Спектр солнечной радиации. Воздействие солнечной радиации на человека

Солнечную радиацию, в состав которой входят длины электромагнитных волн менее 4 мкм1 , в метеорологии принято называть коротковолновой. В солнечном спектре различают ультрафиолетовую (< 400 нм), видимую (= 400…760 нм) и инфракрасную (> 760 нм) части.

Солнечная радиация, поступающая непосредственно от солнечного диска, называется прямой солнечной радиацией S. Обычно она характеризуется интенсивностью, т. е. количеством лучистой энергии в калориях, проходящей в 1 минуту через 1 см2 площади, расположенной перпендикулярно к солнечным лучам.

Интенсивность прямой солнечной радиации, поступающей на верхнюю границу земной атмосферы, называют солнечной постоянной S 0 . Она составляет примерно 2 кал/см2 мин. У земной поверхности прямая солнечная радиация всегда значительно меньше этой величины, так как, проходя через атмосферу, ее солнечная энергия ослабляется вследствие поглощения и рассеяния молекулами воздуха и взвешенными частичками (пылинками, капельками, кристалликами). Ослабление прямой солнечной радиации атмосферой характеризуется или коэффициентом ослабленияа, или коэффициентом прозрачностир.

Для расчета прямой солнечной радиации, приходящейся на перпендикулярную поверхность, обычно применяют формулу Буге:

					Sm S0 pm m ,

где S m – прямая солнечная радиация, кал см-2 мин-1 , при данной массе атмосферы;S 0 солнечная постоянная;р т коэффициент прозрачности при данной массе атмосферы;т масса атмосферы на пути солнечных

	лучей; m			При малых значениях высоты солнца (h		< 100 ) мас-
		sin h

са находится не по формуле, а по таблице Бемпорада . Из формулы (3.1) следует, что

					Или р = е
Прямая солнечная радиация, приходящаяся на горизонтальную по-
верхность S" , вычисляется по формуле
			S = S sin h .,

1 1 мкм = 10-3 нм = 10-6 м. Микрометры еще называют микронами, а нанометры – миллимикронами. 1 нм = 10-9 м.

где h высота солнца над горизонтом.

Радиация, поступающая на земную поверхность от всех точек небесного свода, называется рассеянной D. Сумма прямой и рассеянной солнечной радиации, приходящей на горизонтальную земную поверхность, представляет собой суммарную солнечную радиациюQ :

Q = S" + D.(3.4)

Суммарная радиация, дошедшая до земной поверхности, частично отражаясь от нее, создает отраженную радиацию R, направленную от земной поверхности в атмосферу. Остальная часть cyммарной солнечной радиации поглощается земной поверхностью. Отношение отраженной от земной поверхности радиации к пocтупающей суммарной радиации называется альбедоА.

Величина A R характеризует отражательную способность зем-

ной поверхности. Она выражается в долях единицы или процентах. Разность между суммарной и отраженной радиацией называется поглощенной радиацией, или балансом коротковолновой радиации земной поверхности В к :

Поверхность земли и земная атмосфера, как и все тела, имеющие температуру выше абсолютного нуля, также излучают радиацию, которую условно называют длинноволновой. Ее длины волн - примерно от

4 до 100 мкм.

Собственное излучение земной поверхности, по закону Cтефана - Больцмана, пропорционально четвертой степени ее абсолютной темпе-

ратуры Т:
Ез = Т4 ,

где = 0,814 10-10 кал/см2 мин град4 постоянная Стефана-Больцмана;относительная излучательная способность деятельной поверхности: для большей части естественных поверхностей 0,95.

Излучение атмосферы направлено как к Земле, так и в мировое пространство. Часть длинноволнового атмосферного излучения, направленная вниз и поступающая к земной поверхности, называется встречным излучением атмосферы и обозначается Е а .

Разность между собственным излучением земной поверхности Е з и встречным излучением атмосферыЕ а называется эффективным излуче-

нием земной поверхности Е эф :
Е эф= Е зЕ а.

Величина Е эф , взятая с обратным знаком, составляет баланс длинноволновой радиации на земной поверхностиВ д .

Разность между всей приходящей и всей уходящей радиацией назы-

3.1. Приборы для измерения радиационного баланса

и его составляющих

Для измерения интенсивности лучистой энергии применяются актинометрические приборы различной конструкции. Приборы бывают абсолютные и относительные. По абсолютным приборам показания получают сразу в тепловых единицах, а по относительным - в относительных, поэтому для таких приборов необходимо знать переводные множители для перехода к тепловым единицам.

Абсолютные приборы по устройству и обращению довольно сложны и не имеют массового распространения. Применяются они преимущественно для поверки относительных приборов. В конструкции относительных приборов чаще всего используется термоэлектрический метод, который основан на зависимости силы термотока от разности температур спаев.

Приемником термоэлектрических приборов служат термобатареи из спаев двух металлов (рис. 3.1). Разность температур спаев создается в результате различной поглотительной способности спаев или

ванометром 3. Во втором случае разность температур спаев достигается путем затенения одних (спай3) и облучения других (спай2) солнечной радиацией. Так как разность температур спаев обусловливается приходящей солнечной радиацией, то интенсивность ее будет пропорциональна силе термоэлектрического тока:

где N отклонение стрелки гальванометра;а переводный множитель, кал/см2 мин.

Таким образом, для выражения интенсивности радиации в тепловых единицах необходимо показания гальванометра умножить на переводный множитель.

Переводный множитель для пары термоэлектрический прибор – гальванометр определяют путем сравнения с контрольным прибором или рассчитывают по электрическим характеристикам, содержащимся в сертификатах гальванометра и актинометрического прибора, с точностью до 0,0001 кал/см2 мин по формуле

				(R бR rR доб),

где а переводный множитель; цена деления шкалы гальванометра, мА;k чувствительность термоэлектрического прибора, милливольт на 1 кал/см2 мин;R б сопротивление термобатареи, Ом;R r внутреннее сопротивление гальванометра, Ом;R доб добавочное сопротивление гальванометра, Ом.

Термоэлектрический актинометр АТ-50 служит для измерения прямой солнечной радиации.

