Солнечная радиация и ее происхождение. Суммарная радиация

1.Понятие солнечной радиации. Основные законы излучения.
2. Виды радиации. Спектральный состав солнечной радиации.
3. Солнечная постоянная и ее изменения.
4. Прямая и рассеянная солнечная радиация.
5. Закон ослабления радиации в атмосфере.
6 Суммарная солнечная радиация.
7. Отраженная и поглощенная радиация. Альбедо.
8. Радиационный баланс.

Литвинович А. В.

Метеорология и климатология

Лекция 5

Литвинович А. В.

Метеорология и климатология

Лекция 5

Литвинович А. В.

Метеорология и климатология

Лекция 5

Литвинович А. В.

Метеорология и климатология

Лекция 5

Литвинович А. В.

Метеорология и климатология

Лекция 5

Излучаемая телом энергия в соответствии с законом Стефана-Больцмана увеличивается пропорционально 4 степени его абсолютной температуры. То есть, количество солнечной радиации, поступающей в земную атмосферу от Солнца, зависит от температуры его поверхности, и чем она выше, тем больше величина радиации. Изменения температуры поверхности Солнца носят периодический характер, которые принято называть солнечной активностью. Она представляет собой совокупность физических изменений, происходящих на Солнце. Эти изменения выражаются в регулярном возникновении вспышек, протуберанцов, факелов и флоккул, солнечных пятен и других изменений атмосферы Солнца и солнечной короны3. В зависимости от этих явлений меняются ультрафиолетовое, рентгеновское и корпускулярное излучения Солнца. Они, в свою очередь, влияют на состояние магнитосферы и ионосферы Земли и вызывают магнитные бури, полярные сияния, диссоциацию молекул атмосферных газов.

Литвинович А. В.

Метеорология и климатология

Лекция 5

Многолетние исследования проф. А.Л. Чижевского показали, что солнечная активность оказывает весьма разностороннее влияние на процессы, протекающие на Земле. В ритме солнечной активности наблюдается появление периодов засух, возникновение ураганов, циклонов, наводнений и других атмосферных явлений; проявление многих процессов в биосфере и человеческом обществе, (вспышки смертности и рождаемости, различных заболеваний) а также социальная активность общества (войны, восстания, революции, походы и др.). Солнечная электромагнитная радиация, имеющая длину волны от 0,17 до 4 мкм, называется коротковолновой. 99% солнечной радиации является коротковолновой. Радиация с длиной волны от 4 до 120 мкм называется длинноволновой. Это электромагнитная радиация, испускаемая земной поверхностью и собственно атмосферой в результате её нагревания.

Литвинович А. В.

Метеорология и климатология

Лекция 5

Солнечный спектр — распределение энергии солнечной радиации по длинам волн. Внеатмосферный спектр солнечной радиации, то есть до вхождения её потока в атмосферу, обусловлен только природой Солнца как источника радиации. Основная часть солнечной радиации приходится на длины волн 0,17–4 мкм, с максимумом 0,475 мкм. В зависимости от длины волны, спектр солнечной радиации подразделяется на:
инфракрасный — длина волны более 0,76 мкм (43% солнечной радиации);
видимый свет — длина волны 0,38–0,76 мкм (50% солнечной радиации);\ультрафиолетовый — длина волны менее 0,38 мкм (7% солнечной радиации). Спектральный состав солнечной радиации при различных высотах Солнца над горизонтом иллюстрирует таблица

Литвинович А. В.

Метеорология и климатология

Лекция 5

Прямая и рассеянная солнечная радиация

Литвинович А. В.

Метеорология и климатология

Лекция 5

Рассеянная (диффузная) радиация — солнечная радиация, претерпевшая рассеяние в атмосфере. Она поступает на земную поверхность со всего небесного свода. По сравнению с другими видами солнечной радиации, она характеризуется смещением максимума в область коротких волн, и, соответственно, уменьшением энергии в длинноволновой части спектра. Кроме того, спектр рассеянной радиации испытывает значительные колебания в зависимости от степени покрытости неба облаками и прозрачности атмосферы. Рассеянная радиация играет существенную роль в энергетическом балансе Земли, являясь в пасмурные периоды (особенно в высоких широтах) единственным источником энергии в приземных слоях и атмосфере. С процессами рассеяния радиации в атмосфере связаны такие явления, как рассеянный свет, сумерки и заря, видимость.

Литвинович А. В.

Метеорология и климатология

Лекция 5

Рассеянный свет представляет собой поток радиации в видимой области спектра. Его существование в атмосфере позволяет ей быть источником освещения: без атмосферы светло было бы лишь там, куда попадали бы солнечные лучи прямо или отражённо. Поэтому днём светло даже в том случае, если Солнце закрыто облаками (то есть, прямая солнечная радиация отсутствует). Рассеянный свет освещает земную поверхность некоторое время перед восходом и заходом Солнца. Это явление, связанное с рассеянным светом, называется сумерками и зарей.

Литвинович А. В.

