Сумарна сонячна радіація. Сонячна радіація: види
Яскраве світило припікає нас гарячими променями і змушує задуматися про значення радіації в нашому житті, її користь і шкоду. Що ж таке сонячна радіація? Урок шкільної фізики пропонує нам для початку ознайомитися з поняттям електромагнітної радіації в цілому. Цим терміном позначають ще одну форму матерії - відмінну від речовини. Сюди відноситься і видиме світло, і спектр, що не сприймається оком. Тобто рентгенівські промені, гамма-промені, ультрафіолетові та інфрачервоні.
Електромагнітні хвилі
При наявності джерела-випромінювача радіації її електромагнітні хвилі поширюються у всіх напрямках зі швидкістю світла. Ці хвилі, як будь-які інші, мають певні характеристики. До них відносяться частота коливань і довжина хвилі. Властивістю випускати радіацію володіють будь тіла, чия температура відрізняється від абсолютного нуля.
Сонце - основне і найпотужніший джерело радіації поблизу нашої планети. У свою чергу, Земля (її атмосфера і поверхня) і сама випромінює радіацію, але в іншому діапазоні. Спостереження за температурними умовами на планеті протягом тривалих проміжків часу породило гіпотезу про рівновагу кількості тепла, одержуваного від Сонця і отдаваемого в космічний простір.
Радіація сонця: спектральний склад
Абсолютна більшість (близько 99%) сонячної енергії в спектрі лежить в інтервалі довжин хвиль від 0,1 до 4 мкм. Залишився 1% - промені більшої і меншої довжини, включаючи радіохвилі і рентгенівське випромінювання. Близько половини променевої енергії сонця припадає на той спектр, який ми сприймаємо поглядом, приблизно 44% - на інфрачервоне випромінювання, 9% - на ультрафіолетове. Звідки нам відомо, як ділиться сонячна радіація? Розрахунок її розподілу можливий завдяки дослідженням з космічних супутників.
Є речовини, здатні приходити в особливий стан і випромінювати додаткову радіацію іншого хвильового діапазону. Приміром, зустрічається світіння при низьких температурах, не характерних для випускання світла даними речовиною. Даний вид радіації, що отримав назву люмінесцентної, не піддається звичайним принципам теплового випромінювання.
Явище люмінесценції відбувається після поглинання речовиною деякої кількості енергії і переходу в інший стан (т. Зв. Порушену), більш енергетично високе, ніж при власній температурі речовини. Люмінесценція з'являється при зворотному переході - з порушеної в звичний стан. У природі ми можемо спостерігати її у вигляді нічних свічень неба і полярного сяйва.
Наше світило
Енергія сонячних променів - майже єдине джерело тепла для нашої планети. Власна радіація, що йде з її глибин до поверхні, має інтенсивність, меншу приблизно в 5000 разів. При цьому видиме світло - один з найважливіших факторів життя на планеті - лише частина сонячної радіації.
Енергія сонячних променів переходить в тепло меншою частиною - в атмосфері, більшою - на поверхні Землі. Там вона витрачається на нагрівання води та грунту (верхніх шарів), які потім віддають тепло повітрю. Будучи нагрітими, атмосфера і земна поверхня, в свою чергу, випускають інфрачервоні промені в космос, при цьому охолоджуючись.
Сонячна радіація: визначення
Ту радіацію, яка йде до поверхні нашої планети безпосередньо від сонячного диска, прийнято іменувати прямої сонячної радіацією. Сонце поширює її у всіх напрямках. З урахуванням величезної відстані від Землі до Сонця, пряма сонячна радіація в будь-якій точці земної поверхні може бути представлена як пучок паралельних променів, джерело яких - практично в нескінченності. Площа, розташована перпендикулярно променям сонячного світла, отримує, таким чином, її найбільша кількість.
Щільність потоку радіації (або енергетична освітленість) служить мірою її кількості, падаючого на певну поверхню. Це обсяг променевої енергії, що потрапляє в одиницю часу на одиницю площі. Вимірюється дана величина - енергетична освітленість - в Вт / м2. Наша Земля, як усім відомо, обертається навколо Сонця по еліпсоїдної орбіті. Сонце знаходиться в одному з фокусів даного еліпса. Тому щорічно в певний час (на початку січня) Земля займає положення найближче до Сонця і в інший (на початку липня) - найдалі від нього. При цьому величина енергетичної освітленості змінюється в зворотній пропорції щодо квадрата відстані до світила.
