Slnečná energia rovnajúca sa 100 % prichádza na hornú hranicu atmosféry.

Ultrafialové žiarenie, ktoré tvorí 3 % zo 100 % prichádzajúceho slnečného žiarenia, je väčšinou absorbované ozónovou vrstvou vo vyšších vrstvách atmosféry.

Asi 40 % zo zostávajúcich 97 % interaguje s oblakmi – z toho 24 % sa odráža späť do vesmíru, 2 % pohltia mraky a 14 % sa rozptýli, pričom sa na zemský povrch dostane ako rozptýlené žiarenie.

32 % prichádzajúceho žiarenia interaguje s vodnou parou, prachom a oparom v atmosfére – 13 % z toho sa pohltí, 7 % sa odrazí späť do vesmíru a 12 % sa dostane na zemský povrch ako rozptýlené slnečné svetlo (obr. 6).

Ryža. 6. Radiačná bilancia Zeme

Z počiatočných 100 % slnečného žiarenia z povrchu Zeme teda dosahujú 2 % priameho slnečného žiarenia a 26 % rozptýleného svetla.

Z tohto celkového počtu sa 4 % odrazia od zemského povrchu späť do vesmíru a celkový odraz do vesmíru predstavuje 35 % dopadajúceho slnečného žiarenia.

Zo 65 % svetla absorbovaného Zemou 3 % pochádzajú z hornej atmosféry, 15 % zo spodnej atmosféry a 47 % z povrchu Zeme – oceánu a pevniny.

Aby si Zem udržala tepelnú rovnováhu, 47 % všetkej slnečnej energie, ktorá prechádza atmosférou a je absorbovaná pevninou a morom, musí byť odovzdaná pevninou a morom späť do atmosféry.

Viditeľná časť spektra žiarenia vstupujúceho na povrch oceánu a vytvárajúceho osvetlenie pozostáva zo slnečných lúčov, ktoré prešli atmosférou (priame žiarenie) a niektorých lúčov rozptýlených atmosférou vo všetkých smeroch, vrátane lúčov na povrch oceánu. oceán (difúzne žiarenie).

Pomer energie týchto dvoch svetelných tokov dopadajúcich na vodorovnú plošinu závisí od výšky Slnka – čím vyššie je nad horizontom, tým väčší je podiel priameho žiarenia.

Osvetlenie morskej hladiny v prirodzených podmienkach závisí aj od oblačnosti. Vysoké a tenké oblaky vrhajú veľa rozptýleného svetla, vďaka čomu môže byť osvetlenie morskej hladiny v priemerných výškach Slnka ešte väčšie ako pri bezoblačnej oblohe. Husté dažďové mraky dramaticky znižujú osvetlenie.

Svetelné lúče, ktoré vytvárajú osvetlenie morskej hladiny, podliehajú odrazu a lomu na hranici vody a vzduchu (obr. 7) podľa známeho Snellovho fyzikálneho zákona.

Ryža. 7. Odraz a lom lúča svetla na hladine oceánu

Všetky svetelné lúče dopadajúce na hladinu mora sa teda čiastočne odrážajú, lámu a vstupujú do mora.

Pomer medzi lomeným a odrazeným svetelným tokom závisí od výšky Slnka. Vo výške Slnka 0 0 sa celý svetelný tok odráža od hladiny mora. S rastúcou výškou Slnka sa zvyšuje podiel svetelného toku prenikajúceho do vody a pri výške Slnka 90 0 preniká do vody 98 % celkového toku dopadajúceho na povrch.

Pomer svetelného toku odrazeného od hladiny mora k dopadajúcemu svetlu sa nazýva tzv albedo morskej hladiny . Potom albedo morského povrchu pri výške Slnka 90 0 bude 2% a pre 0 0 - 100%. Albedo morskej hladiny je rozdielne pre priame a difúzne svetelné toky. Albedo priameho žiarenia v podstate závisí od výšky Slnka, albedo rozptýleného žiarenia prakticky nezávisí od výšky Slnka.

Žiarivá energia Slnka je prakticky jediným zdrojom tepla pre povrch Zeme a jej atmosféru. Žiarenie prichádzajúce z hviezd a Mesiaca je 30-106 krát menšie ako slnečné žiarenie. Tok tepla z hlbín Zeme na povrch je 5000-krát menší ako teplo prijaté zo Slnka.

Časť slnečného žiarenia tvorí viditeľné svetlo. Slnko je teda pre Zem zdrojom nielen tepla, ale aj svetla dôležitého pre život na našej planéte.

Žiarivá energia Slnka sa mení na teplo čiastočne v samotnej atmosfére, ale hlavne na zemskom povrchu, kde sa využíva na ohrev vrchných vrstiev pôdy a vody a z nich - vzduchu. Rozohriaty zemský povrch a vyhriata atmosféra zase vyžarujú neviditeľné infračervené žiarenie. Vyžarovanie svetového priestoru, zemský povrch a atmosféra sa ochladzujú.

Skúsenosti ukazujú, že priemerné ročné teploty zemského povrchu a atmosféry v ktoromkoľvek bode na Zemi sa z roka na rok líšia len málo. Ak vezmeme do úvahy teplotné podmienky na Zemi počas dlhých viacročných období, potom môžeme prijať hypotézu, že Zem je v tepelnej rovnováhe: prílev tepla zo Slnka je vyvážený jeho stratou do kozmického priestoru. Ale keďže Zem (s atmosférou) prijíma teplo absorbovaním slnečného žiarenia a teplo stráca vlastným žiarením, hypotéza tepelnej rovnováhy zároveň znamená, že Zem je v radiačnej rovnováhe: prílev krátkovlnného žiarenia do je vyvážený návratom dlhovlnného žiarenia do svetového priestoru.

priame slnečné žiarenie

Žiarenie prichádzajúce na zemský povrch priamo z disku Slnka sa nazýva priame slnečné žiarenie. Slnečné žiarenie sa šíri zo Slnka všetkými smermi. Ale vzdialenosť od Zeme k Slnku je taká veľká, že priame žiarenie dopadá na akýkoľvek povrch na Zemi vo forme lúča paralelných lúčov vyžarujúcich akoby z nekonečna. Dokonca aj celá zemeguľa ako celok je v porovnaní so vzdialenosťou od Slnka taká malá, že všetko slnečné žiarenie na ňu dopadajúce možno považovať za zväzok rovnobežných lúčov bez výraznej chyby.

Je ľahké pochopiť, že maximálne možné množstvo žiarenia za daných podmienok prijíma jednotka plochy umiestnená kolmo na slnečné lúče. Na jednotku horizontálnej plochy bude menej žiarivej energie. Základnú rovnicu pre výpočet priameho slnečného žiarenia tvorí uhol dopadu slnečných lúčov, presnejšie výška slnka ( h): S" = S hriech h; kde S"- slnečné žiarenie dopadajúce na vodorovný povrch, S- priame slnečné žiarenie s paralelnými lúčmi.

Tok priameho slnečného žiarenia na vodorovný povrch sa nazýva insolácia.

Zmeny slnečného žiarenia v atmosfére a na zemskom povrchu

Asi 30 % priameho slnečného žiarenia dopadajúceho na Zem sa odráža späť do vesmíru. Zvyšných 70% vstupuje do atmosféry. Pri prechode atmosférou je slnečné žiarenie čiastočne rozptýlené atmosférickými plynmi a aerosólmi a prechádza do špeciálnej formy difúzneho žiarenia. Čiastočne priame slnečné žiarenie je pohlcované atmosférickými plynmi a nečistotami a prechádza do tepla, t.j. ide zohriať atmosféru.

Priame slnečné žiarenie, ktoré nie je rozptýlené a absorbované v atmosfére, dopadá na zemský povrch. Jeho malá časť sa od nej odráža a väčšinu žiarenia pohltí zemský povrch, v dôsledku čoho sa zemský povrch zahrieva. Časť rozptýleného žiarenia sa dostáva aj na zemský povrch, čiastočne sa od neho odráža a čiastočne je ním pohltená. Ďalšia časť rozptýleného žiarenia smeruje hore do medziplanetárneho priestoru.

