентрации хлористых натрия и магния и их отношения, то однозначно говорить о спектрах поглощения нет смысла. Хотя исследований и данных по этому вопросу предостаточно.
Так, например, исследованиями, проведенными в СССР (Ю. Усмановым) по выявлению коэффициента пропускания излучения различных длин волн для воды и раствора хлористого магния различной концентрации получены следующие результаты (рисунок 6). А Б. Дж. Бринквортом показана графическая зависимость поглощения солнечной радиации и монохроматическая плотность потока солнечной радиации (излучения) в зависимости от длин волн (рисунок 7).
Рисунок 7 – Поглощение солнечной радиации в воде
Рисунок 6 – Зависимость пропускной способности раствора хлористого магния от концентрации
Следовательно, количественное поступление прямого солнечного излучения к горячему рассолу пруда, после вступления в воду, будет зависеть: от монохроматической плотности потока солнечной радиации (излучения); от высоты Солнца. А также от альбедо поверхности пруда, от чистоты верхнего слоя солнечного соляного пруда, состоящего из пресной воды, с толщиной обычно 0,1 – 0,3 м, где подавить перемешивание не удается, состава, концентрации и толщины раствора в градиентном слое (изолирующем слое с увеличивающейся книзу концентрацией рассола), от чистоты воды и рассола.
Из рисунков 6 и 7 следует, что вода обладает наибольшей пропускной способностью в видимой области солнечного спектра. Это является очень благоприятным фактором для прохождения солнечной радиации через верхний пресный слой солнечного соляного пруда.
Список Литературы
1 Осадчий Г.Б. Солнечная энергия, её производные и технологии их использования (Введение в энергетику ВИЭ) / Г.Б. Осадчий. Омск: ИПК Макшеевой Е.А., 2010. 572 с.
2 Твайделл Дж. Возобновляемые источники энергии / Дж. Твайделл, А. Уэйр. М.: Энергоатомиздат, 1990. 392 с.
3 Даффи Дж. А. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии / Дж. А. Даффи, У. А. Бекман. М.: Мир, 1977. 420 с.
4 Климатические ресурсы Байкала и его бассейна /Н. П. Ладейщиков, Новосибирск, Наука, 1976, 318с.
5 Пикин С. А. Жидкие кристаллы/ С. А. Пикин, Л. М. Блинов. М.: Наука, 1982. 208 с.
6 Китайгородский А. И. Физика для всех: Фотоны и ядра/ А. И. Китайгородский. М.: Наука, 1984. 208 с.
К природным излучений относятся излучения Солнца, атмосферы и земной поверхности.
Параметры солнечного излучения
Солнце представляет собой раскаленный шар диаметром 1,392 109 м, масса которой составляет 1,991 1030 кг. Расстояние между Солнцем и Землей равна 1,496 1011 м. Температура Солнца в центре - 2 107 ° С, на поверхности - 6000 ° С. При такой высокой температуры происходит ионизация молекул солнечного среды и ядерные реакции. Эти процессы сопровождаются выделением большого количества энергии.
К основным параметрам солнечного излучения относятся интенсивность, спектральный состав и периодичность.
Интенсивность солнечного излучения
Наблюдение за Солнцем с помощью пиргелиометра
спутника Nimbus позволило определить интенсивность солнечного излучения в пределах 1369-1375 Вт / м2 (среднее значение 1373 Вт / м2). Эта величина получила название солнечной постоянной.
Общая мощность солнечного излучения составляет для сферы радиусом d = 1,496 1011 м (расстояние между Солнцем и Землей):
Радиус земного шара равен .
Площадь поперечного сечения м2.
Площадь всей поверхности Земли составляет м2.
Мощность солнечного излучения на поверхности Земли (учитываем, что Земля вращается и площадь облучаемого в 4 раза меньше, чем вся площадь поверхности):
Следовательно, интенсивность солнечного излучения, падающего на земную поверхность, равна:
В Украине средняя интенсивность солнечного излучения варьирует от 185-215 Вт / м2 (Крым) до 115-145 Вт / м2 (Полесье).
Солнечное излучение по интенсивности распределяется так: две трети в виде прямого солнечного света, одна треть в виде диффузно рассеянного света (рис. 11.1).
Рис. 11.1.
Прямое солнечное излучение соответствует тому излучению, измеряется на земной поверхности перпендикулярно ей за исключением диффузного излучения.
Диффузное излучение соответствует излучению, рассеивается на частицах атмосферы или отражается от них.