Куди дівається дійшла до Землі сонячна радіація? Види її визначаються безліччю факторів. Залежно від географічної широти, вологості, хмарності, частина її розсіюється в атмосфері, частина поглинається, але більшість все ж досягає поверхні планети. При цьому незначна кількість відбивається, а основне - поглинається земною поверхнею, під дією чого та піддається нагріванню. Розсіяна ж сонячна радіація частково також потрапляє на земну поверхню, частково нею поглинається і частково відбивається. Залишок її йде в космічний простір.
Як відбувається розподіл
Однорідна чи сонячна радіація? Види її після всіх "втрат" в атмосфері можуть відрізнятися за своїм спектральним складом. Адже промені з різними довжинами і розсіюються, і поглинаються по-різному. У середньому атмосферою поглинається близько 23% її початкового кількості. Приблизно 26% усього потоку перетворюється в розсіяну радіацію, 2/3 якої потрапляє потім на Землю. По суті, це вже інший вид радіації, відмінний від початкового. Розсіяна радіація надсилається на А земля не диском Сонця, а небесним склепінням. Вона має інший спектральний склад.
Поглинає радіацію головним чином озон - видимий спектр, і ультрафіолетові промені. Випромінювання інфрачервоного діапазону поглинається вуглекислим газом (діоксидом вуглецю), якого, до речі, в атмосфері дуже небагато.
Розсіювання радіації, що послаблює її, відбувається для будь-яких довжин хвиль спектра. У процесі його частинки, потрапляючи під електромагнітний вплив, перерозподіляють енергію падаючої хвилі у всіх напрямках. Тобто частки служать точковими джерелами енергії.
Денне світло
Внаслідок розсіювання світло, що йде від сонця, при проходженні шарів атмосфер змінює колір. Практичне значення розсіювання - у створенні денного світла. Якби Земля була позбавлена атмосфери, освітлення існувало б лише в місцях потрапляння прямих або відбитих поверхнею променів сонця. Тобто атмосфера - джерело освітлення вдень. Завдяки їй світло і в місцях, недоступних прямим променям, і тоді, коли сонце ховається за хмарами. Саме розсіювання надає повітрю колір - ми бачимо небо блакитним.
А від чого залежить сонячна радіація ще? Не слід скидати з рахунків і чинник каламутності. Адже ослаблення радіації відбувається двома шляхами - власне атмосферою і водяною парою, а також різними домішками. Рівень запиленості зростає влітку (як і вміст в атмосфері водяної пари).
Сумарна радіація
Під нею розуміється загальна кількість радіації, падаючої на земну поверхню, - і прямий, і розсіяної. Сумарна сонячна радіація зменшується при похмурій погоді.
З цієї причини влітку сумарна радіація в середньому вище до полудня, ніж після нього. А в першому півріччі - більше, ніж у другому.
Що відбувається з сумарною радіацією на земній поверхні? Потрапляючи туди, вона в більшості своїй поглинається верхнім шаром грунту або води і перетворюється в тепло, частина її при цьому відбивається. Ступінь відображення залежить від характеру земної поверхні. Показник, що виражає процентне відношення відбитої сонячної радіації до загального її кількістю, потрапляє на поверхню, називають альбедо поверхні.
Під поняттям власного випромінювання земної поверхні розуміють длинноволновую радіацію, що випромінюється рослинністю, сніговим покривом, верхніми шарами води і грунту. Радіаційним балансом поверхні іменують різниця між її поглинутим кількістю і випромінюваним.
Ефективне випромінювання
Доведено, що зустрічне випромінювання практично завжди менше, ніж земне. Через це поверхню землі несе теплові втрати. Різниця величин власного випромінювання поверхні і атмосферного отримало назву ефективного випромінювання. Це фактично чиста втрата енергії і як результат - тепла вночі.
Існує воно і в денні години. Але протягом дня частково компенсується або навіть перекривається поглиненої радіацією. Тому поверхню землі тепліше вдень, ніж вночі.
Про географічному розподілі радіації
Сонячна радіація на Землі протягом року розподіляється нерівномірно. Її розподіл несе зональний характер, причому ізолінії (з'єднують точки однакових значень) радіаційного потоку зовсім не ідентичні широтним колам. Така невідповідність викликано різними рівнями хмарності і прозорості атмосфери в різних районах Земної кулі.