V dôsledku absorpcie a rozptylu žiarenia v atmosfére sa priame žiarenie, ktoré dosiahlo zemský povrch, líši od toho, ktoré sa dostalo na hranicu atmosféry. Tok slnečného žiarenia klesá a mení sa jeho spektrálne zloženie, pretože lúče rôznych vlnových dĺžok sú absorbované a rozptýlené v atmosfére rôznymi spôsobmi.

V najlepšom prípade, t.j. v najvyššom postavení Slnka a pri dostatočnej čistote vzduchu možno na zemský povrch pozorovať priamy tok žiarenia okolo 1,05 kW/m 2 . V horách vo výškach 4–5 km boli pozorované toky žiarenia do 1,2 kW/m 2 a viac. S približovaním sa Slnka k obzoru a zväčšovaním hrúbky vzduchu, ktorým slnečné lúče prechádzajú, sa tok priameho žiarenia stále viac zmenšuje.

Asi 23 % priameho slnečného žiarenia je absorbovaných v atmosfére. Okrem toho je táto absorpcia selektívna: rôzne plyny absorbujú žiarenie v rôznych častiach spektra a v rôznych stupňoch.

Dusík absorbuje žiarenie len pri veľmi krátkych vlnových dĺžkach v ultrafialovej časti spektra. Energia slnečného žiarenia v tejto časti spektra je úplne zanedbateľná, takže absorpcia dusíkom nemá prakticky žiadny vplyv na tok slnečného žiarenia. V o niečo väčšej miere, ale stále veľmi málo, pohlcuje kyslík slnečné žiarenie – v dvoch úzkych úsekoch viditeľnej časti spektra a v jeho ultrafialovej časti.

Ozón je silnejší absorbér slnečného žiarenia. Pohlcuje ultrafialové a viditeľné slnečné žiarenie. Napriek tomu, že jeho obsah vo vzduchu je veľmi malý, pohlcuje ultrafialové žiarenie vo vyšších vrstvách atmosféry tak silno, že vlny kratšie ako 0,29 mikrónu v slnečnom spektre pri zemskom povrchu vôbec nepozorujeme. Celková absorpcia slnečného žiarenia ozónom dosahuje 3 % priameho slnečného žiarenia.

Oxid uhličitý (oxid uhličitý) silne pohlcuje žiarenie v infračervenej oblasti spektra, ale jeho obsah v atmosfére je stále malý, preto je jeho pohlcovanie priameho slnečného žiarenia vo všeobecnosti malé. Z plynov je hlavným absorbérom žiarenia v atmosfére vodná para, sústredená v troposfére a najmä v jej spodnej časti. Z celkového toku slnečného žiarenia vodná para absorbuje žiarenie v intervaloch vlnových dĺžok vo viditeľnej a blízkej infračervenej oblasti spektra. Slnečné žiarenie pohlcujú aj mraky a atmosférické nečistoty, t.j. aerosólové častice suspendované v atmosfére. Vo všeobecnosti absorpcia vodnou parou a aerosólová absorpcia predstavuje asi 15 % a 5 % absorbujú mraky.

Na každom jednotlivom mieste sa absorpcia v čase mení v závislosti jednak od premenlivého obsahu absorbujúcich látok vo vzduchu, hlavne vodnej pary, oblakov a prachu, jednak od výšky Slnka nad obzorom, t.j. na hrúbke vzduchovej vrstvy, ktorú lúče prechádzajú na cestu k Zemi.

Priame slnečné žiarenie na ceste atmosférou je tlmené nielen absorpciou, ale aj rozptylom a je tlmené výraznejšie. Rozptyl je základným fyzikálnym javom interakcie svetla s hmotou. Môže sa vyskytovať na všetkých vlnových dĺžkach elektromagnetického spektra, v závislosti od pomeru veľkosti rozptylových častíc k vlnovej dĺžke dopadajúceho žiarenia.Pri rozptyle častica, ktorá je v dráhe šírenia elektromagnetickej vlny nepretržite „vyťahuje“. energie z dopadajúcej vlny a opätovne ju vyžaruje do všetkých smerov. Časticu teda možno považovať za bodový zdroj rozptýlenej energie. rozptyl nazývaná premena časti priameho slnečného žiarenia, ktoré sa pred rozptylom šíri vo forme rovnobežných lúčov v určitom smere, na žiarenie idúce všetkými smermi. K rozptylu dochádza v opticky nehomogénnom atmosférickom vzduchu obsahujúcom najmenšie častice kvapalných a pevných nečistôt - kvapky, kryštály, najmenšie aerosóly, t.j. v médiu, kde sa index lomu mení z bodu do bodu. Opticky nehomogénnym médiom je však aj čistý vzduch bez nečistôt, pretože v ňom v dôsledku tepelného pohybu molekúl, kondenzácií a riedenia neustále dochádza ku kolísaniu hustoty. Pri stretnutí s molekulami a nečistotami v atmosfére slnečné lúče strácajú svoj priamočiary smer šírenia a rozptyľujú sa. Žiarenie sa šíri z rozptýlených častíc takým spôsobom, ako keby boli sami žiaričmi.

Podľa zákonov rozptylu, najmä podľa Rayleighovho zákona, sa spektrálne zloženie rozptýleného žiarenia líši od spektrálneho zloženia priamky. Rayleighov zákon hovorí, že rozptyl lúčov je nepriamo úmerný štvrtej mocnine vlnovej dĺžky:

S ? = 32? 3 (m-1) / 3n? 4

kde S? – koef. rozptyl; m je index lomu plynu; n je počet molekúl na jednotku objemu; ? je vlnová dĺžka.

Asi 26 % energie z celkového toku slnečného žiarenia sa v atmosfére premieňa na difúzne žiarenie. Asi 2/3 rozptýleného žiarenia potom prichádzajú na zemský povrch. To už ale bude špeciálny typ žiarenia, výrazne odlišný od priameho žiarenia. Po prvé, rozptýlené žiarenie neprichádza na zemský povrch zo slnečného disku, ale z celej nebeskej klenby. Preto je potrebné merať jeho prietok na vodorovnú plochu. Tiež sa meria vo W/m2 (alebo kW/m2).

Po druhé, rozptýlené žiarenie sa líši od priameho žiarenia v spektrálnom zložení, pretože lúče rôznych vlnových dĺžok sú rozptýlené v rôznych stupňoch. V spektre rozptýleného žiarenia sa mení pomer energie rôznych vlnových dĺžok v porovnaní so spektrom priameho žiarenia v prospech lúčov s kratšou vlnovou dĺžkou. Čím menšia je veľkosť rozptylových častíc, tým silnejšie sú krátkovlnné lúče rozptýlené v porovnaní s dlhovlnnými.

Fenomény rozptylu žiarenia

S rozptylom žiarenia sú spojené javy ako modrá farba oblohy, súmrak a úsvit, ale aj viditeľnosť. Modrá farba oblohy je farbou samotného vzduchu v dôsledku rozptylu slnečných lúčov v ňom. Vzduch je priehľadný v tenkej vrstve, ako voda je priehľadná v tenkej vrstve. Ale v silnej hrúbke atmosféry má vzduch modrú farbu, rovnako ako voda už v relatívne malej hrúbke (niekoľko metrov) má zelenkastú farbu. Ako teda prebieha molekulárny rozptyl svetla inverzne? 4, potom v spektre rozptýleného svetla vysielaného nebeskou klenbou je energetické maximum posunuté do modrej. S výškou, keď hustota vzduchu klesá, t.j. počet rozptylových častíc, farba oblohy stmavne a zmení sa na tmavo modrú a v stratosfére na čiernofialovú. Čím viac nečistôt vo vzduchu väčších rozmerov ako molekúl vzduchu, tým väčší je podiel dlhovlnných lúčov v spektre slnečného žiarenia a tým belasejšia je farba oblohy. Keď je priemer častíc hmly, oblakov a aerosólov väčší ako 1-2 mikróny, lúče všetkých vlnových dĺžok už nie sú rozptýlené, ale rovnako difúzne odrazené; preto vzdialené predmety v hmle a prašnom opare už nezahaľuje modrý, ale biely alebo sivý záves. Preto sa oblaky, na ktoré dopadá slnečné (t.j. biele) svetlo, javia ako biele.