Устройство актинометра. Приемником актинометра является диск1 из серебряной фольги (рис. 3.2). Со стороны, обращенной к солнцу, диск зачернен, а с другой стороны к нему подклеены через изоляционную бумажную прокладку внутренние спаи2 термозвездочки из манганина и константана, состоящей из 36 термоэлементов (на схеме показаны только семь термо-элементов). Внешние спаи3 термозвездочки через изоляционную бумажную про-

Рис. 3.2. Схема термозвез-

кладку 5 подклеены к медному диску4. По-

дочки актинометра следний помещается в массивном медном корпусе со скобами, к которым присоединены

выводы термобатареи и мягкие провода 6 (рис. 3.3).

Корпус со скобами закрыт кожухом 7 , закрепленным гайкой8, и соединен винтом10 с мерной трубкой9. Внутри трубки имеется пять диафрагм, расположенных в порядке уменьшения их диаметра от 20 до 10 мм по направлению к корпусу. Диафрагмы удерживаются плоской и пружинящей шайбами, установленными между корпусом и наименьшей диафрагмой. С внутренней стороны диафрагмы зачернены.

На концах трубки расположены кольца 12 и13 для нацеливания актинометра на солнце. На кольце13 есть отверстие, а на кольце12 точка. При правильной установке пучок света, проходящий через отверстие, должен точно попадать в точку кольца12 . Трубка закрывается съемной крышкой11 , которая служит для определения нулевого положения гальванометра и защищает приемник от загрязнения.

Трубка 9 соединяется со стойкой14, укрепленной на плато16 параллактическим штативом17. Для установки оси штатива соответственно широте места служит шкала18 с делениями, риска19 и винт20.

Установка. Вначале ось штатива устанавливают по широте места наблюдений. Для этого, ослабив винт20, поворачивают ось штатива до совпадения деления шкалы18, соответствующего

данной широте, с риской 19 иРис. 3.3.Термоэлектрический закрепляют ось в этом положе-

актинометр АТ-50

нии. Затем актинометр устанавливают на горизонтальной подставке так, чтобы стрелка на плато была ориентирована на север, и, сняв крышку, ориентируют его на солнце путем ослабления винта 23 и вращения рукоятки22; трубку9 поворачивают до тех пор, пока пучок света через отверстие на кольце13 попадает на точку кольца12. После этого провода актинометра при открытой крышке11 присоединяют к клеммам гальванометра (+) и (С), соблюдая полярность. Если стрелка гальванометра отклоняется за нуль, провода меняют местами.

Наблюдения. За 1 минуту до начала наблюдения проверяют установку приемника актинометра на солнце. После этого крышку закрывают и по гальванометру делают отсчет нулевого положенияN 0 . Затем снимают крышку, проверяют точность нацеливания на солнце и 3 раза отсчитывают показания гальванометра с интервалом в 10-15 с (N 1 , N 2 , N 3 ) и температуру по гальванометру. После наблюдений прибор закрывают крышкой футляра.

Обработка наблюдений. Из трех отсчетов по гальванометру находят среднее значениеN c с точностью до 0,1:

N с N 1N 2N 3. 3

Для получения исправленного отсчета N к среднему значениюN вводят шкаловую поправкуN , поправку на температуруN t из поверочного свидетельства гальванометра и вычитают положение места нуляN 0 :

N N Nt N0 .

Для выражения интенсивности солнечной радиации S в кал/см2 мин показания гальванометраN умножают на переводный множительа:

Интенсивность прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность вычисляют по формуле (3.3).

Высоту солнца над горизонтом h и sinh можно определить по уравнению

sin h = sin sin+ cos cos cos,

где широта места наблюдений; склонение солнца для данного дня (приложение 9); часовой угол солнца, отсчитываемый от момента истинного полдня. Определяется он по истинному времени середины наблюдений: t ист = 15(t ист 12ч ).

Термоэлектрический пиранометр П-3х3 применяется для измерения рассеянной и суммарной солнечной радиации.

Устройство пиранометра (рис. 3.4).

Приемной частью пиранометра является термоэлектрическая батарея 1 , состоящая из 87 термоэлементов из манганина и константана. Полоски манганина и константана длиной 10 мм последовательно спаяны между собой и уложены в квадрате 3x3 см так, что спаи располагаются в середине и на поворотах. С внешней стороны поверхность термобатареи покрыта сажей и магнезией. Четные спаи термобатареи окрашены в белый цвет, а нечетные

– в черный. Спаи располагаются так, что

черные и белые участки чередуются в

Рис. 3.4. Термоэлектрический пиранометр П-3х3

шахматном порядке. Через изоляционную бумажную прокладку термобатарея прикреплена к ребрам плитки 2 , привинченной к корпусу3.

Вследствие различного поглощения солнечной радиации создается разность температур черных и белых спаев, поэтому в цепи возникает термоток. Выводы из термобатареи подведены к клеммам 4, к которым присоединяются провода, соединяющие пиранометр с гальванометром.

Сверху корпус закрыт стеклянным полусферическим колпаком 5 для защиты термобатареи от ветра и осадков. Для предохранения термобатареи и стеклянного колпака от возможной конденсации водяного пара на нижней части корпуса имеется стеклянная сушилка6 с химическим поглотителем влаги (металлический натрий, силикагель и др.).

Корпус с термобатареей и стеклянным колпаком составляет головку пиранометра, которая привинчена к стойке 7, зажатой в треноге8 винтом9. Тренога укреплена на основании футляра и имеет два установочных винта10 . При измерении рассеянной или суммарной радиации пиранометр вращением винтов10 устанавливают горизонтально по уровню11 .

Для затенения головки пиранометра от прямых солнечных лучей служит теневой экран, диаметр которого равен диаметру стеклянного колпака. Теневой экран укреплен на трубке 14, которая винтом13 соединена с горизонтальным стержнем12.

При затенении приемника пиранометра теневым экраном измеряется рассеянная, а без затенения - суммарная радиация.

Для определения нулевого положения стрелки гальванометра, а также для защиты стеклянного колпака от повреждения головку пиранометра закрывают металлической крышкой 16.

