Солнце является источником корпускулярного и электромагнитного излучений. Корпускулярное излучение не проникает в атмосферу ниже 90 км, тогда как электромагнитное достигает земной поверхности. В метеорологии его называют солнечной радиацией или просто радиацией. Она составляет одну двухмиллиардную долю от всей энергии Солнца и проходит путь от Солнца до Земли за 8,3 мин. Солнечная радиация – источник энергии почти всех процессов, совершающихся в атмосфере и на земной поверхности. Она в основном коротковолновая и состоит из невидимой ультрафиолетовой радиации ~9%, видимой световой –47% и невидимой инфракрасной ~44%. Поскольку почти половина солнечной радиации представляет собой видимый свет. Солнце служит источником не только тепла, но и света – тоже необходимого условия для жизни на Земле.

Радиацию, приходящую к Земле непосредственно от солнечного диска, называют прямой солнечной радиацией. Ввиду того что расстояние от Солнца до Земли велико, а Земля мала, радиация падает на любую ее поверхность в виде пучка параллельных лучей.

Солнечная радиация обладает определенной плотностью потока на единицу площади в единицу времени. За единицу измерения интенсивности радиации принято количество энергии (в джоулях или калориях), которые получает 1 см 2 поверхности в минуту при перпендикулярном падении солнечных лучей. На верхней границе атмосферы при среднем расстоянии от Земли до Солнца она составляет 8,3 Дж/см" в мин, или 1,98 кал/см 2 в мин. Эта величина принята в качестве международного стандарта и называется солнечной постоянной (S 0). Ее периодические колебания в течение года незначительны (±3,3%) и обусловлены изменением расстояния от Земли до Солнца. Непериодические колебания вызваны различной излучательной способностью Солнца. Климат на верхней границе атмосферы называют радиационным или солярным. Он рассчитывается теоретически, исходя из угла наклона солнечных лучей на горизонтальную поверхность.

В общих чертах солярный климат находит отражение на земной поверхности. В то же время реальная радиация и температура на Земле существенно отличаются от солярного климата за счет различных земных факторов. Главный из них – ослабление радиации в атмосфере за счет отражения, поглощения и рассеяния, а также в результате отражения радиации от земной поверхности.

На верхнюю границу атмосферы вся радиация приходит в виде прямой радиации. По данным С. П. Хромова и М. А. Петросянца, 21% ее отражается от облаков и воздуха назад в космическое пространство. Остальная радиация поступает в атмосферу, где прямая радиация частично поглощается и рассеивается. Оставшаяся прямая радиация (24%) достигает земной поверхности, однако при этом ослабляется. Закономерности ослабления ее в атмосфере выражаются законом Бугера:

S = S 0 * p m (Дж, или кал/см 2 , в мин),

где S – количество прямой солнечной радиации, достигшей земной поверхности, на единицу площади (см 2), расположенной перпендикулярно солнечным лучам, S 0 – солнечная постоянная, р – коэффициент прозрачности в долях от единицы, показывающий, какая часть радиации достигала земной поверхности, m – длина пути луча в атмосфере.

Реально же солнечные лучи падают на земную поверхность и на любой другой уровень атмосферы под углом менее 90°. Поток прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность называют инсоляцией (S 1). Она вычисляется по формуле S 1 = S * sin h ☼ (Дж, или кал/см 2 , в мин), где h ☼ – высота Солнца. На единицу горизонтальной поверхности, естественно, приходится меньшее количество энергии, чем на единицу площади, расположенной перпендикулярно солнечным лучам (рис. 22).

В атмосфере поглощается около 23% и рассеивается около 32% прямой солнечной радиации, входящей в атмосферу, причем 26% рассеянной радиации приходит затем к земной поверхности, а 6% уходит в Космос.

Солнечная радиация подвергается в атмосфере не только количественным, но и качественным изменениям, поскольку газы воздуха и аэрозоли поглощают и рассеивают солнечные лучи избирательно. Основными поглотителями радиации являются водяной пар, облака и аэрозоли, а также озон, который сильно поглощает ультрафиолетовую радиацию. В рассеянии радиации участвуют молекулы разных газов и аэрозоли. Рассеяние – отклонение световых лучей во все стороны от первоначального направления, так что рассеянная радиация приходит к земной поверхности не от солнечного диска, а от всего небесного свода. Рассеяние зависит от длины волн: по закону Рэлея, чем короче длина волны, тем интенсивнее рассеяние. Поэтому больше всех остальных рассеиваются ультрафиолетовые лучи, а из видимых – фиолетовые и синие. Отсюда голубой цвет воздуха и соответственно неба в ясную погоду. Прямая же радиация оказывается в основном желтой, поэтому солнечный диск видится желтоватым. При восходе и заходе Солнца, когда путь луча в атмосфере длиннее и рассеяние больше, поверхности достигают только красные лучи, отчего Солнце кажется красным. Рассеянная радиация обусловливает свет днем при пасмурной погоде и в тени при ясной погоде, с нею связано явление сумерек и белых ночей. На Луне, где нет атмосферы и соответственно рассеянной радиации, предметы, попадающие в тень, становятся полностью невидимыми.