Rozptyl slnečného žiarenia v atmosfére má veľký praktický význam, pretože počas dňa vytvára rozptýlené svetlo. Pri absencii atmosféry na Zemi by to bolo svetlo len tam, kde by dopadalo priame slnečné svetlo alebo slnečné svetlo odrážané zemským povrchom a predmetmi na ňom. V dôsledku rozptýleného svetla slúži ako zdroj osvetlenia celá atmosféra počas dňa: cez deň je to svetlo aj tam, kam slnečné lúče priamo nedopadajú, a dokonca aj vtedy, keď je slnko zakryté mrakmi.

Po večernom západe slnka tma nepríde hneď. Obloha, najmä v tej časti horizontu, kde zapadlo Slnko, zostáva svetlá a na zemský povrch vysiela postupne klesajúce rozptýlené žiarenie. Podobne aj ráno, ešte pred východom Slnka, sa obloha najviac rozjasňuje v smere východu Slnka a vysiela na zem rozptýlené svetlo. Tento jav neúplnej tmy sa nazýva súmrak – večer a ráno. Dôvodom je osvetlenie vysokých vrstiev atmosféry slnkom, ktoré je pod obzorom, a rozptyl slnečného svetla nimi.

Takzvaný astronomický súmrak pokračuje večer, kým Slnko nezapadne 18 stupňov pod obzor; v tomto bode je taká tma, že sú viditeľné najslabšie hviezdy. Astronomický ranný súmrak začína, keď má slnko rovnakú polohu pod obzorom. Prvá časť večerného astronomického súmraku alebo posledná časť rána, keď je slnko pod horizontom aspoň 8°, sa nazýva občiansky súmrak. Trvanie astronomického súmraku sa mení v závislosti od zemepisnej šírky a ročného obdobia. V stredných zemepisných šírkach je to od 1,5 do 2 hodín, v trópoch je to menej, na rovníku o niečo viac ako jedna hodina.

Vo vysokých zemepisných šírkach v lete nemusí slnko klesnúť pod horizont vôbec alebo klesať veľmi plytko. Ak slnko klesne pod horizont o menej ako 18 o, tak úplná tma vôbec nenastane a večerný súmrak sa spája s ránom. Tento jav sa nazýva biele noci.

Súmrak je sprevádzaný krásnymi, niekedy veľmi efektnými zmenami farby nebeskej klenby v smere k Slnku. Tieto zmeny začínajú pred západom slnka a pokračujú po východe slnka. Majú pomerne pravidelný charakter a nazývajú sa úsvitom. Charakteristické farby úsvitu sú fialová a žltá. Ale intenzita a rozmanitosť farebných odtieňov úsvitu sa značne líši v závislosti od obsahu aerosólových nečistôt vo vzduchu. Rôznorodé sú aj tóny svietiacich oblakov za súmraku.

V časti oblohy oproti slnku je protiúsvit aj so zmenou farebných tónov s prevahou fialovej a fialovofialovej. Po západe slnka sa v tejto časti oblohy objaví tieň Zeme: sivastomodrý segment, ktorý rastie stále viac do výšky a do strán. Úsvitové javy sa vysvetľujú rozptylom svetla najmenšími časticami atmosférických aerosólov a difrakciou svetla väčšími časticami.

Vzdialené predmety sa vidia horšie ako blízke, a to nielen preto, že ich zdanlivá veľkosť je zmenšená. Dokonca aj veľmi veľké objekty v tej či onej vzdialenosti od pozorovateľa sú zle rozlíšiteľné v dôsledku zákalu atmosféry, cez ktorú sú viditeľné. Tento zákal je spôsobený rozptylom svetla v atmosfére. Je zrejmé, že sa zvyšuje s nárastom aerosólových nečistôt vo vzduchu.

Pre mnohé praktické účely je veľmi dôležité vedieť, v akej vzdialenosti prestávajú byť rozlíšené obrysy predmetov za vzduchovou clonou. Vzdialenosť, pri ktorej sa v atmosfére prestávajú rozlišovať obrysy objektov, sa nazýva rozsah viditeľnosti alebo jednoducho viditeľnosť. Rozsah viditeľnosti sa najčastejšie určuje okom na určité, vopred vybrané objekty (tmavé proti oblohe), ktorých vzdialenosť je známa. Existuje aj množstvo fotometrických prístrojov na určenie viditeľnosti.

Vo veľmi čistom vzduchu, napríklad arktického pôvodu, môže dosah viditeľnosti dosiahnuť stovky kilometrov, pretože k zoslabovaniu svetla z predmetov v takomto vzduchu dochádza v dôsledku rozptylu hlavne na molekulách vzduchu. Vo vzduchu, ktorý obsahuje veľa prachu alebo kondenzačných produktov, môže byť dosah viditeľnosti znížený na niekoľko kilometrov alebo dokonca metrov. Takže v slabej hmle je dosah viditeľnosti 500–1 000 m a v hustej hmle alebo silných piesočnatých burinách sa môže znížiť na desiatky alebo dokonca niekoľko metrov.

Celkové žiarenie, odrazené slnečné žiarenie, absorbované žiarenie, PAR, albedo Zeme

Všetko slnečné žiarenie prichádzajúce na zemský povrch – priame aj rozptýlené – sa nazýva celkové žiarenie. Teda celková radiácia

Q = S* hriech h + D,

kde S- energetické osvetlenie priamym žiarením,

D- energetické osvetlenie rozptýleným žiarením,

h- výška slnka.

Pri bezoblačnej oblohe má celkové žiarenie denné kolísanie s maximom okolo poludnia a ročné kolísanie s maximom v lete. Čiastočná oblačnosť, ktorá nepokrýva slnečný disk, zvyšuje celkové žiarenie v porovnaní s bezoblačnou oblohou; plná oblačnosť ju naopak znižuje. V priemere oblačnosť znižuje celkovú radiáciu. Preto je v lete príchod celkovej radiácie v predpoludňajších hodinách v priemere väčší ako v popoludňajších hodinách. Z rovnakého dôvodu je v prvom polroku väčší ako v druhom.

S.P. Khromov a A.M. Petrosyants udávajú poludňajšie hodnoty celkového žiarenia v letných mesiacoch pri Moskve pri bezoblačnej oblohe: v priemere 0,78 kW / m 2, so Slnkom a oblakmi - 0,80, so súvislou oblačnosťou - 0,26 kW / m 2.

Celkové žiarenie dopadajúce na zemský povrch sa väčšinou absorbuje v hornej tenkej vrstve pôdy alebo v hrubšej vrstve vody a mení sa na teplo a čiastočne sa odráža. Veľkosť odrazu slnečného žiarenia od zemského povrchu závisí od charakteru tohto povrchu. Pomer množstva odrazeného žiarenia k celkovému množstvu žiarenia dopadajúceho na daný povrch sa nazýva povrchové albedo. Tento pomer je vyjadrený v percentách.

Takže z celkového toku celkového žiarenia ( S hriech h + D) jeho časť sa odráža od zemského povrchu ( S hriech h + D)A kde ALE je povrchové albedo. Zvyšok celkového žiarenia ( S hriech h + D) (1 – ALE) je absorbovaný zemským povrchom a ide ohrievať vrchné vrstvy pôdy a vody. Táto časť sa nazýva absorbované žiarenie.