Установка. Прибор устанавливают на открытой площадке. Перед наблюдением проверяют наличие осушителя в стеклянной сушилке (1/3 сушилки должна быть заполнена осушителем). Затем трубку14 с теневым экраном15 присоединяют к стержню12 с помощью винта13.

К солнцу пиранометр поворачивают всегда одной и той же стороной, отмеченной номером на головке. Для поворота головки пиранометра номером к солнцу винт 9 слегка ослабляют и в таком положении закрепляют.

Горизонтальность термобатареи проверяют на уровне 11 и в случае нарушения ее регулируют установочными винтами10.

Гальванометр для измерения силы термотока устанавливают с северной стороны от пиранометра на таком расстоянии, чтобы наблюдатель при отсчетах не затенял пиранометр не только от прямых солнеч-

ных лучей, но и от участков неба. Правильность подключения пиранометра к гальванометру проверяют при снятой крышке пиранометра и освобожденном арретире гальванометра. При отклонении стрелки за нуль шкалы провода меняют местами.

Наблюдения. Непосредственно перед наблюдением проверяют правильность установки прибора по уровню и относительно солнца. Для отсчета нулевого положения гальванометра головку пиранометра закрывают крышкой16 и записывают показания гальванометраN 0 . После этого крышку пиранометра снимают и делают серию отсчетов с интервалом 10-15 с.

Вначале отсчитывают показания гальванометра при затененном пиранометре для определения рассеянной радиации N 1 , N 2 , N 3 , потом - при незатененном положении (теневой экран опускается ослаблением винта13 ) для определения суммарной радиацииN 4 ,N 5 , N 6 . После наблюдений трубку с теневым экраном отвинчивают и пиранометр закрывают крышкой футляра.

Обработка наблюдений. Из серий отсчетов по гальванометру для каждого вида радиации определяют средние значенияN D иN Q :

			N 1N 2N 3					N 4N 5N 6

Затем получают исправленные значения N D иN Q . С этой целью по средним значениям определяют шкаловые поправкиN D иN Q из поверочного свидетельства гальванометра и вычитают пулевое показание гальванометра:

ND ND N N0 , NQ NQ N N0 .

Для определения интенсивности рассеянной радиации D в кал/см2 мин необходимо показания гальванометраN D умножить на переводный множительа:

D = ND.

Для определения суммарной радиации Q в кал/см2 мин вводится еще поправочный множитель на высоту солнцаF h . Этот поправочный множитель дается в поверочном свидетельстве в форме графика: по оси абсцисс нанесена высота солнца над горизонтом, а по оси ординат - поправочный множитель.

С учетом поправочного множителя на высоту солнца суммарная радиация определяется по формуле

Q = a (NQ ND )Fh + ND .

При наблюдениях по пиранометру может быть вычислена и интенсивность прямой радиации на горизонтальную поверхность как разность суммарной и рассеянной радиации:

Походный термоэлектрический альбедометр АП-3х3 предназна-

чен для измерения в походных условиях суммарной, рассеянной и отраженной радиации. На практике он применяется главным образом для измерения альбедо деятельной поверхности.

Устройство альбедометра. Приемником альбедометра (рис. 3.5) служит головка пиранометра1 , привинченная на втулке2 к трубке3 с карданным подвесом4 и рукояткой5. Поворотом рукоятки на 180° приемник может быть обращен вверх для измерения приходящей коротковолновой радиации и вниз для измерения отраженной коротковолновой радиации. Чтобы трубка была в отвесном положении, внутри нее на стержне скользит специальный груз, который при поворотах прибора всегда передвигается вниз. Для смягчения ударов при повороте прибора на концах трубки подложены резиновые прокладки6.

В разобранном виде прибор крепится на основании металлического футляра.

	Установка. Перед наблюдением с осно-
	вания футляра снимают головку, трубку,
	рукоятку и свинчивают между собой: голов-
	ку привинчивают к трубке, а рукоятку - к
	карданному подвесу. Для исключения ради-
	ации, которую может отражать сам наблю-
	датель, рукоятка насаживается на деревян-
	ный шест длиной около 2 м.	Рис. 3.5. Походный альбедометр
	Альбедометр подсоединяют мягкими
	проводами к гальванометру на клеммы (+) и

(С) при открытом приемнике и освобожденном арретире гальванометра. Если стрелка гальванометра уходит за нуль, провода меняют местами.

Во время наблюдений на постоянном участке приемник альбедометра устанавливают на высоте 1-1,5 м над деятельной поверхностью, а на сельскохозяйственных полях - на расстоянии 0,5 м от верхнего уровня растительного покрова. При измерении суммарной и рассеянной радиации головку альбедометра поворачивают номером к солнцу.

Наблюдения. За 3 мин до начала наблюдений отмечают место нуля. Для этого головку альбедометра закрывают крышкой и отсчитывают показания гальванометраN 0 . Затем открывают крышку и производят три отсчета по гальванометру при положении приемника альбедометра вверх для измерения приходящей суммарной радиации:N 1 , N 2 , N 3 . После третьего отсчета приемник поворачивают вниз и через 1 мин производят три отсчета для измерения отраженной радиации:N 4 , N 5 , N 6 . Потом приемник снова поворачивают вверх и через 1 мин делают еще три отсчета для измерения приходящей суммарной радиации:N 7 , N 8 , N 9 . После окончания серии отсчетов приемник закрывают крышкой.

Обработка наблюдений. Сначала вычисляют средние значения отсчетов по гальванометру для каждого вида радиацииN Q иN Rk :

N Q N 1N 2N 3N 7N 8N 9, 6

N Rk N 4N 5N 6. 3

Затем к средним значениям вводят шкаловую поправку из поверочного свидетельства N Q иN Rk , вычитают место нуляN 0 и определяют исправленные значенияN Q иN Rk :

N QN QN N 0 , N RkN RkN N 0 .

Так как альбедо выражается отношением отраженной радиации к суммарной, то переводный множитель сокращается и альбедо вычисляется как отношение исправленных показаний гальванометра при измерении отраженной и суммарной радиации (в процентах):

Альбедометр является наиболее универсальным прибором. При наличии переводного множителя им можно определить суммарную радиацию, рассеянную, отраженную и рассчитать прямую радиацию на горизонтальную поверхность. При наблюдениях за рассеянной радиацией необходимо применять теневой экран для защиты приемника от прямых солнечных лучей.