С высотой, по мере уменьшения плотности воздуха и соответственно количества рассеивающих частиц, цвет неба становится темнее, переходит сначала в густо-синий, потом в сине-фиолетовый, что хорошо видно в горах и отражено на гималайских пейзажах Н. Рериха. В стратосфере цвет воздуха черно-фиолетовый. По свидетельству космонавтов, на высоте 300 км цвет неба черный.

При наличии в атмосфере крупных аэрозолей, капель и кристаллов наблюдается уже не рассеяние, но диффузное отражение, а поскольку диффузно отраженная радиация представляет собой белый свет, то цвет неба становится белесым.

Прямая и рассеянная солнечная радиация имеют определенный суточный и годовой ход, который зависит прежде всего от высоты Солнца над горизонтом, от прозрачности воздуха и облачности.

Рис. 22. Приток солнечной радиации на поверхность АВ, перпендикулярную к лучам, и на горизонтальную поверхность АС (по С. П. Хромову)

Поток прямой радиации в течение дня от восхода Солнца до полудня нарастает и потом убывает до захода Солнца в связи с изменением высоты Солнца и пути луча в атмосфере. Однако, поскольку около полудня уменьшается прозрачность атмосферы за счет увеличения водяного пара в воздухе и пыли и возрастает конвективная облачность, максимальные значения радиации смещены на предполуденные часы. Такая закономерность присуща экваториально-тропическим широтам весь год, умеренным широтам летом. Зимой в умеренных широтах максимум радиации приходится на полдень.

Годовой ход среднемесячных значений прямой радиации зависит от широты. На экваторе годовой ход прямой радиации имеет вид двойной волны: максимумы в периоды весеннего и осеннего равноденствия, минимумы в периоды летнего и зимнего солнцестояния. В умеренных широтах максимальные значения прямой радиации приходятся на весенние (апрель в северном полушарии), а не на летние месяцы, так как воздух в это время прозрачнее из-за меньшего содержания водяного пара и пыли, а также незначительной облачности. Минимум радиации наблюдается в декабре, когда наименьшая высота Солнца, короткий световой день, и это самый пасмурный месяц в году.

Суточный и годовой ход рассеянной радиации определяется изменением высоты Солнца над горизонтом и продолжительностью дня, а также прозрачностью атмосферы. Максимум рассеянной радиации в течение суток наблюдается днем при возрастании радиации в целом, хотя доля ее в утренние и вечерние часы больше, чем прямой, а днем, наоборот, прямая радиация преобладает над рассеянной. Годовой ход рассеянной радиации на экваторе в общем повторяет ход прямой. В остальных широтах она больше летом, чем зимой, из-за увеличения летом общего притока солнечной радиации.

Соотношение между прямой и рассеянной радиацией меняется в зависимости от высоты Солнца, прозрачности атмосферы и облачности.

Пропорции между прямой и рассеянной радиацией на разных широтах неодинаковы. В полярных и субполярных областях рассеянная радиация составляет 70% от всего потока радиации. На ее величину, кроме низкого положения Солнца и облачности, влияет также многократное отражение солнечной радиации от снежной поверхности. Начиная с умеренных широт и почти до экватора, прямая радиация преобладает над рассеянной. Особенно велико ее абсолютное и относительное значение во внутриконтинентальных тропических пустынях (Сахара, Аравия), отличающихся минимальной облачностью и прозрачным сухим воздухом. Вдоль экватора рассеянная радиация вновь доминирует над прямой в связи с большой влажностью воздуха и наличием кучевых облаков, хорошо рассеивающих солнечную радиацию.

С возрастанием высоты места над уровнем моря значительно увеличиваются абсолютная и относительная величины прямой радиации и уменьшается рассеянная, так как становится тоньше слой атмосферы. На высоте 50 – 60 км поток прямой радиации приближается к солнечной постоянной.

Вся солнечная радиация – прямая и рассеянная, приходящая на земную поверхность, называется суммарной радиацией:

Q = S * sin h ☼ + D,

где Q – суммарная радиация, S – прямая, D – рассеянная, h ☼ – высота Солнца над горизонтом. Суммарная радиация составляет около 50% от солнечной радиации, приходящей на верхнюю границу атмосферы.