Прямая солнечная инсоляция равна солнечной постоянной за исключением потери на поглощение и рассеивание. Солнечная стала зависит от расстояния между Солнцем и Землей, солнечных циклов; потери солнечного излучения зависят от времени дня (возвышение Солнца), облачного покрова, содержания влажности и различных загрязнителей.
Излучающие свойства Солнца описываются уравнением:
(11.1)
где - суммарная энергетическая освещенность солнечным излучением земной поверхности, Вт / м2; - энергетическая освещенность земной поверхности прямым солнечным излучением, Вт / м2, а - то же, но диффузным солнечным излучением, Вт / м2.
Средние значения суммарной энергетической освещенности и за счет диффузного солнечного излучения составляют: = 900 Вт / м2; = 200 Вт / м2 (чистое небо) = 800 Вт / м2; = 350 Вт / м2 (небо наполовину покрыт кучевыми облаками) = 300 Вт / м2 (небо полностью покрыто облаками) .
Солнечная интенсивность распределяется так: 19 % прямого солнечного излучения поглощается атмосферой, в частности такими газами как озон, двуокись углерода, водная пара, кислород, азот; 20% солнечного излучения отражается облаками; 6% рассеивается атмосферой; 4% отражается земной поверхностью; 51% поглощается земной поверхностью (грунтом и водой), после чего это излучение появляется в виде латентной теплоты (23 %), ощутимой теплоты (7%), инфракрасного излучения земной поверхности (21%). Около 23 % составляет диффузное солнечное излучение. На интенсивность солнечного излучения влияют время года, время суток, широта, расстояние между Солнцем и Землей, поглощение солнечного излучения земной атмосферой.
Спектральный состав солнечного излучения
Спектр солнечного излучения составляет 200-5000 нм; максимум излучения приходится на 500 нм. Спектр солнечного излучения, достигающего земной поверхности состоит из ультрафиолетовой (100-400 нм), видимой (380-760 нм) и инфракрасной (более 760 нм) частей (табл. 11.1). На ультрафиолетовую часть спектра приходится 5%, на видимую 35% и на инфракрасную - 60% солнечного излучения.
11.1. Диапазоны спектра оптического излучения
Периодичность солнечного излучения
Циклические изменения солнечной активности известны как солнечные циклы. Различают солнечные циклы с периодичностью 11, 22, 87, 210 и 2300.
Корональные конденсации – плазма в областях активной короны, которая примерно в три раза более плотная нежели в окрестных областях. Среди корональных конденсаций выделяют два вида. Постоянные (спокойные). Средняя температура полтора – два миллиона градусов. Количество горячего вещества в короне возрастает после бурных нестационарных процессов, особенно после солнечных вспышек. На снимках короны с высоким пространственным разрешения корональные конденсации видны в виде совокупности петель, высота которых может достигать 100 000 км (их размеры связанны с размерами связанных с ними групп пятен). Конденсации существуют порядка нескольких суток. Чем сильнее свечение конденсаций в зеленой корональной линии, тем больше их время жизни. Иногда они переживают соответствующие им пятна. Вещество спокойной короны вне активных областей так же сосредоточенно в менее контрастных петлях. Эти петли являются «сгустками» магнитных силовых линий. Отдельные петли оказываются оторванными друг от друга. Причиной этого является препятствие магнитного поля переносу элементарных частиц и энергии поперек силовых линий. В установившемся стационарном состоянии плотность плазмы в петле оказывается тем большей, чем больше выделяется энергии. Кроме постоянных существуют и спорадические корональные конденсации, которые много плотнее постоянных и имеют более высокую температуру выше 3 млн. градусов. Они связаны с солнечными вспышками и существуют не более нескольких часов. Спорадические конденсации состоят из ярких корональных петель. В них усилено свечение желтой и зеленой корональных линий, а также рентгеновских лучей.
Корональные дыры – области спокойной короны в которых петли отсутствуют. Для корональных дыр характерна открытая магнитная конфигурация с замыканием силовых линий далеко в межпланетном пространстве и относительно низкой температурой в 600 000 градусов, из которых в пространство выходят магнитные силовые линии. Такая («открытая») магнитная конфигурация позволяет частицам беспрепятственно покидать Солнце, поэтому солнечный ветер испускается в основном из корональных дыр. Плотность в этих областях короны уменьшается, и в виду больших энергетических потерь на формирование газодинамического потока температура оказывается несколько ниже, чем в обычных корональных петлях. Это объясняет пониженную яркость дыр в рентгеновском диапазоне по сравнению со спокойной короной. Они чаще всего наблюдаются вблизи минимума солнечной активности. Затем площадь их уменьшается и к ее максимуму они вовсе исчезают. Именно они являются источником высокоскоростных потоков солнечной плазмы, обнаруженных в солнечном ветре.