Балансомер термоэлектрический М-10 применяется для измере-

ния радиационного баланса подстилающей поверхности, или остаточной радиации, которая представляет собой алгебраическую сумму всех видов радиации, поступающих и теряемых этой поверхностью. Приходная часть радиации состоит из прямой радиации на горизонтальную поверхность S" , рассеянной радиацииD и излучения атмосферыE а . Расходная часть радиационного баланса, или уходящая радиация, представляет собой отраженную коротковолновую радиациюR K и длинноволновое излучение землиЕ 3 .

Действие балансомера основано на преобразовании потоков радиации в термоэлектродвижущую силу при помощи термобатареи.

Возникающая в термобатарее электродвижущая сила пропорциональна разности температур между верхним и нижним приемниками балансомера. Так как температура приемников зависит от приходящей и уходящей радиации, то и электродвижущая сила будет пропорциональна разности потоков радиации, поступающих сверху и снизу на приемники.

Радиационный баланс В при измерении балансомером выражается уравнением

N показания гальванометра;k поправочный множитель, учитывающий влияние скорости ветра (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Поправочный множитель k (пример)

Скорость ветра,

Поправочный

множитель k

Показания балансомера, умноженные на поправочный множитель, соответствующий данной скорости ветра, приводятся к показаниям балансомера при штиле.

Устройство балансомера (рис. 3.6). Приемником балансомера служат две зачерненные тонкие медные пластинки1 и2 , имеющие форму квадрата со стороной 48 мм. С внутренней стороны к ним приклеены через бумажные прокладки спаи3, 4 термобатареи. Спаи образованы витками намотанной на медный брусок5 константановой ленты. Каждый виток ленты наполовину посеребрен. Начало и конец серебряного слоя служат термоспаями. Четные спаи подклеены к верхней, а нечет-

ные к нижней пластинке. Вся термобатарея состоит из десяти брусков, на каждый из которых намотано 32-33 витка. Приемник балансомера помещен в корпус6 , имеющий форму диска диаметром 96 мм и толщиной 4 мм. Корпус соединен с рукояткой7 , через которую пропущены выводы8 от термобатареи. Балансомер с помощью шаровых шарнир-

	ов 9 устанавливается на па-
	нельке 10 . К панельке присое-
	диняется				шарнирах
	стержень 11 с экраном12 , кото-
		защищает		приемник
	прямых солнечных лучей. При
	применении экрана на стержне,
	видимого из центра приемника
	под углом 10°, прямая солнеч-
		радиация исключается
	показаний балансомера,
	повышает точность измерений,
	но в этом случае интенсивность
			солнечной		радиации
	необхо-димо измерять отдельно
Рис. 3.6. Термоэлектрический	актинометром. Чехол 13 защи-
балансомер М-10	щает балансомер от осадков и

Установка. Прибор прикрепляют панелькой к концу деревянной рейки на высоте 1,5 м от земли. Приемник его устанавливают горизонтально всегда одной и той же приемной стороной вверх, отмеченной на приборе цифрой 1. Выводы из термобатарей подключают к гальванометру.

В большинстве случаев балансомер затеняют экраном от прямой солнечной радиации. Поэтому на одной рейке с балансомером устанавливают актинометр для измерения прямой солнечной радиации. Для учета влияния скорости ветра на уровне балансомера и на небольшом расстоянии от него устанавливают анемометр.

Наблюдения. За 3 мин до начала наблюдения определяют место нуля балансомераN 0 . Производится это при разомкнутой цепи. После этого балансомер подключают к гальванометру так, чтобы стрелка гальванометра отклонялась вправо, и производят три отсчета по балансомеруN 1 , N 2 , N 3 и одновременно три отсчета по анемометру1 , 2 , 3 . Если балансомер установлен с теневым экраном, то после первого и второго отсчетов по балансомеру производят два отсчета по актинометру

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).

Солнце - источник света и тепла, в котором нуждается все живое на Земле. Но помимо фотонов света, оно излучает жесткую ионизирующую радиацию, состоящую из ядер и протонов гелия. Почему так происходит?

Причины возникновения солнечного излучения

Солнечная радиация образуется в дневные часы во время хромосферных вспышек - гигантских взрывов, происходящих в атмосфере Солнца. Часть солнечного вещества выбрасывается в космическое пространство, образуя космические лучи, главным образом состоящие из протонов и небольшого количеств ядер гелия. Эти заряженные частицы спустя 15-20 минут после того, как солнечная вспышка становится видимой, достигают поверхности земли.

Воздух отсекает первичное космическое излучение, порождая каскадный ядерный ливень, который затухает с понижением высоты. При этом рождаются новые частицы - пионы, которые распадаются и превращаются в мюоны. Они проникают в нижние слои атмосферы и попадают на землю, зарываясь вглубь до 1500 метров. Именно мюоны отвечают за образование вторичного космического излучения и естественной радиации, воздействующей на человека.

Спектр солнечного излучения

Спектр солнечного излучения включает как коротковолновые, так длинноволновые области:

• гамма-лучи;
• рентгеновское излучение;
• УФ-радиацию;
• видимый свет;
• инфракрасную радиацию.

Свыше 95% излучения Солнца приходится на область «оптического окна» - видимого участка спектра с прилегающими областями ультрафиолетовых и инфракрасных волн. По мере прохождения через слои атмосферы действие солнечных лучей ослабляется - вся ионизирующая радиация, рентгеновские лучи и почти 98% ультрафиолета задерживаются земной атмосферой. Практически без потерь до земли доходит видимый свет и инфракрасное излучение, хотя и они частично поглощаются молекулами газов и частицами пыли, находящимися в воздухе.

В связи с этим, солнечное излучение не приводит к заметному повышению радиоактивного излучения на поверхности Земли. Вклад Солнца вместе с космическими лучами в формирование общей годовой дозы облучения составляет всего 0,3 мЗв/год. Но это усредненное значение, на самом деле уровень падающего на землю излучения различен и зависит от географического положения местности.

Где солнечное ионизирующее облучение сильнее?