При безоблачном небе суммарная радиация значительна и имеет суточный ход с максимумом около полудня и годовой ход с максимумом летом. Облачность уменьшает радиацию, поэтому летом приход ее в дополуденные часы в среднем больше, чем в послеполуденные. По той же причине в первую половину года она больше, чем во вторую.

В распределении суммарной радиации на земной поверхности наблюдается ряд закономерностей.

Рис. 23. Годовое количество суммарной солнечной радиации (МДж/(м 2 год))

Главная закономерность заключается в том, что суммарная радиация распределяется зонально, убывая от экваториально-тропических широт к полюсам в соответствии с уменьшением угла падения солнечных лучей (рис. 23). Отклонения от зонального распределения объясняются различной облачностью и прозрачностью атмосферы. Наибольшие годовые величины суммарной радиации 7200– 7500 МДж/м 2 в год (около 200 ккал/см 2 в год) приходятся на тропические широты, где малая облачность и небольшая влажность воздуха. Во внутриконтинентальных тропических пустынях (Сахара, Аравия), где обилие прямой радиации и почти нет облаков, суммарная солнечная радиация достигает даже более 8000 МДж/м 2 в год (до 220 ккал/см 2 в год). Вблизи экватора величины суммарной радиации снижаются до 5600 – 6500 МДж/м в год (140–160 ккал/см 2 в год) из-за значительной облачности, большой влажности и меньшей прозрачности воздуха. В умеренных широтах суммарная радиация составляет 5000 – 3500 МДж/м 2 в год (= 120 – 80 ккал/см 2 в год), в приполярных – 2500 МДж/м в год (=60 ккал/см 2 в год). Причем в Антарктиде она в 1,5 – 2 раза больше, чем в Арктике, прежде всего из-за большей абсолютной высоты материка (более 3 км) и потому малой плотности воздуха, его сухости и прозрачности, а также малооблачной погоды. Зональность суммарной радиации лучше выражена над океанами, чем над континентами.

Вторая важная закономерность суммарной радиации заключается в том, что материки получают ее больше, чем океаны, благодаря меньшей (на 15 – 30%) облачности над континентами. Исключение составляют лишь приэкваториальные широты, поскольку днем над океаном конвективная облачность меньше, чем над сушей.

Третья особенность состоит в том, что в северном, более материковом полушарии суммарная радиация в целом больше, нежели в южном океаническом.

В июне наибольшие месячные суммы солнечной радиации получает северное полушарие, особенно внутриконтинентальные тропические и субтропические области. В умеренных и полярных широтах количество радиации по широтам изменяется незначительно, так как уменьшение угла падения лучей компенсируется продолжительностью солнечного сияния, вплоть до полярного дня за Северным полярным кругом. В южном полушарии с увеличением широты радиация быстро убывает и за Южным полярным кругом равна нулю.

В декабре южное полушарие получает больше радиации, чем северное. В это время наибольшие месячные суммы солнечного тепла приходятся на пустыни Австралии и Калахари; далее в умеренных широтах радиация постепенно уменьшается, но в Антарктиде вновь растет и достигает таких же значений, как в тропиках. В северном полушарии с увеличением широты она быстро убывает и за Северным полярным кругом отсутствует.

В целом наибольшая годовая амплитуда суммарной радиации наблюдается за полярными кругами, особенно в Антарктиде, наименьшая – в экваториальной зоне.

Широтное положение страны определяет количество солнечной радиации, поступающей на поверхность, и ее внутригодовое распределение. Россия расположена между 77 и 41° с.ш.; основная ее площадь находится между 50 и 70° с.ш. Этим обусловлено положение России в основном в умеренном и субарктическом поясах, что предопределяет резкие изменения в количестве солнечной радиации по сезонам года. Большая протяженность территории с севера на юг определяет значительные различия годовой суммарной радиации между ее северными и южными районами. На арктических архипелагах Земли Франца-Иосифа и Северной Земли годовая суммарная радиация составляет около 60 ккал/см2 (2500 мДж/м2) а на крайнем юге - около 120 ккал/см2 (5000 мДж/м2).

Большое значение имеет положение страны по отношению к океанам, так как от него зависит распределение облачности, влияющей на соотношение прямой и рассеянной радиации и через нее на величину суммарной радиации, а также поступление более влажного морского воздуха. Россию, как известно, омывают моря, главным образом, на севере и востоке, что при господствующем в этих широтах западном переносе воздушных масс ограничивает влияние морей в пределах сравнительно неширокой приморской полосы. Однако резкое увеличение облачности на Дальнем Востоке летом уменьшает солнечную радиацию в июле в районе Сихотэ-Алиня до 550 мДж/м2, что равно величине суммарной радиации на севере Кольского полуострова, Ямале и Таймыре.