Активные области – области, в которых наблюдается изменение мощности магнитного поля Солнца и как следствие, усиленное движение газов, изменение характера этих движений. В этих областях возникают пятна, факелы, флоккулы, протуберанцы и т.п. Активные области излучают больше энергии, больше корпускул, ультрафиолетовых, рентгеновских лучей. В короне активные области связанны с проявлениями активности в нижележащих слоях солнечной атмосферы. В короне наблюдаются корональные конденсации и корональные дыры. Структура короны определяется расположением и движением в ней силовых линий магнитного поля, которое увлекает с собой плазму, образующую структуру короны.
Корона состоит из следующих частей:
K-корона (электронная корона или непрерывная корона). Видна как белый свет фотосферы, рассеиваемый высокоэнергетическими электронами при температуре порядка миллиона градусов. K-корона неоднородна, она содержит различные структуры, такие как потоки, уплотнения, перья и лучи. Поскольку электроны движутся в высокой скоростью, фраунгоферовы линии в спектре отраженного света стерты.
F-корона (фраунгоферова корона или пылевая корона) - свет фотосферы, рассеиваемый более медленными частицами пыли, движущимися вокруг Солнца. В спектре видны фраунгоферовы линии. Продолжение F-короны в межпланетное пространство наблюдается как зодиакальный свет.
E-корона (корона эмиссионных линий) образуется светом в дискретных эмиссионных линиях сильно ионизированных атомов, особенно железа и кальция. Она обнаруживается на расстоянии двух солнечных радиусов. Эта часть короны излучает также в крайнем ультрафиолетовом и мягком рентгеновском диапазонах спектра.
фраунгоферовы линии - Темные линии поглощения в спектре Солнца и, по аналогии, в спектре любой звезды. Впервые такие линии были выделены Йозефом фон Фраунгофером (1787-1826), который обозначил самые заметные линии буквами латинского алфавита. Некоторые из этих символов все еще используются в физике и астрономии, особенно линии натрия D и линии кальция H и K.
| Оригинальные обозначения Фраунгофера (1817) линий поглощения в солнечном спектре | ||
| Буква | Длина волны (нм) | Химическое происхождение |
| A | 759,37 | Атмосферный O 2 |
| B | 686,72 | Атмосферный O 2 |
| C | 656,28 | Водород α |
| D1 | 589,59 | Нейтральный натрий |
| D2 | 589,00 | Нейтральный натрий |
| D3 | 587,56 | Нейтральный гелий |
| E | 526,96 | Нейтральное железо |
| F | 486,13 | Водород β |
| G | 431,42 | Молекула CH |
| H | 396,85 | Ионизированный кальций |
| K | 393,37 | Ионизированный кальций |
Корональные линии - запрещенные линии в спектрах многократно ионизованных Fe, Ni, Ca, Al и других элементов, возникают в солнечной короне и указывают на высокую (ок. 1,5 млн. К) температуру короны.
Выброс корональной массы (ВКМ) - эрупция вещества из солнечной короны в межпланетное пространство. ВКМ связан с особенностями магнитного поля Солнца. В периоды высокой солнечной активности каждый день происходит один или два выброса, возникающих в самых разных солнечных широтах. В периоды спокойного Солнца они происходят существенно реже (примерно один раз каждые 3 -10 дней) и ограничиваются более низкими широтами. Средняя скорость выброса изменяется от 200 км/сек при минимальной активности до величин примерно вдвое больших в максимуме активности. Большинство выбросов не сопровождается вспышками, а в тех случаях, когда вспышки происходят, они обычно начинаются после начала ВКМ. ВКМ представляют собой наиболее мощные из всех нестационарных солнечных процессов и оказывают заметное влияние на солнечный ветер. Большие ВКМ, ориентированные в плоскости земной орбиты, ответственны за геомагнитные бури.