Albedo povrchu pôdy sa pohybuje v rozmedzí 10–30 %; vo vlhkej černozeme klesá na 5% a v suchom svetlom piesku môže stúpať na 40%. So zvyšujúcou sa vlhkosťou pôdy sa albedo znižuje. Albedo vegetačného krytu – lesy, lúky, polia – je 10–25 %. Albedo povrchu čerstvo napadnutého snehu je 80 – 90 %, zatiaľ čo u dlho stojaceho snehu je to asi 50 % a menej. Albedo hladkej vodnej hladiny pre priame žiarenie sa pohybuje od niekoľkých percent (ak je Slnko vysoko) do 70 % (ak je nízke); záleží aj od vzrušenia. Pre rozptýlené žiarenie je albedo vodných plôch 5–10 %. V priemere je albedo povrchu svetového oceánu 5–20 %. Albedo horného povrchu oblakov sa pohybuje od niekoľkých percent do 70–80 %, v závislosti od typu a hrúbky oblačnosti, v priemere 50–60 % (S.P. Khromov, M.A. Petrosyants, 2004).

Uvedené čísla sa týkajú odrazu slnečného žiarenia nielen viditeľného, ​​ale aj v celom jeho spektre. Fotometrické prostriedky merajú albedo len pre viditeľné žiarenie, ktoré sa, samozrejme, môže trochu líšiť od albeda pre celý tok žiarenia.

Prevažná časť žiarenia odrazeného zemským povrchom a horným povrchom oblakov ide mimo atmosféry do svetového priestoru. Časť (asi jedna tretina) rozptýleného žiarenia smeruje aj do svetového priestoru.

Pomer odrazeného a rozptýleného slnečného žiarenia opúšťajúceho vesmír k celkovému množstvu slnečného žiarenia vstupujúceho do atmosféry sa nazýva planetárne albedo Zeme alebo jednoducho Zemské albedo.

Vo všeobecnosti sa planetárne albedo Zeme odhaduje na 31%. Hlavnou súčasťou planetárneho albeda Zeme je odraz slnečného žiarenia oblakmi.

Časť priameho a odrazeného žiarenia sa podieľa na procese fotosyntézy rastlín, preto je tzv fotosynteticky aktívneho žiarenia (FAR). FAR -časť krátkovlnného žiarenia (od 380 do 710 nm), ktorá je vo vzťahu k fotosyntéze a výrobnému procesu rastlín najaktívnejšia, predstavuje priame aj difúzne žiarenie.

Rastliny sú schopné spotrebovávať priame slnečné žiarenie a odrážať sa od nebeských a pozemských objektov v rozsahu vlnových dĺžok od 380 do 710 nm. Tok fotosynteticky aktívneho žiarenia je približne polovičný oproti slnečnému toku, t.j. polovicu celkového žiarenia, a to prakticky bez ohľadu na poveternostné podmienky a lokalitu. Aj keď, ak je pre podmienky Európy typická hodnota 0,5, tak pre podmienky Izraela je o niečo vyššia (asi 0,52). Nedá sa však povedať, že rastliny využívajú PAR počas celého života rovnako a za iných podmienok. Efektívnosť využívania PAR je rôzna, preto boli navrhnuté ukazovatele „Koeficient využitia PAR“, ktorý odráža efektivitu využívania PAR a „Účinnosť fytocenóz“. Účinnosť fytocenóz charakterizuje fotosyntetickú aktivitu vegetačného krytu. Tento parameter našiel medzi lesníkmi najširšie uplatnenie pri hodnotení lesných fytocenóz.

Treba zdôrazniť, že samotné rastliny sú schopné vytvárať PAR vo vegetačnom kryte. To sa dosahuje vďaka umiestneniu listov smerom k slnečným lúčom, rotácii listov, rozmiestneniu listov rôznych veľkostí a uhlov na rôznych úrovniach fytocenóz, t.j. cez takzvanú baldachýnovú architektúru. Vo vegetačnom kryte sa slnečné lúče opakovane lámu, odrážajú od povrchu listov, čím si vytvárajú vlastný vnútorný režim žiarenia.

Žiarenie rozptýlené v rámci vegetačného krytu má rovnakú fotosyntetickú hodnotu ako priame a difúzne žiarenie vstupujúce na povrch vegetačného krytu.

Žiarenie zemského povrchu

Samotné vrchné vrstvy pôdy a vody, snehová pokrývka a vegetácia vyžarujú dlhovlnné žiarenie; toto pozemské žiarenie sa častejšie označuje ako vlastné žiarenie zemského povrchu.

Vlastné vyžarovanie sa dá vypočítať na základe znalosti absolútnej teploty zemského povrchu. Podľa Stefanovho-Boltzmannovho zákona, berúc do úvahy, že Zem nie je úplne čierne teleso, a teda zavedenie koeficientu? (zvyčajne sa rovná 0,95), pozemné žiarenie E určený vzorcom

E s = ?? T 4 ,

kde? je Stefan-Boltzmannova konštanta, T teplota, K.

Pri 288 K, E s \u003d 3,73 10 2 W/m2. Takýto veľký návrat žiarenia zo zemského povrchu by viedol k jeho rýchlemu ochladeniu, ak by tomu nezabránil opačný proces – pohlcovanie slnečného a atmosférického žiarenia zemským povrchom. Absolútne teploty zemského povrchu sa pohybujú medzi 190 a 350 K. Pri takýchto teplotách má emitované žiarenie prakticky vlnové dĺžky v rozmedzí 4–120 µm a jeho maximálna energia je 10–15 µm. Preto je všetko toto žiarenie infračervené, nevnímané okom.

Protižiarenie alebo protižiarenie

Atmosféra sa zahrieva, pohlcuje slnečné žiarenie (hoci v relatívne malej časti, asi 15 % z jeho celkového množstva prichádzajúceho na Zem), ako aj vlastné žiarenie zemského povrchu. Okrem toho prijíma teplo zo zemského povrchu vedením, ako aj kondenzáciou vodnej pary vyparenej zo zemského povrchu. Zohriata atmosféra vyžaruje sama od seba. Rovnako ako zemský povrch vyžaruje neviditeľné infračervené žiarenie v približne rovnakom rozsahu vlnových dĺžok.

Väčšina (70 %) atmosférického žiarenia prichádza na zemský povrch, zvyšok smeruje do svetového priestoru. Atmosférické žiarenie dopadajúce na zemský povrch sa nazýva protižiarenie. E a, keďže smeruje k vlastnému žiareniu zemského povrchu. Povrch Zeme takmer úplne absorbuje protižiarenie (o 95 – 99 %). Protižiarenie je teda popri absorbovanom slnečnom žiarení dôležitým zdrojom tepla pre zemský povrch. Protižiarenie sa zvyšuje so zvyšujúcou sa oblačnosťou, pretože samotné oblaky silne vyžarujú.

Hlavnou látkou v atmosfére, ktorá pohlcuje pozemské žiarenie a vysiela späť žiarenie, je vodná para. Pohlcuje infračervené žiarenie vo veľkej oblasti spektra - od 4,5 do 80 mikrónov, s výnimkou intervalu medzi 8,5 a 12 mikrónov.

Oxid uhoľnatý (oxid uhličitý) silne absorbuje infračervené žiarenie, ale len v úzkej oblasti spektra; ozón je slabší a tiež v úzkej oblasti spektra. Je pravda, že absorpcia oxidom uhličitým a ozónom dopadá na vlny, ktorých energia v spektre pozemského žiarenia je blízka maximu (7–15 μm).

Protižiarenie je vždy o niečo menšie ako to pozemské. Preto zemský povrch stráca teplo v dôsledku pozitívneho rozdielu medzi vlastným a protižiarením. Rozdiel medzi vlastným vyžarovaním zemského povrchu a protižiarením atmosféry sa nazýva efektívne žiarenie E e:

E e = E s- E a.

Efektívne žiarenie je čistá strata vyžarovanej energie a tým aj tepla zo zemského povrchu v noci. Vlastné vyžarovanie možno určiť podľa Stefanovho-Boltzmannovho zákona pri znalosti teploty zemského povrchu a protižiarenie možno vypočítať pomocou vyššie uvedeného vzorca.

Efektívne žiarenie za jasných nocí je asi 0,07–0,10 kW/m 2 na nížinných staniciach v miernych zemepisných šírkach a až 0,14 kW/m 2 na staniciach vo vysokých nadmorských výškach (kde je protižiarenie menšie). S nárastom oblačnosti, ktorá zvyšuje protižiarenie, sa efektívne žiarenie znižuje. Pri zamračenom počasí je to oveľa menej ako pri jasnom počasí; následne je aj nočné ochladzovanie zemského povrchu menšie.