Поступающая на поверхность Земли солнечная радиация является основной энергетической базой формирования климата. Она определяет основной приток тепла к земной поверхности. Чем дальше от экватора, тем меньше угол падения солнечных лучей, тем меньше интенсивность солнечной радиации. В связи с большой облачностью в западных районах Арктического бассейна, задерживающей прямую солнечную радиацию, наименьшая годовая суммарная радиация характерна для полярных островов этой части Арктики и района Варангер-фьорда на Кольском полуострове (около 2500 мДж/м2). К югу суммарная радиация возрастает, достигая максимума на Таманском полуострове и в районе озера Ханка на Дальнем Востоке (свыше 5000 мДж/м2). Таким образом, годовая суммарная радиация увеличивается от северных границ к южным в два раза.

Суммарная радиация представляет собой приходную часть радиационного баланса: R = Q (1 - a) - J. Расходную часть составляет отраженная радиация (Q · a) и эффективное излучение (J). Отраженная радиация зависит от альбедо подстилающей поверхности, поэтому изменяется от зоны к зоне и по сезонам года. Эффективное излучение возрастает с уменьшением облачности, следовательно, от побережий морей вглубь континента. Кроме этого, эффективное излучение зависит от температуры воздуха и температуры деятельной поверхности. В целом эффективное излучение возрастает с севера на юг.

Радиационный баланс на самых северных островах отрицательный; в материковой части изменяется от 400 мДж/м2 на крайнем севере Таймыра до 2000 мДж/м2 на крайнем юге Дальнего Востока, в низовьях Волги и Восточном Предкавказье. Максимального значения (2100 мДж/м2) радиационный баланс достигает в Западном Предкавказье. Радиационный баланс определяет то количество тепла, которое расходуется на многообразные процессы, протекающие в природе. Следовательно, близ северных материковых окраин России на природные процессы, и прежде всего на климатообразование, расходуется в пять раз меньше тепла, чем у ее южной окраины.

Солнечная радиация - это вся энергия Солнца, поступающая на Землю.

Та часть солнечной радиации, которая достигает поверхности Земли без препятствий, называется прямой радиацией. Максимально возможное количество прямой радиации получает единица площади, расположенная перпендикулярно к солнечным лучам. Если солнечные лучи проходят через облака и водяной пар, то это рассеянная радиация.

Количественной мерой солнечной радиации, поступающей на некоторую поверхность, служит энергетическая освещенность, или плотность потока радиации, т.е. количество лучистой энергии, падающей на единицу площади в единицу времени. Энергетическая освещенность измеряется в Вт/м2.

Количество солнечной радиации зависит от:

1) угла падения солнечных лучей

2) продолжительности светлого времени суток

3) облачности.

В атмосфере поглощается около 23% прямой солнечной радиации. Причем поглощение это избирательное: разные газы поглощают радиацию в разных участках спектра и в разной степени.

На верхнюю границу атмосферы солнечная радиация приходит в виде прямой радиации. Около 30% падающей на Землю прямой солнечной радиации отражается назад в космическое пространство. Остальные 70% поступают в атмосферу.

Самое большое количество солнечной радиации получают пустыни, лежащие вдоль линий тропиков. Солнце там поднимается высоко и погода почти весь год безоблачная.

Над экватором в атмосфере много водяного пара, который формирует плотную облачность. Пар и облачность поглощает большую часть солнечной радиации.

Полярные районы получают меньше всего радиации, там солнечные лучи почти скользят по поверхности Земли.

Подстилающая поверхность отражает радиацию по-разному. Тёмные и неровные поверхности отражают мало радиации, а светлые и гладкие хорошо отражают.

Море в шторм отражает меньше радиации, чем море в штиль.

Альбедо (лат. albus -- белый) - способность поверхности отражать радиацию.

Географическое распределение суммарной радиации

Распределение годовых и месячных количеств суммарной солнечной радиации по земному шару зонально: изолинии потока радиации на картах не совпадают с широтными кругами. Отклонения эти объясняются тем, что на распределение радиации по земному шару оказывают влияние прозрачность атмосферы и облачность.

Годовые количества суммарной радиации особенно велики в малооблачных субтропических пустынях. Зато над приэкваториальными лесными областями с их большой облачностью они снижены. К более высоким широтам обоих полушарий годовые количества суммарной радиации убывают. Но затем они снова растут -- мало в Северном полушарии, но весьма значительно над малооблачной и снежной Антарктидой. Над океанами суммы радиации ниже, чем над сушей.