Наибольшая мощность космических лучей фиксируется на полюсах, а меньше всего - на экваторе. Связано это с тем, что магнитное поле Земли отклоняет к полюсам заряженные частицы, падающие из космоса. Кроме этого, излучение усиливается с высотой - на высоте 10 километров над уровнем моря его показатель возрастает в 20-25 раз. Активному воздействию более высоких доз солнечной радиации подвергаются жители высокогорий, поскольку атмосфера в горах тоньше и легче простреливается идущими от солнца потоками гамма-квантов и элементарных частиц.

Важно. Серьезного воздействия радиационный уровень до 0,3 мЗв/ч не оказывает, но при дозе 1,2 мкЗ/ч рекомендуется покинуть район, а случае крайней необходимости находится на его территории не более полугода. При превышении показаний вдвое следует ограничить пребывание в этой местности до трех месяцев.

Если над уровнем моря годовая доза космического облучения составляет 0,3 мЗв/год, то при повышении высоты через каждые сто метров этот показатель увеличивается на 0,03 мЗв/год. После проведения небольших расчетов можно сделать вывод, что недельный отпуск в горах на высоте 2000 метров даст облучение 1мЗв/год и обеспечит почти половину общей годовой нормы (2,4 мЗв/год).

Получается, что жители гор получают годовую дозу радиации, в разы превышающую норму, и должны чаще болеть лейкозом и раком, чем люди, живущие на равнинах. На самом деле, это не так. Наоборот, в горных районах фиксируется более низкая смертность от этих заболеваний, а часть населения - долгожители. Это подтверждает тот факт, что длительное нахождение в местах высокой радиационной активности не оказывает негативного влияния на организм человека.

Солнечные вспышки - высокая радиационная опасность

Вспышки на Солнце - большая опасность для человека и всего живого на Земле, поскольку плотность потока солнечного излучения может превышать обычный уровень космического излучения в тысячу раз. Так, выдающийся советский ученый А. Л. Чижевский связал периоды образования солнечных пятен с эпидемиями тифа (1883-1917 г) и холеры (1823-1923 г) в России. На основании сделанных графиков он еще в 1930 году предсказал возникновение обширной пандемии холеры в 1960-1962 годах, которая и началась в Индонезии в 1961 году, затем быстро распространилась на другие страны Азии, Африки и Европы.

Сегодня получено множество данных, свидетельствующих о связи одиннадцатилетних циклов солнечной активности со вспышками заболеваний, а также с массовыми миграциями и сезонами бурного размножения насекомых, млекопитающих и вирусов. Гематологи установили увеличение количество инфарктов и инсультов в периоды максимальной солнечной активности. Такая статистика связана с тем, что в это время у людей повышается свертываемость крови, а так как у больных с заболеваниями сердца компенсаторная деятельность угнетена, возникают сбои в его работе вплоть до некрозов сердечной ткани и кровоизлияний в мозг.

Большие солнечные вспышки происходят не так часто - раз в 4 года. В это время увеличивается количество и размер пятен, в солнечной короне образуются мощные коронарные лучи, состоящие из протонов и небольшого количества альфа-частиц. Самый мощный их поток астрологи зарегистрировали в 1956 году, когда плотность космического излучения на поверхности земли увеличилась в 4 раза. Еще одним последствием подобной солнечной активности стало полярное сияние, зафиксированное в Москве и Подмосковье в 2000 году.

Как себя обезопасить?

Конечно, повышенный радиационный фон в горах - не повод отказываться от поездок в горы. Правда, стоит подумать о мерах безопасности и отправиться в путешествие вместе с портативным радиометром, который поможет контролировать уровень радиации и при необходимости ограничить время пребывания в опасных районах. В местности, где показании счетчика показывают величину ионизирующего облучения в 7 мкЗв/ч, не стоит находиться больше одного месяца.

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.

Солнечная радиация - излучение, свойственное светилу нашей планетной системы. Солнце - главная звезда, вокруг которой обращается Земля, а также соседние планеты. Фактически это огромный раскаленный газовый шар, постоянно испускающий в пространство вокруг себя потоки энергии. Именно их и называют радиацией. Смертельная, одновременно именно эта энергия - один из основных факторов, делающих возможной жизнь на нашей планете. Как и все в этом мире, польза и вред солнечной радиации для органической жизни тесно взаимосвязаны.

Общее представление

Чтобы понять, что представляет собой солнечная радиация, необходимо сперва разобраться, что же такое Солнце. Основной источник тепла, обеспечивающий условия для органического существования на нашей планете, во вселенских просторах представляет собой лишь небольшую звездочку на галактических окраинах Млечного Пути. А вот для землян Солнце - это центр мини-вселенной. Ведь именно вокруг этого газового сгустка обращается наша планета. Солнце дает нам тепло и освещение, то есть поставляет формы энергии, без которых наше существование было бы невозможно.

В древности источник солнечной радиации - Солнце - было божеством, объектом, достойным поклонения. Солнечная траектория по небу людям казалась очевидным доказательством божьей воли. Попытки вникнуть в суть явления, объяснить, что представляет собой это светило, предпринимались с давних пор, и особенно значимый вклад в них внес Коперник, сформировав идею гелиоцентризма, разительно отличавшуюся от общепринятого в ту эпоху геоцентризма. Впрочем, доподлинно известно, что и в древности ученые не раз задумывались над тем, что же такое Солнце, почему оно столь важно для любых форм жизни на нашей планете, почему передвижение этого светила именно таково, каким мы его видим.

Прогресс технологий позволил глубже понять, что представляет собой Солнце, какие процессы происходят внутри звезды, на ее поверхности. Ученые познали, что представляет собой солнечная радиация, каким образом газовый объект воздействует на планеты в своей зоне влияния, в частности, на земной климат. Сейчас человечество располагает достаточно объемной базой знаний, чтобы с уверенностью говорить: удалось выяснить, что такое по своей сути радиация, излучаемая Солнцем, как измерить этот энергетической поток и как сформулировать особенности его воздействия на разные формы органической жизни на Земле.