Efektívne žiarenie samozrejme existuje aj počas denného svetla. Ale cez deň je blokovaný alebo čiastočne kompenzovaný absorbovaným slnečným žiarením. Preto je zemský povrch cez deň teplejší ako v noci, ale efektívne žiarenie cez deň je väčšie.

Zemský povrch v stredných zemepisných šírkach stráca efektívnym žiarením v priemere asi polovicu množstva tepla, ktoré prijíma absorbovaným žiarením.

Tým, že atmosféra absorbuje pozemské žiarenie a vysiela protižiarenie na zemský povrch, znižuje ochladzovanie zemského povrchu v noci. Cez deň len málo bráni ohrievaniu zemského povrchu slnečným žiarením. Tento vplyv atmosféry na tepelný režim zemského povrchu sa podľa vonkajšej analógie s pôsobením skleníkových skiel nazýva skleníkový efekt alebo skleníkový efekt.

Radiačná bilancia zemského povrchu

Rozdiel medzi absorbovaným žiarením a efektívnym žiarením sa nazýva radiačná bilancia zemského povrchu:

AT=(S hriech h + D)(1 – ALE) – E e.

V noci, keď nedochádza k celkovému žiareniu, sa negatívna radiačná bilancia rovná efektívnemu žiareniu.

Radiačná bilancia sa mení z nočných negatívnych hodnôt na denné kladné hodnoty po východe slnka vo výške 10–15°. Z kladných do záporných hodnôt prechádza pred západom slnka v rovnakej výške nad obzorom. V prítomnosti snehovej pokrývky sa radiačná bilancia stáva pozitívnou iba v slnečnej nadmorskej výške asi 20–25 o, pretože pri veľkom snehovom albede je jeho absorpcia celkového žiarenia malá. Počas dňa sa radiačná bilancia zvyšuje s rastúcou slnečnou výškou a klesá s jej poklesom.

Priemerné poludňajšie hodnoty radiačnej bilancie v Moskve v lete s jasnou oblohou, citované S.P. Khromov a M.A. Petrosyanty (2004) sú okolo 0,51 kW/m 2 , v zime len 0,03 kW/m 2 , pri priemernej oblačnosti v lete okolo 0,3 kW/m 2 av zime sa blížia k nule.

Slnko vyžaruje obrovské množstvo energie – približne 1,1x1020 kWh za sekundu. Kilowatthodina je množstvo energie potrebné na prevádzku 100-wattovej žiarovky počas 10 hodín. Vonkajšie vrstvy zemskej atmosféry zachytávajú približne jednu milióntinu energie vyžarovanej Slnkom alebo približne 1500 kvadriliónov (1,5 x 1018) kWh ročne. V dôsledku odrazu, rozptylu a absorpcie atmosférickými plynmi a aerosólmi sa však na zemský povrch dostane len 47 % všetkej energie, teda približne 700 kvadriliónov (7 x 1017) kWh.

Slnečné žiarenie v zemskej atmosfére sa delí na takzvané priame žiarenie a je rozptýlené časticami vzduchu, prachu, vody a pod. obsiahnutých v atmosfére. Ich súčet tvorí celkové slnečné žiarenie. Množstvo energie pripadajúcej na jednotku plochy za jednotku času závisí od mnohých faktorov:

• zemepisnej šírky
• miestna klimatická sezóna roka
• uhol sklonu povrchu vzhľadom na slnko.

Čas a geografická poloha

Množstvo slnečnej energie dopadajúcej na povrch Zeme sa mení v dôsledku pohybu Slnka. Tieto zmeny závisia od dennej doby a ročného obdobia. Zvyčajne viac slnečného žiarenia dopadá na Zem na poludnie ako skoro ráno alebo neskoro večer. Na poludnie je Slnko vysoko nad obzorom a dĺžka dráhy slnečných lúčov zemskou atmosférou sa skracuje. V dôsledku toho sa menej slnečného žiarenia rozptýli a absorbuje, čo znamená, že viac sa dostane na povrch.

Množstvo slnečnej energie dopadajúcej na zemský povrch sa líši od priemernej ročnej hodnoty: v zime – menej ako 0,8 kWh/m2 za deň na severe Európy a viac ako 4 kWh/m2 za deň v lete v tom istom regióne. Rozdiel sa zmenšuje, keď sa približujete k rovníku.

Množstvo slnečnej energie závisí aj od geografickej polohy lokality: čím bližšie k rovníku, tým je väčšie. Napríklad priemerné ročné celkové slnečné žiarenie dopadajúce na vodorovný povrch je: v strednej Európe, Strednej Ázii a Kanade - približne 1000 kWh/m2; v Stredozemnom mori - približne 1700 kWh / m2; vo väčšine púštnych oblastí Afriky, Stredného východu a Austrálie približne 2200 kWh/m2.

Množstvo slnečného žiarenia sa teda výrazne mení v závislosti od ročného obdobia a geografickej polohy (pozri tabuľku). Tento faktor treba brať do úvahy pri využívaní solárnej energie.

	južná Európa	strednej Európe	Severná Európa	karibský región
januára	2,6	1,7	0,8	5,1
februára	3,9	3,2	1,5	5,6
marca	4,6	3,6	2,6	6,0
apríla	5,9	4,7	3,4	6,2
Smieť	6,3	5,3	4,2	6,1
júna	6,9	5,9	5,0	5,9
júla	7,5	6,0	4,4	6,0
augusta	6,6	5,3	4,0	6,1
septembra	5,5	4,4	3,3	5,7
októbra	4,5	3,3	2,1	5,3
novembra	3,0	2,1	1,2	5,1
December	2,7	1,7	0,8	4,8
ROK	5,0	3,9	2,8	5,7

Vplyv oblakov na slnečnú energiu

Množstvo slnečného žiarenia dopadajúceho na zemský povrch závisí od rôznych atmosférických javov a od polohy Slnka počas dňa aj počas roka. Oblaky sú hlavným atmosférickým javom, ktorý určuje množstvo slnečného žiarenia dopadajúceho na zemský povrch. Slnečné žiarenie dopadajúce na zemský povrch v ktoromkoľvek bode Zeme klesá s rastúcou oblačnosťou. V dôsledku toho krajiny s prevažne zamračeným počasím dostávajú menej slnečného žiarenia ako púšte, kde je počasie väčšinou bezoblačné.

Vznik oblakov je ovplyvnený prítomnosťou miestnych prvkov, ako sú hory, moria a oceány, ako aj veľké jazerá. Preto sa množstvo slnečného žiarenia prijatého v týchto oblastiach a regiónoch s nimi susediacich môže líšiť. Napríklad hory môžu dostávať menej slnečného žiarenia ako priľahlé úpätia a roviny. Vetry fúkajúce smerom k horám spôsobujú, že časť vzduchu stúpa a ochladzuje vlhkosť vo vzduchu a vytvára oblaky. Množstvo slnečného žiarenia v pobrežných oblastiach sa tiež môže líšiť od množstva zaznamenaného v oblastiach nachádzajúcich sa vo vnútrozemí.

Množstvo prijatej slnečnej energie počas dňa do značnej miery závisí od miestnych atmosférických javov. Na poludnie s jasnou oblohou totálne slniečko

žiarenie dopadajúce na vodorovnú plochu môže dosiahnuť (napr. v strednej Európe) hodnotu 1000 W/m2 (vo veľmi priaznivých poveternostných podmienkach môže byť toto číslo aj vyššie), pričom pri veľmi zamračenom počasí je to pod 100 W/m2 aj pri poludnie.