Солнечный ветер - поток частиц (в основном протонов и электронов), истекающих за пределы Солнца со скоростью до 900 км/сек. Солнечный ветер фактически представляет собой горячую солнечную корону, распространяющуюся в межпланетное пространство. Теоретически это явление было предсказано американским физиком Е. Паркером, а экспериментально подтверждено при помощи приборов, установленных на советских космических аппаратах «Луна-2» и «Луна-3», которые и обнаружили потоки заряженных частиц в межпланетном пространстве. Расширяется корона неравномерно во все стороны пространства, скорости ее расширения, или скорости солнечного ветра, меняются от 300 км/сек до 1 500 км/сек в зависимости от процессов, происходящих на Солнце. Источниками высокоскоростного солнечного ветра являются коронарные дыры - области с низкой плотностью, возникающие над поверхностью там, где магнитное поле Солнца открывается в межпланетное пространство. Во время минимума солнечной активности корональные дыры обычно появляются над полюсами Солнца и протягиваются на очень большие расстояния. На уровне орбиты Земли средняя скорость частиц солнечного ветра (протонов и электронов) около 400 км/с, число частиц - 108-109 в см 3 /с. Их количество резко возрастает после солнечных выпушек, особенно после мощных. Они несут с собой магнитное поле и движутся не по радиусу солнца, а по спиралям. В потоках этого излучения наблюдается турбулентность плазмы и деформация магнитного поля. Солнечный ветер оказывает заметное влияние на все планеты, он, подобно конвейерной ленте переносит последствия событий, происходящих на солнечной поверхности, в межпланетное пространство. Когда он сталкивается с удаленным небесным телом, то вызывает в пространстве вокруг него изменении электрических свойств, что может оказывать значительные воздействия на атмосферу планет, и особенно на их собственное магнитное поле, в тот случае, если оно есть. Много нового о солнечном ветре выяснила международная космическая станция SOHO. Оказалось, что он переносит такие элементы, как никель, железо, кремний, сера, кальций, хром.
Источники тепла. В жизни атмосферы решающее значение имеет тепловая энергия. Главнейшим источником этой энергии является Солнце. Что же касается теплового излучения Луны, планет и звезд, то оно для Земли настолько ничтожно, что практически его нельзя принимать во внимание. Значительно больше тепловой энергии дает внутреннее тепло Земли. По вычислениям геофизиков, постоянный приток тепла из недр Земли повышает температуру земной поверхности на 0°,1. Но подобный приток тепла все же настолько мал, что принимать его в расчет также нет никакой необходимости. Таким образом, единственным источником тепловой энергии на поверхности Земли можно считать только Солнце.
Солнечная радиация. Солнце, имеющее температуру фотосферы (излучающей поверхности) около 6000°, излучает энергию в пространство во всех направлениях. Часть этой энергии в виде огромного пучка параллельных солнечных лучей попадает на Землю. Солнечная энергия, дошедшая до поверхности Земли в виде прямых лучей Солнца, носит название прямой солнечной радиации. Но не вся солнечная радиация, направленная на Землю, доходит до земной поверхности, так как солнечные лучи, проходя через мощный слой атмосферы, частично поглощаются ею, частично рассеиваются молекулами и взвешенными частичками воздуха, некоторая часть отражается облаками. Та часть солнечной энергии, которая рассеивается в атмосфере, называется рассеянной радиацией. Рассеянная солнечная радиация распространяется в атмосфере и попадает к поверхности Земли. Нами этот вид радиации воспринимается как равномерный дневной свет, когда Солнце полностью закрыто облаками или только что скрылось за горизонтом.
Прямая и рассеянная солнечная радиация, достигнув поверхности Земли, не полностью поглощается ею. Часть солнечной радиации отражается от земной поверхности обратно в атмосферу и находится там в виде потока лучей, так называемой отраженной солнечной радиации.
Состав солнечной радиации весьма сложный, что связано с очень высокой температурой излучающей поверхности Солнца. Условно по длине волн спектр солнечной радиации делят на три части: ультрафиолетовую (η<0,4<μ видимую глазом (η от 0,4μ до 0,76μ) и инфракрасную часть (η >0,76μ). Кроме температуры солнечной фотосферы, на состав солнечной радиации у земной поверхности влияет еще поглощение и рассеивание части солнечных лучей при их прохождении через воздушную оболочку Земли. В связи с этим состав солнечной радиации на верхней границе атмосферы и у поверхности Земли будет неодинаков. На основании теоретических расчетов и наблюдений установлено, что на границе атмосферы на долю ультрафиолетовой радиации приходится 5%, на видимые лучи - 52% и на инфракрасные - 43%. У земной же поверхности (при высоте Солнца 40°) ультрафиолетовые лучи составляют только 1%, видимые - 40%, а инфракрасные - 59%.