О терминах

Наиболее важный шаг в освоении сути понятия был сделан в прошлом столетии. Именно тогда именитый астроном А. Эддингтон сформулировал предположение: в солнечных глубинах происходит термоядерный синтез, что позволяет выделяться огромному количеству энергии, излучаемому в пространство вокруг звезды. Пытаясь оценить величину солнечной радиации, были предприняты усилия для определения фактических параметров среды на светиле. Так, температура ядра, по расчетам ученых, достигает 15 миллионов градусов. Этого достаточного, чтобы справиться со взаимным отталкивающим влиянием протонов. Столкновение единиц приводит к формированию гелиевых ядер.

Новые сведения привлекли внимание многих видных ученых, включая А. Эйнштейна. В попытках оценить величину солнечной радиации научные деятели выяснили, что гелиевые ядра по своей массе уступают суммарной величине 4 протонов, необходимых для формирования новой структуры. Так была выявлена особенность реакций, получившая название «дефект масс». Но ведь в природе ничто не может пропасть бесследно! В попытке отыскать «сбежавшие» величины ученые сравнили энергетическое излечение и специфику изменения массы. Именно тогда удалось выявить, что разность излучается гамма-квантами.

Излучаемые объекты пробиваются от ядра нашей звезды к ее поверхности сквозь многочисленные газовые атмосферные слои, что приводит к дроблению элементов и формированию на их основе электромагнитного излучения. Среди прочих видов солнечной радиации - свет, воспринимаемый человеческим глазом. Приблизительные оценки позволили предположить, что процесс прохождения гамма-квантов занимает около 10 миллионов лет. Еще восемь минут - и излученная энергия достигает поверхности нашей планеты.

Как и что?

Солнечной радиацией называют суммарный комплекс электромагнитного излучения, которому свойственен довольно обширный диапазон. Сюда входит так называемый солнечный ветер, то есть энергетический поток, сформированный электронами, легкими частицами. На пограничном слое атмосферы нашей планеты постоянно наблюдается одинаковая интенсивности излучения Солнца. Энергия звезды дискретна, ее перенос осуществляется через кванты, при этом корпускулярный нюанс настолько малозначим, что можно рассматривать лучи в качестве электромагнитных волн. А их распространение, как выяснили физики, происходит равномерно и по прямой линии. Таким образом, чтобы описать солнечную радиацию, необходимо определить свойственную ей длину волны. На основании этого параметра принято выделять несколько типов излучения:

• тепло;
• радиоволна;
• белый свет;
• ультрафиолет;
• гамма;
• рентген.

Соотношение инфракрасных, видимых, ультрафиолетовых лучшей оценивается следующим образом: 52%, 43%, 5%.

Для количественной радиационной оценки необходимо рассчитать плотность потока энергии, то есть количество энергии, которое в заданный временной промежуток достигает ограниченного участка поверхности.

Как показали исследования, солнечная радиация преимущественно поглощается планетарной атмосферой. Благодаря этому происходит нагрев до температуры, комфортной для органической жизни, свойственной Земле. Имеющаяся оболочка из озона позволяет пройти лишь одной сотой ультрафиолетового излучения. При этом полностью блокируются волны короткой длины, опасные для живых существ. Атмосферные слои способны рассеять почти треть лучей Солнца, еще 20% поглощаются. Следовательно, поверхности планеты достигает не более половины всей энергии. Именно этот «остаток» в науке назвали прямой солнечной радиацией.

А если поподробнее?

Известно несколько аспектов, от которых зависит, насколько интенсивным будет прямое излучение. Наиболее значимыми считаются угол падения, зависящий от широты (географическая характеристика местности на земном шаре), время года, определяющее, как велико расстояние до конкретной точки от источника излучения. Многое зависит от особенностей атмосферы - насколько она загрязнена, как много в заданный момент облаков. Наконец, играет роль характер поверхности, на которую падает луч, а именно, ее способности отражать поступившие волны.

Суммарной солнечной радиацией называют величину, объединяющую рассеянные объемы и прямое излучение. Параметр, используемый для оценки интенсивности, оценивается в калориях в расчете на единицу территории. При этом помнят, что в разное время суток значения, свойственные излучению, отличаются. Кроме того, энергия не может распределяться по поверхности планеты равномерно. Чем ближе к полюсу, тем интенсивность выше, при этом снежные покровы обладают высокой отражающей способностью, а значит, воздух не получает возможности прогреться. Следовательно, чем дальше от экватора, тем суммарные показатели солнечного волнового излучения будут меньше.

Как удалось выявить ученым, энергия солнечной радиации оказывает серьезное воздействие на планетарный климат, подчиняет себе жизнедеятельность разнообразных организмов, существующих на Земле. В нашей стране, а также на территории ближайших соседей, как и в прочих странах, расположенных в северном полушарии, зимой преимущественная доля принадлежит рассеянному излучению, а вот летом доминирует прямое.

Инфракрасные волны

Из общего количества суммарной солнечной радиации внушительный процент принадлежит именно инфракрасному спектру, не воспринимаемому глазом человека. За счет таких волн нагревается поверхность планеты, постепенно передающая тепловую энергию воздушным массам. Это помогает сохранять комфортный климат, поддерживать условия для существования органической жизни. Если не происходит каких-то серьезных сбоев, климат остается условно неизменным, а значит, все существа могут обитать в привычных им условиях.

Наше светило - не единственный источник волн инфракрасного спектра. Аналогичное излучение свойственно любому нагретому объекту, включая обычную батарею в человеческом доме. Именно на принципе восприятия инфракрасного излучения работают многочисленные приборы, дающие возможность видеть в темноте, иных некомфортных для глаз условиях нагретые тела. Кстати говоря, по аналогичному принципу работают ставшие столь популярными в последнее время компактные приборы для оценки, через какие участки здания происходят наибольшие теплопотери. Эти механизмы особенно широко распространены в среде строителей, а также владельцев частных домов, поскольку помогают выявить, через какие участки тепло теряется, организовать их защиту и предупредить лишний расход энергии.

Не стоит недооценивать влияние солнечной радиации инфракрасного спектра на человеческий организм только по причине того, что наши глаза не могут воспринимать такие волны. В частности, излучение активно используется в медицине, поскольку позволяет повысить концентрацию лейкоцитов в кровеносной системе, а также привести в норму кровоток за счет увеличения просветов кровеносных сосудов. Приборы, основанные на ИК-спектре, применяются в качестве профилактических против кожных патологий, терапевтических при воспалительных процессах в острой и хронической форме. Наиболее современные препараты помогают справиться с коллоидными рубцами и трофическими ранами.