Účinky znečistenia ovzdušia na slnečnú energiu

Antropogénne a prírodné javy môžu tiež obmedziť množstvo slnečného žiarenia dopadajúceho na zemský povrch. Mestský smog, dym z požiarov a vzduchom prenášaný sopečný popol znižujú využitie slnečnej energie zvýšením rozptylu a absorpcie slnečného žiarenia. To znamená, že tieto faktory majú väčší vplyv na priame slnečné žiarenie ako na celkové. Pri silnom znečistení ovzdušia, napríklad so smogom, sa priame žiarenie zníži o 40% a celkové - iba o 15-25%. Silná sopečná erupcia môže znížiť a na veľkej ploche zemského povrchu priame slnečné žiarenie o 20% a celkovo o 10% na obdobie 6 mesiacov až 2 rokov. S poklesom množstva sopečného popola v atmosfére sa účinok oslabuje, ale proces úplnej obnovy môže trvať niekoľko rokov.

Potenciál slnečnej energie

Slnko nám poskytuje 10 000-krát viac voľnej energie, ako sa skutočne využíva na celom svete. Len na globálnom komerčnom trhu sa ročne nakupuje a predáva takmer 85 biliónov (8,5 x 1013) kWh energie. Keďže nie je možné sledovať celý proces, nie je možné s istotou povedať, koľko nekomerčnej energie ľudia spotrebujú (napríklad koľko dreva a hnojív sa vyzbiera a spáli, koľko vody sa spotrebuje na výrobu mechanických alebo elektrických zariadení). energia). Niektorí odborníci odhadujú, že takáto nekomerčná energia predstavuje jednu pätinu všetkej spotrebovanej energie. Ale aj keby to bola pravda, potom celková energia spotrebovaná ľudstvom počas roka je len približne jedna sedemtisícina slnečnej energie, ktorá dopadne na zemský povrch v rovnakom období.

Vo vyspelých krajinách, ako sú USA, je spotreba energie približne 25 biliónov (2,5 x 1013) kWh za rok, čo zodpovedá viac ako 260 kWh na osobu a deň. Toto číslo zodpovedá prevádzke viac ako sto 100W žiaroviek denne počas celého dňa. Priemerný občan USA spotrebuje 33-krát viac energie ako Ind, 13-krát viac ako Číňan, dvaapolkrát viac ako Japonec a dvakrát toľko ako Švéd.

Množstvo slnečnej energie, ktorá sa dostáva na povrch Zeme, je mnohonásobne väčšie ako jej spotreba, a to aj v krajinách ako sú Spojené štáty americké, kde je spotreba energie obrovská. Ak by sa len 1 % územia krajiny využilo na inštaláciu solárnych zariadení (fotovoltaické panely alebo solárne systémy na prípravu teplej vody) s účinnosťou 10 %, potom by boli USA plne zásobené energiou. To isté možno povedať o všetkých ostatných vyspelých krajinách. V určitom zmysle je to však nereálne – po prvé kvôli vysokým nákladom na fotovoltické systémy a po druhé, nie je možné pokryť tak veľké plochy solárnymi zariadeniami bez toho, aby to poškodilo ekosystém. Ale samotný princíp je správny.

Rovnakú plochu je možné pokryť rozptýlením inštalácií na strechách budov, na domoch, pozdĺž ciest, na vopred určených pozemkoch atď. Okrem toho je v mnohých krajinách už viac ako 1 % pôdy alokované na ťažbu, konverziu, výrobu a prepravu energie. A keďže väčšina tejto energie je v rozsahu ľudskej existencie neobnoviteľná, tento druh výroby energie je oveľa škodlivejší pre životné prostredie ako solárne systémy.

Zdroje tepla. Tepelná energia zohráva rozhodujúcu úlohu v živote atmosféry. Hlavným zdrojom tejto energie je Slnko. Čo sa týka tepelného žiarenia Mesiaca, planét a hviezd, to je pre Zem tak zanedbateľné, že sa s ním v praxi nedá počítať. Oveľa viac tepelnej energie poskytuje vnútorné teplo Zeme. Podľa výpočtov geofyzikov neustály prílev tepla z útrob Zeme zvyšuje teplotu zemského povrchu o 0,1. Ale taký prílev tepla je ešte taký malý, že ani s ním netreba počítať. Za jediný zdroj tepelnej energie na povrchu Zeme teda možno považovať iba Slnko.

Slnečné žiarenie. Slnko, ktoré má teplotu fotosféry (žiariaceho povrchu) asi 6000°, vyžaruje energiu do priestoru všetkými smermi. Časť tejto energie vo forme obrovského lúča paralelných slnečných lúčov dopadá na Zem. Slnečná energia, ktorá dopadá na zemský povrch vo forme priamych slnečných lúčov, sa nazýva priame slnečné žiarenie. Ale nie všetko slnečné žiarenie smerujúce na Zem dosiahne zemský povrch, pretože slnečné lúče, ktoré prechádzajú silnou vrstvou atmosféry, sú ňou čiastočne absorbované, čiastočne rozptýlené molekulami a suspendovanými časticami vzduchu, niektoré z nich sú odrazené mraky. Časť slnečnej energie, ktorá sa rozptýli v atmosfére, sa nazýva rozptýlené žiarenie. Rozptýlené slnečné žiarenie sa šíri v atmosfére a dostáva sa až na povrch Zeme. Tento typ žiarenia vnímame ako rovnomerné denné svetlo, keď je Slnko úplne zakryté mrakmi alebo sa práve stratilo pod obzorom.

Priame a difúzne slnečné žiarenie, ktoré dopadá na zemský povrch, nie je úplne absorbované. Časť slnečného žiarenia sa odráža od zemského povrchu späť do atmosféry a je tam vo forme prúdu lúčov, tzv. odrazené slnečné žiarenie.

Zloženie slnečného žiarenia je veľmi zložité, čo súvisí s veľmi vysokou teplotou vyžarujúceho povrchu Slnka. Podľa vlnovej dĺžky sa spektrum slnečného žiarenia zvyčajne delí na tri časti: ultrafialové (η<0,4<μ видимую глазом (η od 0,4μ do 0,76μ) a infračervené (η >0,76μ). Na zloženie slnečného žiarenia v blízkosti zemského povrchu má okrem teploty slnečnej fotosféry vplyv aj pohlcovanie a rozptyl časti slnečných lúčov pri prechode vzduchovým obalom Zeme. Z tohto hľadiska bude zloženie slnečného žiarenia na hornej hranici atmosféry a v blízkosti zemského povrchu odlišné. Na základe teoretických výpočtov a pozorovaní sa zistilo, že na hranici atmosféry predstavuje ultrafialové žiarenie 5%, viditeľné lúče - 52% a infračervené - 43%. Na zemskom povrchu (pri výške Slnka 40 °) tvoria ultrafialové lúče iba 1%, viditeľné - 40% a infračervené - 59%.

Intenzita slnečného žiarenia. Pod intenzitou priameho slnečného žiarenia rozumieme množstvo tepla v kalóriách prijatých za 1 minútu. zo žiarivej energie Slnka povrchom v 1 cm 2, umiestnené kolmo na slnko.

Na meranie intenzity priameho slnečného žiarenia sa používajú špeciálne prístroje - aktinometre a pyrheliometre; množstvo rozptýleného žiarenia sa zisťuje pyranometrom. Automatické zaznamenávanie trvania pôsobenia slnečného žiarenia je vykonávané aktinografmi a heliografmi. Spektrálna intenzita slnečného žiarenia sa zisťuje spektrobolografom.

Na hranici atmosféry, kde sú vylúčené absorbčné a rozptylové účinky vzduchového obalu Zeme, je intenzita priameho slnečného žiarenia približne 2. výkaly za 1 cm 2 povrchy za 1 min. Táto hodnota sa nazýva slnečná konštanta. Intenzita slnečného žiarenia v 2 výkaly za 1 cm 2 za 1 min. dáva počas roka také veľké množstvo tepla, že by stačilo roztopiť vrstvu ľadu 35 m hrubé, ak takáto vrstva pokrývala celý zemský povrch.

Početné merania intenzity slnečného žiarenia dávajú dôvod domnievať sa, že množstvo slnečnej energie prichádzajúcej k hornej hranici zemskej atmosféry má niekoľkopercentné výkyvy. Oscilácie sú periodické a neperiodické, zjavne spojené s procesmi prebiehajúcimi na samotnom Slnku.