Интенсивность солнечной радиации. Под интенсивностью прямой солнечной радиации понимают количество тепла в калориях, получаемого в 1 мин. от лучистой энергии Солнца поверхностью в 1 см 2 , расположенной перпендикулярно к солнечным лучам.
Для измерения интенсивности прямой солнечной радиации применяются специальные приборы - актинометры и пиргелиометры; величина рассеянной радиации определяется пиранометром. Автоматическая регистрация продолжительности действия солнечной радиации производится актинографами и гелиографами. Спектральная интенсивность солнечной радиации определяется спектроболографом.
На границе атмосферы, где исключено поглощающее и рассеивающее воздействие воздушной оболочки Земли, интенсивность прямой солнечной радиации равна приблизительно 2 кал на 1 см 2 поверхности в 1 мин. Эта величина носит название солнечной постоянной. Интенсивность солнечной радиации в 2 кал на 1 см 2 в 1 мин. дает такое большое количество тепла в течение года, что его хватило бы, чтобы расплавить слой льда в 35 м толщиной, если бы такой слой покрывал всю земную поверхность.
Многочисленные измерения интенсивности солнечной радиации дают основание полагать, что количество солнечной энергии, приходящее к верхней границе атмосферы Земли, испытывает колебания в размере нескольких процентов. Колебания бывают периодические и непериодические, связанные, по-видимому, с процессами, происходящими на самом Солнце.
Кроме того, некоторое изменение в интенсивности солнечной радиации происходит в течение года благодаря тому, что Земля в годовом своем вращении движется не по окружности, а по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. В связи с этим меняется расстояние от Земли до Солнца и, следовательно, происходит колебание интенсивности солнечной радиации. Наибольшая интенсивность наблюдается около 3 января, когда Земля находится ближе всего от Солнца, а наименьшая около 5 июля, когда Земля удалена от Солнца на максимальное расстояние.
Колебание интенсивности солнечной радиации по этой причине очень невелико и может представлять только теоретический интерес. (Количество энергии при максимальном расстоянии относится к количеству энергии при минимальном расстоянии, как 100: 107, т. е. разница совершенно ничтожна.)
Условия облучения поверхности земного шара. Уже одна только шарообразная форма Земли приводит к тому, что лучистая энергия Солнца распределяется на земной поверхности весьма неравномерно. Так, в дни весеннего и осеннего равноденствия (21 марта и 23 сентября) только на экваторе в полдень угол падения лучей будет 90° (рис. 30), а по мере приближения к полюсам он будет уменьшаться от 90 до 0°. Таким образом,
если на экваторе количество полученной радиации принять за 1, то на 60-й параллели она выразится в 0,5, а на полюсе будет равна 0.
Земной шар, кроме того, имеет суточное и годовое движение, причем земная ось наклонена к плоскости орбиты на 66°,5. В силу этого наклона между плоскостью экватора и плоскостью орбиты образуется угол в 23°30 г. Это обстоятельство приводит к тому, что углы падения солнечных лучей для одних и тех же широт будут меняться в пределах 47° (23,5+23,5).
В зависимости от времени года меняется не только угол падения лучей, но также продолжительность освещения. Если в тропических странах во все времена года продолжительность дня и ночи приблизительно одинакова, то в полярных странах, наоборот, она очень различна. Так, например, на 70° с. ш. летом Солнце не заходит 65 суток, на 80° с. ш.- 134, а на полюсе -186. В силу этого на Северном полюсе радиация в день летнего солнцестояния (22 июня) на 36% больше, чем на экваторе. Что же касается всего летнего полугодия, то общее количество тепла и света, получаемого полюсом, только на 17% меньше, чем на экваторе. Таким образом, в летнее время в полярных странах продолжительность освещения в значительной мере компенсирует тот недостаток радиации, который является следствием малого угла падения лучей. В зимнее полугодие картина совершенно другая: количество радиации на том же Северном полюсе будет равно 0. В результате за год среднее количество радиации на полюсе оказывается в 2,4 меньше, чем на экваторе. Из всего сказанного следует, что количество солнечной энергии, которое получает Земля путем радиации, определяется углом падения лучей и продолжительностью облучения.
Земная поверхность при отсутствии атмосферы на различных широтах за сутки получала бы следующее количество тепла, выраженное в калориях на 1 см 2 (см. таблицу на стр. 92).