Радиационный баланс земной поверхности за год положительный повсюду на Земле, кроме ледяных плато Гренландии и Антарктиды. Это означает, что годовой приток поглощенной радиации больше, чем эффективное излучение за то же время. Но это вовсе не значит, что земная поверхность год от года становится все теплее. Избыток поглощенной радиации над излучением уравновешивается передачей тепла от земной поверхности в воздух путем теплопроводности и при фазовых преобразованиях воды (при испарении с земной поверхности и последующей конденсации в атмосфере).

Для земной поверхности не существует радиационного равновесия в получении и отдаче радиации, но существует тепловое равновесие: приток тепла к земной поверхности как радиационными, так и нерадиационными путями равен его отдаче теми же способами.

Как известно, радиационный баланс является разностью между суммарной радиацией и эффективным излучением. Эффективное излучение земной поверхности распределяется по земному шару более равномерно, чем суммарная радиация. Дело в том, что с ростом температуры земной поверхности, т. е. с переходом к более низким широтам, растет собственное излучение земной поверхности; однако одновременно растет и встречное излучение атмосферы вследствие большего влагосодержания воздуха и более высокой его температуры. Поэтому изменения эффективного излучения с широтой не слишком велики.

Географическое распределение суммарной солнечной радиации и радиационного баланса

Годовые суммы прихода солнечной радиации возрастают от полюсов к экватору. Однако общий характер этой закономерности нарушается в зависимости от распределения облачности, влажности и запыленности атмосферы. Так, над пустынями, где преобладает ясная погода, приход солнечной радиации значительно больше, чем на тех же широтах в приморских районах.

Наибольшие годовые суммы прихода солнечной радиации наблюдаются на юге Египта - 9200 МДж/м2. На этой же широте над океаном они составляют 6700-7550 МДж/м2. На территории СССР годовые суммы солнечной радиации колеблются от 2500 МДж/м2 на севере до 6700 МДж/м2 и больше в Средней Азии. В июне месячная сумма суммарной радиации на севере СССР составляет 590-670 МДж/м2, а на юге 750-920 МДж/м2. Довольно большой, приход суммарной радиации на севере, вполне сравнимый с таковым на юге, обусловлен круглосуточным днем.

Радиационный баланс зависит как от прихода солнечной радиации, так и от альбедо и эффективного излучения подстилающей поверхности. Поэтому радиационный баланс при одинаковой географической широте больше над океаном и меньше над материками. В пределах СССР годовые суммы радиационного баланса в среднем составляют 500-800 МДж/м2 на севере и около 2200 МДж/м2 на юге. Месячные суммы радиационного баланса

деятельного слоя в июне у Полярного круга в Сибири и в Среднеазиатских республиках практически близки и составляют около 280-330 МДж/м2 соответственно. На рис. 9 приводится карта годовых сумм радиационного баланса деятельного слоя (по М. И. Будыко). Эти суммы везде положительны, кроме районов с постоянным снежным или ледяным покровом (Гренландия, Антарктида). На карте годовых сумм радиационного баланса заметно скачкообразное изменение радиационного баланса при переходе с океана на континент. Особенно это проявляется на побережьях Африки, граничащих с пустынями. Это объясняется, во-первых, тем, что альбедо поверхности океана значительно меньше, чем альбедо суши (альбедо пустыни в среднем 0,28) и, во-вторых, большим эффективным излучением в тропических пустынях.

Географическое распределение радиационного баланса и его составляющих впервые представлено в Атласе теплового баланса (1963 г.), составленном советскими учеными М. И. Будыко, Т. Г. Берлянд и др. Данные о радиационном балансе используются в строительстве, сельском хозяйстве, медицине и т. д.

Приход солнечной радиации и радиационный баланс являются важнейшими факторами климата. Они обусловливают широтную термическую зональность, т. е. переход от жаркого климата на экваторе к холодному климату полярных широт. Для объяснения закономерностей формирования климата необходимы знания о приходе и поглощении солнечной энергии и ее последующих преобразованиях на земной поверхности и в атмосфере.

Географическое распределение суммарной солнечной радиации на верхней границе атмосферы зависит от широты и времени года, обусловленных шарообразности Земли и наклоном плоскости экватора к плоскости земной орбиты. За год количество суммарной радиации уменьшается от 313 ккал на см квадр. на экваторе до 133 ккал на см квадр. на полюсах. Летом поступления радиации уменьшается от 160 ккал на см квадратный на экваторе до 133 ккал на см квадр. на полюсе за 6 месяцев теплого периода, а зимой - от 160 ккал на квадр. см на экваторе до 0 около 75 ° с.ш.