Это любопытно

На основе изучения факторов солнечной радиации удалось создать поистине уникальные приборы, называемые термографами. Они дают возможность своевременно обнаружить различные болезни, не доступные для выявления иными способами. Именно так можно найти рак или тромб. ИК в некоторой степени защищает от ультрафиолета, опасного для органической жизни, что позволило использовать волны такого спектра для восстановления здоровья продолжительное время находившихся в космосе астронавтов.

Природа вокруг нас и по сей день загадочна, касается это и излучения различных длин волн. В частности, инфракрасный свет все еще исследован не досконально. Ученые знают, что его неправильное применение может стать причиной вреда здоровью. Так, недопустимо использовать оборудование, формирующее такой свет, для терапии гнойных воспаленных участков, кровотечений и злокачественных новообразований. Инфракрасный спектр противопоказан людям, страдающим нарушениями функционирования сердца, сосудов, включая расположенные в мозге.

Видимый свет

Один из элементов суммарной солнечной радиации - видимый человеческому глазу свет. Волновые пучки распространяются по прямым линиям, поэтому не происходит наложения друг на друга. В свое время это стало темой немалого количества научных работ: ученые задались целью понять, по какой причине вокруг нас так много оттенков. Оказалось, что свою роль играют ключевые параметры света:

• преломление;
• отражение;
• поглощение.

Как выяснили ученые, объекты не способны сами по себе быть источниками видимого света, но могут поглощать излучение и отражать его. Варьируются углы отражения, частота волн. На протяжении многих веков способность человека видеть постепенно совершенствовалась, но определенные ограничения обусловлены биологическим строением глаза: сетчатка такова, что может воспринять лишь определенные лучи отраженных световых волн. Это излучение - небольшой промежуток между ультрафиолетом и инфракрасными волнами.

Многочисленные любопытные и загадочные световые особенности не только стали темой множества работ, но и были основанием для зарождения новой физической дисциплины. Одновременно появились ненаучные практики, теории, приверженцы которых считают, что цвет способен повлиять на физическое состояние человека, психику. На основании таких предположений люди окружают себя предметами, наиболее приятными для их глаза, делая бытовую повседневность комфортнее.

Ультрафиолет

Не менее важный аспект суммарной солнечной радиации - ультрафиолетовое изучение, сформированное волнами большой, средней и малой длины. Они отличны друг от друга как по физическим параметрам, так и по особенностям влияния на формы органической жизни. Длинные ультрафиолетовые волны, к примеру, в атмосферных слоях в основном рассеиваются, а до земной поверхности добирается лишь незначительный процент. Чем короче длина волны, тем глубже такое излучение может проникнуть в человеческую (и не только) кожу.

С одной стороны, ультрафиолет опасен, но без него невозможно существование многообразной органической жизни. Такое излучение отвечает за формирование кальциферола в организме, а этот элемент необходим для строительства костной ткани. УФ-спектр - это мощная профилактика рахита, остеохондроза, что особенно важно в детском возрасте. Кроме того, такое излучение:

• приводит в норму метаболизм;
• активизирует производство незаменимых ферментов;
• усиливает регенеративные процессы;
• стимулирует кровоток;
• расширяет кровеносные сосуды;
• стимулирует иммунную систему;
• приводит к формированию эндорфина, а значит, уменьшается нервное перевозбуждение.

Обратная сторона медали

Выше было указано, что суммарной солнечной радиацией называют количество излучения, достигшего поверхности планеты и рассеянного в атмосфере. Соответственно, элементом этого объема является ультрафиолет всех длин. Нужно помнить, что этот фактор имеет как положительные, так и отрицательные стороны влияния на органическую жизнь. Солнечные ванны, зачастую полезные, могут быть источником опасности для здоровья. Слишком продолжительное нахождение под прямым солнечным светом, особенно в условиях повышенной активности светила, вредно и опасно. Продолжительное влияние на организм, а также слишком высокая активность облучения становятся причиной:

• ожогов, покраснений;
• отеков;
• гиперемии;
• жара;
• тошноты;
• рвоты.

Продолжительное ультрафиолетовое облучение провоцирует нарушение аппетита, функционирования ЦНС, иммунной системы. Кроме того, начинает болеть голова. Описанные признаки - классические проявления солнечного удара. Сам человек не всегда может осознать, что происходит - состояние ухудшается постепенно. Если заметно, что кому-то поблизости стало плохо, следует оказать первую помощь. Схема следующая:

• помочь перейти из-под прямого света в прохладное затененное место;
• положить больного на спину так, чтобы ноги были выше головы (это поможет привести в норму кровоток);
• охладить водой шею, лицо, а на лоб положить холодный компресс;
• расстегнуть галстук, ремень, снять тесную одежду;
• через полчаса после приступа дать выпить прохладной воды (небольшое количество).

Если пострадавший потерял сознание, важно сразу обратиться за помощью к доктору. Бригада скорой помощи переместит человека в безопасное место и сделает инъекцию глюкозы или витамина С. Лекарство вводят в вену.

Как загорать правильно?

Чтобы не узнать на своем опыте, каким неприятным может быть излишнее количество солнечной радиации, получаемое при загаре, важно соблюдать правила безопасного времяпрепровождения на солнце. Ультрафиолет инициирует выработку меланина - гормона, помогающего кожным покровам защититься от негативного влияния волн. Под воздействием этого вещества кожа становится темнее, а оттенок переходит в бронзовый. И по сей день не стихают споры о том, насколько это полезно и вредно для человека.

С одной стороны, загар - попытка организма защититься от излишнего воздействия излучения. При этом повышается вероятность формирования злокачественных новообразований. С другой стороны, загар считается модным и красивым. Чтобы минимизировать для себя риски, разумно перед началом пляжных процедур разобрать, чем опасно количество солнечной радиации, получаемое во время солнечных ванн, как минимизировать риски для себя. Чтобы впечатления были максимально приятными, любители загорать должны:

• пить много воды;
• пользоваться защищающими кожу средствами;
• загорать вечером или утром;
• проводить под прямыми лучами солнышка не больше часа;
• не употреблять спиртное;
• включить в меню богатые селеном, токоферолом, тирозином продукты. Не стоит забывать и о бета-каротине.