Приведенное в таблице распределение радиации по земной поверхности принято называть солярным климатом. Повторяем, что такое распределение радиации мы имеем только у верхней границы атмосферы.
Ослабление солнечной радиации в атмосфере. До сих пор мы говорили об условиях распределения солнечного тепла по земной поверхности, не принимая во внимание атмосферы. Между тем атмосфера в данном случае имеет огромное значение. Солнечная радиация, проходя через атмосферу, испытывает рассеивание и, кроме того, поглощение. Оба эти процесса вместе ослабляют солнечную радиацию в значительной степени.
Солнечные лучи, проходя через атмосферу, прежде всего испытывают рассеивание (диффузию). Рассеивание создается тем, что лучи света, преломляясь и отражаясь от молекул воздуха и частичек твердых и жидких тел, находящихся в воздухе, отклоняются от прямого пути к действительно «рассеиваются».
Рассеивание сильно ослабляет солнечную радиацию. При увеличений количества водяных паров и особенно пылевых частиц рассеивание увеличивается и радиация ослабляется. В больших городах и пустынных областях, где запыленность воздуха наибольшая, рассеивание ослабляет силу радиации на 30-45%. Благодаря рассеиванию получается тот дневной свет, который освещает предметы, если даже на них непосредственно солнечные лучи не падают. Рассеивание обусловливает и самый цвет неба.
Остановимся теперь на способности атмосферы поглощать лучистую энергию Солнца. Основные газы, входящие в состав атмосферы, поглощают лучистую энергию сравнительно очень мало. Примеси же (водяной пар, озон, углекислый газ и пыль), наоборот, отличаются большой поглотительной способностью.
В тропосфере наиболее значительную примесь составляют водяные пары. Они особенно сильно поглощают инфракрасные (длинноволновые), т. е. преимущественно тепловые лучи. И чем больше водяных паров в атмосфере, тем естественно больше и. поглощение. Количество же водяных паров в атмосфере подвержено большим изменениям. В естественных условиях оно меняется от 0,01 до 4% (по объему).
Очень большой поглотительной способностью отличается озон. Значительная примесь озона, как уже говорилось, находится в нижних слоях стратосферы (над тропопаузой). Озон поглощает ультрафиолетовые (коротковолновые) лучи почти полностью.
Большой поглотительной способностью отличается также и углекислый газ. Он поглощает главным образом длинноволновые, т. е. преимущественно тепловые лучи.
Пыль, находящаяся в воздухе, также поглощает некоторое количество солнечной радиации. Нагреваясь под действием солнечных лучей, она может заметно повысить температуру воздуха.
Из общего количества солнечной энергии, приходящей к Земле, атмосфера поглощает всего около 15%.
Ослабление солнечной радиации путем рассеивания и поглощения атмосферой для различных широт Земли очень различно. Это различие зависит прежде всего от угла падения лучей. При зенитном положении Солнца лучи, падая вертикально, пересекают атмосферу кратчайшим путем. С уменьшением угла падения путь лучей удлиняется и ослабление солнечной радиации становится более значительным. Последнее хорошо видно по чертежу (рис. 31) и приложенной таблице (в таблице величина пути солнечного луча при зенитном положении Солнца принята за единицу).
В зависимости от угла падения лучей изменяется не только количество лучей, но также и их качество. В период, когда Солнце находится в зените (над головой), на ультрафиолетовые лучи приходится 4%, на
видимые - 44% и инфракрасные - 52%. При положении Солнца у горизонта ультрафиолетовых лучей совсем нет, видимых 28% и инфракрасных 72%.
Сложность влияния атмосферы на солнечную радиацию усугубляется еще тем, что пропускная ее способность очень сильно меняется в зависимости от времени года и состояния погоды. Так, если бы небо все время оставалось безоблачным, то годовой ход притока солнечной радиации на различных широтах можно было бы графически выразить следующим образом (рис. ,32) Из чертежа ясно видно, что при безоблачном небе в Москве в мае, июне и июле тепла от солнечной радиации получалось бы больше, чем на экваторе. Точно так же во вторую половину мая, в июне и первой половине июля на Северном полюсе тепла получалось бы больше, чем на экваторе и в Москве. Повторяем, что так было бы при безоблачном небе. Но на самом деле этого не получается, потому что облачность в значительной мере ослабляет солнечную радиацию. Приведем пример, изображенный на графике (рис. 33). На графике видно, как много солнечной радиации не доходит до поверхности Земли: значительная часть ее задерживается атмосферой и облаками.