В годовом ходе радиации на верхней границе атмосферы между тропиками есть два максимума, когда Солнце достигает наибольшей полуденной высоты / на экваторе - равноденствия, в других широтах между равноденствиями и летним солнцестоянием /. Внешне тропиков наблюдается только один максимум в годовом ходе радиации во время летнего солнцестояния, когда высота Солнца наибольшая / 90 ° - широта + 23,5 ° / и зависит от широты места, и один минимум во время зимнего солнцестояния, соответственно, когда высота Солнца наименьшая / 90 ° - широта - 23.5 ° /.

Распределение суммарной радиации у земной поверхности широтно-зональный. Здесь радиация ослаблена тем, что прошла сквозь атмосферу, часть ее поглинулася, рассеялась, отразилась облаками. Облачность уменьшает прямую солнечную радиацию на 20-75%. Изолинии суммарной радиации на картах отклоняются от широтного хода под влиянием прозрачности атмосферы и облачности / рис. 2 /.

Годовое количество суммарной радиации крупнейшая в тропических и субтропических широтах / более 140 ккал на квадр. см в год /, а в пустынях Северной Африки и Аравии составляет 200 ... 220 ккал на квадр. см в год. На экваторе над ба-Сейн Амазонки и Конго и в Индонезии она уменьшается до 100-120 ккал на квадр. см в год. От субтропиков на север и юг радиация снижается до полярного круга, где составляет 60 ... 80, затем к северному полюсу несколько повышается. а над Антарктидой достигает 120 .... 130 ккал на квадр. см в год. На всех широтах, кроме экваториальных, суммарная радиация над океанами ниже, чем над сушей.

Даже идеальная (сухая и чистая) атмосфера поглощает и рассеивает солнечные лучи, уменьшая интенсивность солнечной радиации. Ослабляющее влияние на солнечную радиацию реальной атмосферы, содержащей водяные пары и твердые примеси, значительно больше, чем идеальной.

Атмосфера поглощает всего 15 – 20% пришедшей к Земле солнечной радиации, в основном инфракрасной. Поглотителями служат водяной пар, аэрозоли, озон.

Около 25% солнечной радиации рассеивается атмосферой. Молекулы газов рассеивают коротковолновые лучи (от этого цвет неба голубой). Примеси (пылинки, кристаллики и капельки) рассеивают более длинноволновые лучи (белесоватый оттенок). Благодаря рассеянию и отражению солнечных лучей атмосферой существует дневное освещение в пасмурные дни, видны предметы в тени, возникает явление сумерек.

Фактор мутности – отношение прозрачности реальной атмосферы к прозрачности идеальной, определяется содержанием в атмосфере водяного пара и пыли и всегда больше единицы.

С увеличением географической широты фактор мутности уменьшается: на широтах от 00 до 200 с.ш. он в среднем равен 4,6, на широтах от 400 до 500 с.ш. – 3,5, на широтах от 500 до 600 с.ш. – 2,8 и на широтах от 600 до 800 с.ш. – 2,0. В умеренных широтах фактор мутности зимой меньше, чем летом, утром меньше, чем днем. С высотой он убывает. Чем больше фактор мутности, тем больше ослабление солнечной радиации в атмосфере.

Часть солнечной радиации, проникнувшая через атмосферу к земной поверхности не рассеявшись, представляет собой прямую радиацию. Часть радиации, рассеивающаяся атмосферой, превращается в рассеянную радиацию. Вся солнечная радиация, поступающая на земную поверхность: прямая + рассеянная называется суммарной радиацией.

Соотношение между прямой и рассеянной радиацией меняется в значительных пределах в зависимости от облачности, запыленности атмосферы, а также от высоты Солнца. При облачном небе рассеянная радиация может быть больше прямой. При малой высоте Солнца суммарная радиация почти полностью состоит из рассеянной. При высоте Солнца 500 и при ясном небе рассеянная радиация не превышает 10 – 20%.

Распределение на Земле суммарной радиации позволяют проследить карты средних годовых и месячных ее величин. Наибольшее годовое количество суммарной радиации получает поверхность тропических внутриконтинентальных пустынь (Восточная Сахара и центральная часть Аравии). К экватору суммарная радиация снижается до 120 – 160 ккал/см2 в год вследствие высокой влажности воздуха и большой облачности. В умеренных широтах поверхность получает 80 – 100 ккал/см2 в год, в Арктике – 60 –70 , а в Антарктиде, при частой повторяемости ясных дней и большой прозрачности атмосферы, - 100 – 120 ккал/см2 в год. Распределение суммарной радиации по земной поверхности имеет зональный характер.