Значение солнечной радиации для человеческого организма исключительно велико, не стоит упускать из внимания и положительные, и отрицательные аспекты. Следует осознавать, что у разных людей биохимические реакции происходят с индивидуальными особенностями, поэтому для кого-то и получасовые солнечные ванны могут быть опасны. Разумно перед пляжным сезоном проконсультироваться с доктором, оценить тип, состояние кожных покровов. Это поможет предупредить вред здоровью.

По возможности следует избегать загара в преклонном возрасте, в период вынашивания малыша. Не сочетаются с солнечными ваннами раковые заболевания, нарушения психики, кожные патологии и недостаточность функционирования сердца.

Суммарная радиация: где недостача?

Довольно интересным для рассмотрения является процесс распределения солнечной радиации. Как выше было упомянуто, лишь около половины всех волн могут достигнуть поверхности планеты. Куда же пропадают остальные? Свою роль играют разные слои атмосферы и микроскопические частицы, из которых они сформированы. Внушительная часть, как было указано, поглощается озоновым слоем - это все волны, длина которых менее 0,36 мкм. Дополнительно озон способен поглотить некоторые типы волн из видимого человеческому глазу спектра, то есть промежутка 0,44-1,18 мкм.

Ультрафиолет в некоторой степени поглощается кислородным слоем. Это свойственно излучению с длиной волны 0,13-0,24 мкм. Углекислый газ, пар воды могут поглотить небольшой процент инфракрасного спектра. Аэрозоль атмосферы поглощает некоторую часть (ИК-спектр) от общего количества солнечной радиации.

Волны из категории коротких рассеиваются в атмосфере из-за наличия здесь микроскопических неоднородных частиц, аэрозоля, облаков. Неоднородные элементы, частицы, чьи габариты уступают длине волны, провоцируют молекулярное рассеивание, а для более крупных свойственно явление, описываемое индикатрисой, то есть аэрозольное.

Прочее количество солнечной радиации достигает земной поверхности. Оно сочетает прямое излучение, рассеянное.

Суммарная радиация: важные аспекты

Суммарная величина - это количество солнечной радиации, получаемое территорией, а также поглощенное в атмосфере. Если на небе нет облаков, суммарная величина излучения зависит от широты местности, высоты положения небесного тела, типа поверхности земли на этом участке, а также уровня прозрачности воздуха. Чем больше в атмосфере рассеяно аэрозольных частиц, тем ниже прямое излучение, зато возрастает доля рассеянного. В норме при отсутствии облачности в суммарной радиации рассеянная - это одна четвертая часть.

Наша страна принадлежит к числу северных, поэтому большую часть года в южных регионах излучение существенно больше, чем в северных. Это обусловлено положением светила на небе. А вот короткий временной промежуток май-июль - это уникальный период, когда даже на севере суммарная радиация довольно внушительная, поскольку солнце находится высоко в небе, а продолжительность светового дня больше, чем в прочие месяцы года. При этом в среднем на азиатской половине страны при отсутствии облачности суммарная радиация существеннее, нежели на западе. Максимальная сила волнового излучения наблюдается в полдень, а годовой максимум приходится на июнь, когда солнце выше всего в небе.

Суммарной солнечной радиацией называют количество солнечной энергии, достигающей нашей планеты. При этом нужно помнить, что разные атмосферные факторы приводят к тому, что годовой приход суммарной радиации меньше, нежели мог бы быть. Самая большая разница между реально наблюдаемым и максимально возможным характерна для дальневосточных регионов в летний период. Муссоны провоцируют исключительно плотную облачность, поэтому суммарная радиация уменьшается приблизительно вполовину.

Любопытно знать

Наибольший процент от максимально возможного облучения солнечной энергией в реальности наблюдается (в расчете на 12 месяцев) на юге страны. Показатель достигает 80%.

Облачность не всегда приводит к одинаковому показателю рассеивания солнечного излучения. Играет роль форма облаков, особенности солнечного диска в конкретный момент времени. Если таковой открыт, тогда облачность становится причиной уменьшения прямого излучения, одновременно рассеянное резко возрастает.

Возможны и такие дни, когда прямое излучение по своей силе приблизительно такое же, как рассеянное. Суточная суммарная величина может быть даже больше, нежели излучение, свойственное совсем безоблачному дню.

В расчете на 12 месяцев особенное внимание необходимо уделять астрономическим явлениям как определяющим общие численные показатели. При этом облачность приводит к тому, что реально радиационный максимум может наблюдаться не в июне, а месяцем раньше или позже.

Радиация в космосе

С границы магнитосферы нашей планеты и дальше в космические пространства солнечная радиация становится фактором, сопряженным со смертельной опасностью для человека. Еще в 1964 был выпущен важный научно-популярный труд, посвященный методам защиты. Его авторами выступили советские ученые Каманин, Бубнов. Известно, что для человека доза облучения в расчете на неделю должна быть не более 0,3 рентгена, при этом за год - в пределах 15 Р. При кратковременном облучении пределом для человека обозначено 600 Р. Полеты в космос, особенно в условиях непредсказуемой солнечной активности, могут сопровождаться значительным облучением астронавтов, что обязывает принимать дополнительные меры защиты от волн разной длины.

После миссий "Аполлон", в ходе которых тестировались способы защиты, исследовались факторы, влияющие на человеческое здоровье, прошло не одно десятилетие, но и по сей день ученые не могут найти результативные, надежные методы прогнозирования геомагнитных бурь. Можно составить прогноз в расчете на часы, иногда - на несколько дней, но даже для недельного предположения шансы реализации - не более 5%. Солнечный ветер - еще более непредсказуемое явление. С вероятностью один к трем космонавты, отправляясь в новую миссию, могут попасть в мощные потоки излучений. Это делает еще более важным вопрос как исследования и прогнозирования радиационных особенностей, так и разработки методов защиты от него.