Okrem toho dochádza v priebehu roka k určitej zmene intenzity slnečného žiarenia v dôsledku toho, že Zem sa pri svojej ročnej rotácii nepohybuje po kruhu, ale po elipse, v ktorej jednom z ohniskov je Slnko. V tomto smere sa mení vzdialenosť Zeme od Slnka a následne aj kolísanie intenzity slnečného žiarenia. Najväčšiu intenzitu pozorujeme okolo 3. januára, keď je Zem najbližšie k Slnku, a najmenšiu okolo 5. júla, keď je Zem v maximálnej vzdialenosti od Slnka.

Z tohto dôvodu je kolísanie intenzity slnečného žiarenia veľmi malé a môže byť zaujímavé len teoreticky. (Množstvo energie v maximálnej vzdialenosti súvisí s množstvom energie v minimálnej vzdialenosti, pretože 100:107, t.j. rozdiel je úplne zanedbateľný.)

Podmienky ožiarenia povrchu zemegule. Už samotný guľový tvar Zeme vedie k tomu, že žiarivá energia Slnka je na zemskom povrchu rozložená veľmi nerovnomerne. Takže v dňoch jarnej a jesennej rovnodennosti (21. marca a 23. septembra) bude uhol dopadu lúčov na poludnie iba na rovníku 90° (obr. 30), a keď sa priblížia k pólom, zníži sa z 90 na 0 °. teda

ak sa na rovníku množstvo prijatého žiarenia berie ako 1, potom na 60. rovnobežke bude vyjadrené ako 0,5 a na póle sa bude rovnať 0.

Zemeguľa má navyše denný a ročný pohyb a zemská os je sklonená k rovine obežnej dráhy o 66°.5. Vďaka tomuto sklonu vzniká medzi rovinou rovníka a rovinou obežnej dráhy uhol 23 ° 30 g. Táto okolnosť vedie k tomu, že uhly dopadu slnečných lúčov pre rovnaké zemepisné šírky sa budú meniť v rozmedzí 47 ° (23,5 + 23,5) .

V závislosti od ročného obdobia sa mení nielen uhol dopadu lúčov, ale aj dĺžka osvetlenia. Ak je v tropických krajinách vo všetkých ročných obdobiach trvanie dňa a noci približne rovnaké, potom v polárnych krajinách je to naopak veľmi odlišné. Napríklad pri 70° N. sh. v lete Slnko nezapadá 65 dní pri 80 ° s. š. sh.- 134, a na póle -186. Z tohto dôvodu je na severnom póle radiácia v deň letného slnovratu (22. júna) o 36 % vyššia ako na rovníku. Za celý letný polrok je celkové množstvo tepla a svetla prijatého pólom len o 17 % menšie ako na rovníku. V letnom období v polárnych krajinách teda trvanie osvetlenia do značnej miery kompenzuje nedostatok žiarenia, ktorý je dôsledkom malého uhla dopadu lúčov. V zimnej polovici roka je obraz úplne odlišný: množstvo žiarenia na tom istom severnom póle bude 0. Výsledkom je, že v priebehu roka je priemerné množstvo žiarenia na póle o 2,4 menšie ako na rovníku. . Zo všetkého povedaného vyplýva, že množstvo slnečnej energie, ktorú Zem prijme žiarením, je určené uhlom dopadu lúčov a dobou expozície.

Pri absencii atmosféry v rôznych zemepisných šírkach by zemský povrch dostal nasledujúce množstvo tepla za deň, vyjadrené v kalóriách na 1 cm 2(pozri tabuľku na strane 92).

Rozloženie žiarenia po zemskom povrchu uvedené v tabuľke sa bežne nazýva slnečná klíma. Opakujeme, že takéto rozloženie žiarenia máme len na hornej hranici atmosféry.

Útlm slnečného žiarenia v atmosfére. Doteraz sme sa bavili o podmienkach distribúcie slnečného tepla po zemskom povrchu bez toho, aby sme brali do úvahy atmosféru. Medzitým je atmosféra v tomto prípade veľmi dôležitá. Slnečné žiarenie prechádzajúce atmosférou sa rozptyľuje a okrem toho absorbuje. Oba tieto procesy spolu do značnej miery tlmia slnečné žiarenie.

Slnečné lúče prechádzajúce atmosférou zažívajú v prvom rade rozptyl (difúziu). Rozptyl vzniká tým, že sa lúče svetla lámajúce a odrážajúce od molekúl vzduchu a častíc pevných a tekutých telies vo vzduchu odchyľujú od priamej dráhy do poriadne „rozprestreté“.

Rozptyl výrazne tlmí slnečné žiarenie. S nárastom množstva vodnej pary a najmä prachových častíc sa zväčšuje rozptyl a zoslabuje sa žiarenie. Vo veľkých mestách a púštnych oblastiach, kde je obsah prachu vo vzduchu najväčší, rozptyl oslabuje silu žiarenia o 30 – 45 %. Vďaka rozptylu sa získava denné svetlo, ktoré osvetľuje predmety, aj keď slnečné lúče nedopadajú priamo na ne. Rozptyl určuje samotnú farbu oblohy.

Zastavme sa teraz pri schopnosti atmosféry absorbovať žiarivú energiu Slnka. Hlavné plyny, ktoré tvoria atmosféru, absorbujú radiačnú energiu relatívne veľmi málo. Nečistoty (vodná para, ozón, oxid uhličitý a prach) sa naopak vyznačujú vysokou absorpčnou schopnosťou.

V troposfére je najvýznamnejšou prímesou vodná para. Obzvlášť silne pohlcujú infračervené (dlhovlnné), t.j. prevažne tepelné lúče. A čím viac vodnej pary v atmosfére, tým prirodzene viac a. absorpcie. Množstvo vodnej pary v atmosfére podlieha veľkým zmenám. V prírodných podmienkach sa pohybuje od 0,01 do 4 % (objemovo).

Ozón je veľmi absorbčný. Výrazná prímes ozónu, ako už bolo spomenuté, je v spodných vrstvách stratosféry (nad tropopauzou). Ozón takmer úplne absorbuje ultrafialové (krátkovlnné) lúče.

Oxid uhličitý je tiež veľmi absorpčný. Pohlcuje hlavne dlhovlnné, t.j. prevažne tepelné lúče.

Prach vo vzduchu tiež absorbuje časť slnečného žiarenia. Zahrievanie pôsobením slnečného žiarenia môže výrazne zvýšiť teplotu vzduchu.

Z celkového množstva slnečnej energie prichádzajúcej na Zem absorbuje atmosféra len asi 15 %.

Útlm slnečného žiarenia rozptylom a absorpciou atmosférou je pre rôzne zemepisné šírky Zeme veľmi rozdielny. Tento rozdiel závisí predovšetkým od uhla dopadu lúčov. V zenitovej polohe Slnka vertikálne dopadajúce lúče prechádzajú atmosférou najkratšou cestou. So znižovaním uhla dopadu sa dráha lúčov predlžuje a tlmenie slnečného žiarenia je výraznejšie. To posledné je dobre vidieť z nákresu (obr. 31) a priloženej tabuľky (v tabuľke je dráha slnečného lúča v zenitovej polohe Slnka braná ako jednota).

V závislosti od uhla dopadu lúčov sa mení nielen počet lúčov, ale aj ich kvalita. V období, keď je Slnko na svojom zenite (nad hlavou), tvoria ultrafialové lúče 4 %,

viditeľné – 44 % a infračervené – 52 %. V polohe Slnka nie sú na horizonte vôbec žiadne ultrafialové lúče, viditeľné 28% a infračervené 72%.