4. Альбедо. Суммарная солнечная радиация, попадая на поверхность, частично отражается обратно в атмосферу. Отношение количества радиации, отраженной от поверхности к количеству падающей на эту поверхность, называется альбедо. Альбедо характеризует отражательную способность поверхности и выражается дробью или в процентах. Альбедо земной поверхности зависит от ее свойств и состояния: цвета, влажности и др. Наибольшей отражательной способностью обладает свежевыпавший снег – до 0,90. Альбедо поверхности песчаной пустыни – от 0,09 до 0,34 (в зависимости от цвета и влажности), поверхности глинистой пустыни – 0,30, луга со свежей травой – 0,22, с сухой травой – 0,931, леса лиственного – 0,16 –0,27, леса хвойного – 0,6 – 0,19. Отражательная способность спокойной водной глади при отвесном падении солнечных лучей – 0,02, при низком стоянии Солнца над горизонтом – 0,35.

Чистая атмосфера отражает около 0,10 солнечной радиации. Большое альбедо поверхности полярных льдов, покрытых снегом, - одна из причин низких температур в полярных районах.

Альбедо Земли как планеты очень сложно, так как поверхность ее очень разнообразна. Большое значение имеет облачность. Альбедо облаков – от 0,50 до 0,80. Величину альбедо Земли как планеты принимают равной 0,35.

Излучение. Всякое тело, обладающее температурой выше абсолютного нуля (- 2730С), испускает лучистую энергию. Полная лучеиспускательная способность абсолютно черного тела прямо пропорционально четвертой степени его абсолютной температуры (Т).

Чем выше температура излучающего тела, тем короче длина волн испускаемых им лучей. Раскаленное Солнце посылает в пространство коротковолновую радиацию. Земная поверхность, поглощая коротковолновую солнечную радиацию, нагревается и также становится источником излучения (источником земной радиации). Но так как температура земной поверхности не превышает нескольких десятков градусов, ее излучение длинноволновое, невидимое.

Атмосфера, поглощая часть проходящей через нее солнечной радиации и больше половины земной, сама излучает энергию и в мировое пространство и к земной поверхности. Атмосферное излучение, направленное к земной поверхности, навстречу земному, называется встречным излучением. Встречным оно называется потому, что направлено навстречу собственному излучению земной поверхности. Это излучение, как и земное, длинноволновое, невидимое. Земная поверхность поглощает это встречное излучение почти целиком (на 90 – 99%). Встречное излучение возрастает с увеличением облачности, поскольку облака сами являются источником излучения. С высотой встречное излучение уменьшается вследствие уменьшения содержания водяного пара. Наибольшее встречное излучение у экватора, где атмосфера наиболее нагрета и богата водяным паром.

В атмосфере встречаются два потока длинноволновой радиации – излучение поверхности и излучение атмосферы. Разность между ними, определяющая фактическую потерю тепла земной поверхностью, называется эффективным излучением. Эффективное излучение тем больше, чем выше температура излучающей поверхности. Влажность воздуха уменьшает эффективное излучение, сильно снижают его облака.

Наибольшее значение годовых сумм эффективного излучения наблюдается в тропических пустынях (80 ккал/см2 в год) благодаря высокой температуре поверхности, сухости воздуха и ясности неба. На экваторе при большой влажности воздуха эффективное излучение составляет всего около 30 ккал/см2 в год, причем величина его для суши и для океана мало различается. В умеренных широтах земная поверхность теряет почти половину того количества тепла, которое она получает от поглощения суммарной радиации. В целом для Земли эффективное излучение 46 ккал/см2 в год.

Способность атмосферы пропускать коротковолновое излучение Солнца (прямую и рассеянную радиацию) и задерживать длинноволновое тепловое излучение Земли называют парниковым эффектом. Средняя температура земной поверхности около +150С, а при отсутствии атмосферы она была бы на 21 – 360 ниже.

5. Разность между поглощенной радиацие й и эффективным излучением называют радиационным балансом или остаточной радиацией. В приходную часть баланса входят прямая радиация, рассеянная, т.е. суммарная. В расходную часть – альбедо поверхности и ее эффективное излучение.

Величина радиационного баланса поверхности определяется уравнением: R = Q (1 – a) – Iэф, где Q – суммарная солнечная радиация, поступающая на единицу поверхности, а – альбедо (выраженное дробью), Iэф – эффективное излучение поверхности. Если приход больше расхода, радиационный баланс положительный, если приход меньше расхода – отрицательный.