Однако нужно сказать, что тепло, поглощенное облаками, частью идет на нагревание атмосферы, а частью косвенным образом достигает и земной поверхности.
Суточный и годовой ход интенсивности сол нечной радиации. Интенсивность прямой солнечной радиации у поверхности Земли зависит от высоты Солнца над горизонтом и от состояния атмосферы (от ее запыленности). Если бы. прозрачность атмосферы в течение суток была постоянная, то максимальная интенсивность солнечной радиации наблюдалась бы в полдень, а минимальная - при восходе и заходе Солнца. В этом случае график хода суточной интенсивности солнечной радиации был бы симметричным относительно полдня.
Содержание пыли, водяного пара и других примесей в атмосфере непрерывно меняется. В связи с этим меняется прозрачность воздуха и нарушается симметричность графика хода интенсивности солнечной радиации. Нередко, особенно в летний период, в полуденное время, когда происходит усиленное нагревание земной поверхности, возникают мощные восходящие токи воздуха, увеличивается количество водяного пара и пыли в атмосфере. Это приводит к значительному ослаблению солнечной радиации в полдень; максимум интенсивности радиации в этом случае наблюдается в дополуденные или послеполуденные часы. Годовой ход интенсивности солнечной радиации также связан с изменениями высоты Солнца над горизонтом в течение года и с состоянием прозрачности атмосферы в различные сезоны. В странах северного полушария наибольшая высота Солнца над горизонтом бывает в июне месяце. Но в это же время наблюдается и наибольшая запыленность атмосферы. Поэтому максимальная интенсивность обычно приходится не на середину лета, а на весенние месяцы, когда Солнце довольно высоко* поднимается над горизонтом, а атмосфера после зимы остается еще сравнительно чистой. Для иллюстрации годового хода интенсивности солнечной радиации в северном полушарии приводим данные среднемесячных полуденных величин интенсивности радиации в Павловске.
Сумма тепла солнечной радиации. Поверхность Земли в течение дня непрерывно получает тепло от прямой и рассеянной солнечной радиации или только от рассеянной радиации (при пасмурной погоде). Определяют суточную величину тепла на основании актинометрических наблюдений: по учету количества прямой и рассеянной радиации, поступившей на земную поверхность. Определив сумму тепла за каждые сутки, вычисляют и количество тепла, получаемого земной поверхностью за месяц или за год.
Суточное количество тепла, получаемого земной поверхностью от солнечной радиации, зависит от интенсивности радиации и от продолжительности ее действия в течение суток. В связи с этим минимум притока тепла приходится на зиму, а максимум на лето. В географическом распределении суммарной радиации по земному шару наблюдается ее увеличение с уменьшением широты местности. Это положение подтверждается следующей таблицей.
Роль прямой и рассеянной радиации в годовом количестве тепла, получаемом земной поверхностью на разных широтах земного шара, неодинакова. В высоких широтах в годовой сумме тепла преобладает рассеянная радиация. С уменьшением широты преобладающее значение переходит к прямой солнечной радиации. Так, например, в бухте Тихой рассеянная солнечная радиация дает 70% годовой суммы тепла, а прямая радиация только 30%. В Ташкенте, наоборот, прямая солнечная радиация дает 70%, рассеянная только 30%.
Отражательная способность Земли. Альбедо. Как уже указывалось, поверхность Земли поглощает только часть солнечной энергии, поступающей к ней в виде прямой и рассеянной радиации. Другая часть отражается в атмосферу. Отношение величины солнечной радиации, отраженной данной поверхностью, к величине потока лучистой энергии, падающей на эту поверхность, называется альбедо. Альбедо выражается в процентах и характеризует отражательную способность данного участка поверхности.
Альбедо зависит от характера поверхности (свойства почвы, наличия снега, растительности, воды и т. д.) и от величины угла падения лучей Солнца на поверхность Земли. Так, например, если лучи падают на земную поверхность под углом в 45°, то:
Из приведенных примеров видно, что отражающая способность у различных предметов неодинакова. Она всего больше у снега и меньше всего у воды. Однако взятые нами примеры относятся лишь к тем случаям, когда высота Солнца над горизонтом равна 45°. При уменьшении же этого угла отражающая способность увеличивается. Так, например, пои высоте Солнца в 90° вода отражает только 2%, при 50° - 4%, при 20°-12%, при 5° - 35-70% (в зависимости от состояния водной поверхности).