Найбільше значення сумарна сонячна радіація протягом року має в субтропічних пустелях з малохмарною атмосферою. Набагато менше воно в лісових областях екваторіального поясу. Причина цього - підвищена хмарність. У напрямку до обох полюсів цей показник зменшується. Але в районі полюсів зростає заново - в північній півкулі менше, в районі сніжної і малохмарною Антарктиди - більше. Над поверхнею океанів в середньому сонячна радіація менше, ніж над материками.
Майже всюди на Землі поверхня має позитивний радіаційний баланс, тобто за одне і те ж час приплив радіації більше ефективного випромінювання. Виняток становлять області Антарктиди і Гренландії з їх крижаними плато.
Чи загрожує нам глобальне потепління?
Але вищесказане не означає щорічного потепління земної поверхні. Надлишок поглиненої радіації компенсується витоком тепла з поверхні в атмосферу, що відбувається при змінах фази води (випаровуванні, конденсації у вигляді хмар).
Таким чином, радіаційного рівноваги як такого на поверхні Землі не існує. Зате має місце теплове рівновагу - надходження і спад тепла урівноважується різними шляхами, в тому числі радіаційним.
Розподіл балансу по карті
В одних і тих же широтах Земної кулі радіаційний баланс більше на поверхні океану, ніж над сушею. Пояснити це можна тим, що шар, який поглинає радіацію, в океанах має велику товщину, в той же час ефективне випромінювання там менше через холод морської поверхні в порівнянні із сушею.
Значні коливання амплітуди розподілу його спостерігаються в пустелях. Баланс там нижче через високий ефективного випромінювання в умовах сухого повітря і малої хмарності. У меншій мірі він знижений в районах мусонного клімату. У теплий сезон хмарність там підвищена, а поглинена сонячна радіація менше, ніж в інших районах тієї ж широти.
Звичайно ж, головний фактор, від якого залежить середньорічне сонячне випромінювання, це широта того чи іншого району. Рекордні "порції" ультрафіолету дістаються країнам, розташованим поблизу екватора. Це Північно-Східна Африка, її східне узбережжя, Аравійський півострів, північ і захід Австралії, частина островів Індонезії, західна частина узбережжя Південної Америки.
У Європі найбільшу дозу як світла, так і радіації приймають на себе Туреччина, південь Іспанії, Сицилія, Сардинія, острови Греції, узбережжя Франції (південна частина), а також частина областей Італії, Кіпр і Кріт.
А як у нас?
Сонячна сумарна радіація в Росії розподілена, на перший погляд, несподівано. На території нашої країни, як не дивно, зовсім не чорноморські курорти тримають пальму першості. Найбільші дози сонячного випромінювання припадають на території, прикордонні з Китаєм, і Північну Землю. В цілому сонячна радіація в Росії особливою інтенсивністю не відрізняється, що цілком пояснюється нашим північним географічним положенням. Мінімальна кількість сонячного світла дістається північно-західному регіону - Санкт-Петербургу разом з прилеглими районами.
Сонячна радіація в Росії поступається показникам України. Там найбільше ультрафіолету дістається Криму і територіям за Дунаєм, на другому місці - Карпати з південними областями України.
Сумарна (до неї належить і пряма, і розсіяна) сонячна радіація, яка потрапляє на горизонтальну поверхню, наводиться по місяцях в спеціально розроблених таблицях для різних територій і вимірюється в МДж / м2. Наприклад, сонячна радіація в Москві має показники від 31-58 в зимові місяці до 568-615 влітку.
Про сонячної інсоляції
Інсоляція, або обсяг корисного випромінювання, що падає на освітлювану сонцем поверхню, значно варіюється в різних географічних точках. Річна інсоляція розраховується на один квадратний метр в мегаватах. Наприклад, у Москві ця величина - 1,01, в Архангельську - 0,85, в Астрахані - 1,38 МВт.
При визначенні її потрібно враховувати такі фактори, як час року (взимку нижче освітленість і довгота дня), характер місцевості (гори можуть загороджувати сонце), характерні для даної місцевості погодні умови - туман, часті дощі і хмарність. Световоспрінімающая площину може бути орієнтована вертикально, горизонтально або під нахилом. Кількість інсоляції, як і розподіл сонячної радіації в Росії, являє собою дані, згруповані в таблицю по містах і областях із зазначенням географічної широти.