Радиационный баланс земной поверхности за год положителен для всей Земли, за исключением ледяных плато Гренландии и Антарктиды. Это значит, что годовой приток поглощенной радиации больше, чем эффективное излучение за то же время.

Ночью на всех широтах радиационный баланс поверхности отрицателен, днем до полудня – положителен (кроме высоких широт зимой), после полудня снова отрицателен.

На карте годовых сумм радиационного баланса видно, что распределение их на Океане в целом зонально. В тропических широтах годовые суммы радиационного баланса на Океане – 140 ккал/см2 (Аравийское море), а у границ плавучих льдов не превышают 30 ккал/см2. Около 600 с. и ю. широт годовой радиационный баланс равен 20 – 30 ккал/см2. Отсюда к более высоким широтам он уменьшается и на материке Антарктида он отрицателен –5 - -10 ккал/см2. К низким широтам он возрастает, достигая 100 – 120 ккал/см2 в тропиках и на экваторе. Незначительные отклонения от зонального распределения связаны с разной облачностью. Над водной поверхностью радиационный баланс больше, чем на суше в тех же широтах, т.к. океаны поглощают радиацию больше. Существенно отклоняется от зонального распределения величина радиационного баланса в пустынях, где баланс понижен вследствие большого эффективного излучения в сухом и малооблачном воздухе (в Сахаре – 60 ккал/см2, а рядом в океанах – 120 – 140 ккал/см2). Баланс понижен также, но в меньшей степени, в районах с муссонным климатом, где в теплое время года облачность увеличена и, следовательно, поглощенная радиация (прямая и рассеянная) уменьшена по сравнению с другими районами на той же широте.

В январе радиационный баланс отрицателен в значительной части северного полушария. Нулевая изолиния проходит в районе 400 с.ш. К северу от этой широты баланс становится отрицательным, достигая в Арктике – минус 4 ккал/см2 и ниже. Южнее он возрастает до 10 – 14 ккал/см2 на южном тропике, а южнее убывает до 4 – 5 ккал/см2 в прибрежных районах Антарктиды.

В июле радиационный баланс во всем северном полушарии положителен. На 60 – 650 с.ш. он более 8 ккал/см2. К югу он медленно увеличивается, достигая максимальных значений по обе стороны от северного тропика – 12 – 14 ккал/см2 и выше, а на севере Аравийского моря – 16 ккал/см2. Баланс остается положительным до 400ю.ш. Южнее он переходит к отрицательным значениям и у берегов Антарктиды снижается до минус 1 – минус 2 ккал/см2.

6. Как расходуются излишки тепла (положительный радиационный баланс) и восполняется его недостаток (отрицательный радиационный баланс), как устанавливается тепловое равновесие для поверхности, атмосферы, объясняет тепловой баланс.

Уравнение теплового баланса поверхности

R1 – LE – P – B = 0,

где R1 – радиационный баланс (всегда положительный), LE – затраты тепла на испарение (L – скрытая теплота парообразования, Е – испарение), Р – турбулентный теплообмен между поверхностью и атмосферой, В – теплообмен между поверхностью и нижележащими слоями почвогрунтов или воды.

Так как все члены уравнения могут изменяться, тепловой баланс очень подвижен. Тепловой баланс атмосферы включает ее радиационный баланс R2 (всегда отрицательный), тепло, поступающее от поверхности – Р и тепло, выделяющееся при конденсации влаги – LE (величины всегда положительные). В среднем многолетнем тепловой баланс атмосферы можно выразить уравнением:

R2 + P + LE = 0.

Тепловой баланс поверхности и атмосферы вместе как целого в среднем многолетнем равен нулю.

Если величину солнечной радиации, поступающей за год на Землю, принять за 100%, то 31% - направляется обратно в межпланетное пространство (7% рассеивается и 24% отражается облаками). Атмосфера поглощает 17% пришедшей радиации (3% поглощается озоном, 13% - водяным паром и 1% - облаками). Оставшиеся 52% (прямая + рассеянная радиация) достигают подстилающей поверхности, которая 4% отражает за пределы атмосферы, а 48% поглощает. Из 48%, поглощенных поверхностью, 18% идет на эффективное излучение. Таким образом, радиационный баланс поверхности (остаточная радиация) составит 30% (52% - 4% -18%). На испарение с поверхности расходуется 22%, на турбулентный обмен теплом с атмосферой – 8%. Тепловой баланс поверхности: 30% - 22% - 8% = -30%.

Излучение атмосферы в межпланетное пространство – 65%. Ее радиационный баланс: -65% + 17% + 18% = -30%. Тепловой баланс атмосферы: -30% + 22% + 8% =0. Альбедо Земли как планеты 35%.