В среднем при безоблачном небе поверхность земного шара отражает 8% солнечной радиации. Кроме того, 9% отражает атмосфера. Таким образом, земной шар в целом при безоблачном небе отражает 17% падающей на него лучистой энергии Солнца. Если же небо покрыто облаками, то от них отражается 78% радиации. Если взять естественные условия, исходя из того соотношения между безоблачным небом и небом, покрытым облаками, которое наблюдается в действительности, то отражательная способность Земли в целом равна 43%.
Земная и атмосферная радиация. Земля, получая солнечную энергию, нагревается и сама становится источником излучения тепла в мировое пространство. Однако лучи, испускаемые земной поверхностью, резко отличаются от солнечных лучей. Земля излучает лишь длинноволновые (λ 8-14 μ) невидимые инфракрасные (тепловые) лучи. Энергия, излучаемая земной поверхностью, называется земной радиацией. Излучение Земли происходит и. днем и ночью. Интенсивность излучения тем больше, чем выше температура излучающего тела. Земное излучение определяется в тех же единицах, что и солнечное, т. е. в калориях с 1 см 2 поверхности в 1 мин. Наблюдения показали, что величина земного излучения невелика. Обычно она достигает 15-18 сотых калории. Но, действуя непрерывно, она может дать значительный тепловой эффект.
Наиболее сильное земное излучение получается при безоблачном небе и хорошей прозрачности атмосферы. Облачность (особенно низкие облака) значительно уменьшает земное излучение и часто доводит его до нуля. Здесь можно сказать, что атмосфера вместе с облаками является хорошим «одеялом», предохраняющим Землю от чрезмерного остывания. Части атмосферы подобно участкам земной поверхности излучают энергию в соответствии с их температурой. Эта энергия носит название атмосферной радиации. Интенсивность атмосферной радиации зависит от температуры излучающего участка атмосферы, а также от количества водяных паров и углекислого газа, содержащихся в воздухе. Атмосферная радиация относится к труппе длинноволновой. Распространяется она в атмосфере во всех направлениях; некоторое количество ее достигает земной поверхности и поглощается ею, другая часть уходит в межпланетное пространство.
О приходе и расходе энергии Солнца на Земле. Земная поверхность, с одной стороны, получает солнечную энергию в виде прямой и рассеянной радиации, а с другой стороны, теряет часть этой энергии в виде земной радиации. В результате прихода и расхода солнечной’ энергии получается какой-то результат. В одних случаях этот результат может быть положительным, в других отрицательным. Приведем примеры того и другого.
8 января. День безоблачный. На 1 см 2 земной поверхности поступило за сутки 20 кал прямой солнечной радиации и 12 кал рассеянной радиации; всего, таким образом, получено 32 кал. За это же время в силу излучения 1 см? земной поверхности потерял 202 кал. В результате, выражаясь языком бухгалтерии, в балансе имеется потеря 170 кал (отрицательный баланс).
6 июля. Небо почти безоблачно. От прямой солнечной радиации получено 630 кал, от рассеянной радиации 46 кал. Всего, следовательно, земная поверхность получила на 1 см 2 676 кал. Путем земного излучения потеряно 173 кал. В балансе прибыль на 503 кал (баланс положительный).
Из приведенных примеров, помимо всего прочего, совершенно ясно, почему в умеренных широтах зимой холодно, а летом тепло.
Использование солнечной радиации для технических и бытовых целей. Солнечная радиация является неисчерпаемым природным источником энергии. О величине солнечной энергии на Земле можно судить по такому примеру: если, например, использовать тепло солнечной радиации, падающей только на 1/10 часть площади СССР, то можно получить энергию, равную работе 30 тыс. Днепрогэсов.
Люди издавна стремились использовать даровую энергию солнечной радиации для своих нужд. К настоящему времени создано много различных гелиотехнических установок, работающих на использовании солнечной радиации и получивших большое применение в промышленности и для удовлетворения бытовых нужд населения. В южных районах СССР в промышленности и в коммунальном хозяйстве на основе широкого использования солнечной радиации работают солнечные водонагреватели, кипятильники, опреснители соленой воды, гелиосушилки (для сушки фруктов), кухни, бани, теплицы, аппараты для лечебных целей. Широко используется солнечная радиация на курортах для лечения и укрепления здоровья людей.
— Источник—
Половинкин, А.А. Основы общего землеведения/ А.А. Половинкин.- М.: Государственное учебно-педагогическое издательство министерства просвещения РСФСР, 1958.- 482 с.
Post Views: 469