Метеорология и климатология

Лекция 5

Сумерки — освещение небесного свода и земной поверхности рассеянным светом после того, как солнце уже зашло за горизонт (вечерние сумерки) или перед тем, как оно взойдёт (утренние сумерки).
Сумерки сопровождаются явлением зари. Под сумерками также понимают самый промежуток времени, переходный ото дня к ночи и от ночи ко дню, в котором наблюдаются указанные явления. Астрономические сумерки вечером продолжаются, пока солнце не опустится более чем 18° ниже горизонта. Если ночью солнце не достигает этой отметки, то наблюдаются белые ночи. Продолжительность астрономических сумерек меняется в зависимости от географической широты и времени года (на одной широте). Так, на экваторе от 1 часа 16 минут в январе и июне до 1 часа 10 минут в марте и сентябре; на широте 50° от 1 часа 50 минут в октябре до 2 часов 1 минуты в январе. В момент окончания (вечером) или начала (утром) астрономических сумерек видны звезды 6 величины. Гражданские сумерки — промежуток времени, в котором солнце остается под горизонтом не ниже 6–8°. Их конец вечером совпадает с исчезновением светлой, жёлтой окраски неба у западной части горизонта.

Литвинович А. В.

Метеорология и климатология

Лекция 5

Атмосферная видимость, или дальность видимости — расстояние, на котором днем исчезают последние признаки наблюдаемого объекта (становятся неразличимыми его очертания) и, следовательно, не имеется больше возможности определить место на фоне, а ночью становится неразличимым нефокусированный источник света определённой интенсивности. Таким образом, дальность видимости это расстояние, на котором перестают различаться очертания предметов.

Коэффициент прозрачности — отношение потока радиации, прошедшего через единичный однородный слой мутной среды, к потоку, вышедшему через этот слой. Он характеризует прозрачность атмосферы для солнечной радиации и следует географическому распределению влажности воздуха (возрастает с широтой). На уровне моря многолетние средние его значения меняются от 0,72 до 0,82 с изменением широты от 0 до 75°. Увеличивается он также и с высотой, поскольку сокращается мощность атмосферы.

Литвинович А. В.

Метеорология и климатология

Лекция 5

Литвинович А. В.

Метеорология и климатология

Лекция 5

Поглощённая радиация — часть суммарной солнечной радиации, поглощённая земной поверхностью. Она идет на нагревание поверхности, её поглотившей (почвы или воды). Поглощение солнечной радиации — превращение лучистой энергии, падающей на вещество, в другие виды энергии, особенно в тепловую. В атмосфере поглощаются солнечная радиация, земное излучение и излучение других слоёв самой атмосферы. Поглощение солнечной радиации неодинаково для радиации с разной длиной волны. Основными поглотителями солнечной радиации в атмосфере являются водяной пар, озон, углекислый газ, кислород, а также аэрозольные примеси. Некоторую часть радиации поглощает также поверхность почвы в самом тонком верхнем слое. Водяной пар поглощает радиацию в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой части спектра, но наиболее сильно — в последней

Закон ослабления, выведенный еще в XVIII в. французским физиком Пьером Бугером, записывается для так называемого монохроматического пучка лучей, т. е. пучка лучей определенной длины волны

Литвинович А. В.

Метеорология и климатология

Лекция 5

Озон поглощает радиацию преимущественно в ультрафиолетовой части спектра ( < 0,17). Поглощение солнечной радиации озоном обуславливает обрыв солнечного спектра в ультрафиолетовой области и делает возможной жизнь на Земле.
Углекислый газ поглощает радиацию преимущественно в инфракрасной части спектра ( > 4 мкм).
Кислород поглощает радиацию в видимой и ультрафиолетовой (как и озон) части спектра.
Некоторую часть солнечной радиации поглощают также азот, облака и твёрдые частицы, но величина поглощения ими незначительна. Всего в атмосфере поглощается 15–20% солнечной радиации, но эта величина меняется в зависимости от содержания в воздухе водяного пара, углекислого газа, пыли и от высоты солнца над горизонтом.

Литвинович А. В.

Метеорология и климатология

Лекция 5

Отражённая радиация — часть суммарной радиации, теряемая земной поверхностью в результате отражения. В целом поверхностью земли и облаками отражается 34% от приходящей радиации. Альбедо — безразмерная величина, характеризующая отражательную способность тела или системы тел.

Альбедо элемента отражающей поверхности — отношение (в процентах) интенсивности (плотности потока) радиации, отражённой данным элементом, к интенсивности (плотности потока) радиации, падающей на него. Величина альбедо зависит помимо угла падения солнечных лучей от цвета поверхности и её физического состояния.

Литвинович А. В.

Метеорология и климатология

Лекция 5

Радиационный (лучистый) баланс земной поверхности — разность между поглощённой суммарной радиацией и эффективным излучением земной поверхности:

Радиационный баланс земной поверхности может быть положительным и отрицательным. В суточном ходе переход от положительных величин к отрицательным или обратно наблюдается при высотах солнца 10– 15 градусов.

Литвинович А. В.

Метеорология и климатология

Лекция 5

Радиационный баланс — величина, которая зависит от географической широты местности, влияющей на величину суммарной радиации, характера подстилающей поверхности и увлажнения территории, сказывающихся на альбедо и эффективном излучении. Если принять приток солнечной радиации на границе атмосферы за 100 единиц, то в целом для земной поверхности за длительное время поглощённая радиации составляет примерно +45 единиц (прямая +25 и рассеянная +20), эффективное излучение -15 единиц (собственное излучение - 115, поглощённое встречное излучение +100) и радиационный баланс земной поверхности +30 единиц. Эти 30 единиц возвращаются от земной поверхности нерадиационным путём.

Литвинович А. В.

Метеорология и климатология

Лекция 4