Zložitosť vplyvu atmosféry na slnečné žiarenie zhoršuje skutočnosť, že jeho prenosová kapacita sa značne líši v závislosti od ročného obdobia a poveternostných podmienok. Ak by teda obloha zostala po celý čas bez mráčika, potom by sa dal ročný chod prílevu slnečného žiarenia v rôznych zemepisných šírkach graficky vyjadriť nasledovne (obr. 32) Z nákresu je jasne vidieť, že pri bezoblačnej oblohe v Moskve v r. Májové, júnové a júlové slnečné žiarenie by vyprodukovalo viac ako na rovníku. Rovnako tak v druhej polovici mája, v júni a prvej polovici júla by sa na severnom póle vytvorilo viac tepla ako na rovníku a v Moskve. Opakujeme, že to bude prípad bezoblačnej oblohy. Ale v skutočnosti to nefunguje, pretože oblačnosť výrazne oslabuje slnečné žiarenie. Uveďme príklad znázornený v grafe (obr. 33). Graf ukazuje, koľko slnečného žiarenia nedosiahne zemský povrch: jeho významnú časť zadrží atmosféra a mraky.

Treba však povedať, že teplo pohltené mrakmi ide sčasti na zohrievanie atmosféry a sčasti sa nepriamo dostane na zemský povrch.

Denný a ročný chod intenzity solnočné žiarenie. Intenzita priameho slnečného žiarenia v blízkosti zemského povrchu závisí od výšky Slnka nad obzorom a od stavu atmosféry (od jej prašnosti). Ak. priehľadnosť atmosféry počas dňa bola konštantná, potom by sa maximálna intenzita slnečného žiarenia pozorovala na poludnie a minimálna - pri východe a západe slnka. V tomto prípade by bol graf priebehu dennej intenzity slnečného žiarenia symetrický vzhľadom na pol dňa.

Obsah prachu, vodných pár a iných nečistôt v atmosfére sa neustále mení. V tomto smere sa mení priehľadnosť vzduchu a narúša sa symetria grafu priebehu intenzity slnečného žiarenia. Často, najmä v lete, na poludnie, keď je zemský povrch intenzívne zahrievaný, dochádza k silným vzostupným prúdom vzduchu a zvyšuje sa množstvo vodnej pary a prachu v atmosfére. To vedie k výraznému poklesu slnečného žiarenia na poludnie; maximálna intenzita žiarenia sa v tomto prípade pozoruje v predpoludňajších alebo popoludňajších hodinách. Ročný chod intenzity slnečného žiarenia súvisí aj so zmenami výšky Slnka nad obzorom v priebehu roka a so stavom priehľadnosti atmosféry v rôznych ročných obdobiach. V krajinách severnej pologule je najväčšia výška Slnka nad obzorom v mesiaci jún. No zároveň je pozorovaná aj najväčšia prašnosť atmosféry. Preto maximálna intenzita zvyčajne nenastáva uprostred leta, ale v jarných mesiacoch, keď Slnko vystupuje dosť vysoko * nad horizont a atmosféra po zime zostáva relatívne čistá. Pre ilustráciu ročného chodu intenzity slnečného žiarenia na severnej pologuli uvádzame údaje o priemerných mesačných hodnotách intenzity poludňajšieho žiarenia v Pavlovsku.

Množstvo tepla zo slnečného žiarenia. Povrch Zeme počas dňa nepretržite prijíma teplo z priameho a difúzneho slnečného žiarenia alebo len z difúzneho žiarenia (v zamračenom počasí). Denná hodnota tepla sa určuje na základe aktinometrických pozorovaní: zohľadnením množstva priameho a difúzneho žiarenia, ktoré sa dostalo na zemský povrch. Po určení množstva tepla na každý deň sa vypočíta aj množstvo tepla prijatého zemským povrchom za mesiac alebo za rok.

Denné množstvo tepla prijatého zemským povrchom zo slnečného žiarenia závisí od intenzity žiarenia a od dĺžky jeho pôsobenia počas dňa. V tomto smere je minimálny prílev tepla v zime a maximálny v lete. V geografickom rozložení celkového žiarenia na zemeguli sa pozoruje jeho nárast so znížením zemepisnej šírky oblasti. Túto pozíciu potvrdzuje nasledujúca tabuľka.

Úloha priameho a difúzneho žiarenia v ročnom množstve tepla prijatého zemským povrchom v rôznych zemepisných šírkach zemegule nie je rovnaká. Vo vysokých zemepisných šírkach prevláda v ročnom súčte tepla difúzne žiarenie. S poklesom zemepisnej šírky prechádza prevažná hodnota na priame slnečné žiarenie. Takže napríklad v zálive Tikhaya poskytuje difúzne slnečné žiarenie 70% ročného množstva tepla a priame žiarenie iba 30%. Naopak, v Taškente dáva priame slnečné žiarenie 70 %, rozptýlené len 30 %.

Odrazivosť Zeme. Albedo. Ako už bolo spomenuté, zemský povrch absorbuje len časť slnečnej energie, ktorá naň prichádza vo forme priameho a difúzneho žiarenia. Druhá časť sa odráža do atmosféry. Pomer množstva slnečného žiarenia odrazeného daným povrchom k množstvu žiarivého energetického toku dopadajúceho na tento povrch sa nazýva albedo. Albedo je vyjadrené v percentách a charakterizuje odrazivosť danej oblasti povrchu.

Albedo závisí od charakteru povrchu (vlastnosti pôdy, prítomnosť snehu, vegetácie, vody a pod.) a od uhla dopadu slnečných lúčov na povrch Zeme. Napríklad, ak lúče dopadajú na zemský povrch pod uhlom 45 °, potom:

Z vyššie uvedených príkladov je vidieť, že odrazivosť rôznych predmetov nie je rovnaká. Najviac pri snehu a najmenej pri vode. Príklady, ktoré sme zobrali, sa však týkajú len tých prípadov, keď je výška Slnka nad horizontom 45°. Keď sa tento uhol zmenšuje, odrazivosť sa zvyšuje. Takže napríklad pri výške Slnka pri 90 ° voda odráža iba 2 %, pri 50 ° - 4 %, pri 20 ° -12 %, pri 5 ° - 35-70 % (v závislosti od stavu vodná plocha).

Pri bezoblačnej oblohe odráža povrch zemegule v priemere 8 % slnečného žiarenia. Navyše 9 % odráža atmosféru. Zemeguľa ako celok s bezoblačnou oblohou teda odráža 17 % žiarivej energie Slnka, ktorá na ňu dopadá. Ak je obloha pokrytá mrakmi, potom sa od nich odráža 78% žiarenia. Ak zoberieme prírodné podmienky, na základe pomeru medzi bezoblačnou oblohou a oblohou pokrytou mrakmi, ktoré sú pozorované v skutočnosti, tak odrazivosť Zeme ako celku je 43%.

Zemské a atmosférické žiarenie. Zem prijímajúca slnečnú energiu sa zahrieva a sama sa stáva zdrojom tepelného žiarenia do svetového priestoru. Lúče vyžarované zemským povrchom sa však výrazne líšia od slnečných. Zem vyžaruje iba dlhovlnné (λ 8-14 μ) neviditeľné infračervené (tepelné) lúče. Energia vyžarovaná zemským povrchom je tzv zemského žiarenia. Dochádza k žiareniu Zeme a. deň a noc. Intenzita žiarenia je tým väčšia, čím vyššia je teplota vyžarujúceho telesa. Zemské žiarenie sa určuje v rovnakých jednotkách ako slnečné žiarenie, t.j. v kalóriách od 1 cm 2 povrchy za 1 min. Pozorovania ukázali, že veľkosť pozemského žiarenia je malá. Zvyčajne dosahuje 15-18 stotín kalórií. Ale pri nepretržitom pôsobení môže poskytnúť významný tepelný efekt.

Najsilnejšie pozemské žiarenie sa získava pri bezoblačnej oblohe a dobrej priehľadnosti atmosféry. Oblačnosť (najmä nízka oblačnosť) výrazne znižuje terestrickú radiáciu a často ju znižuje na nulu. Tu môžeme povedať, že atmosféra je spolu s oblakmi dobrá „deka“, ktorá chráni Zem pred nadmerným ochladzovaním. Časti atmosféry, podobne ako oblasti zemského povrchu, vyžarujú energiu podľa svojej teploty. Táto energia sa nazýva atmosférické žiarenie. Intenzita atmosférického žiarenia závisí od teploty vyžarujúcej časti atmosféry, ako aj od množstva vodnej pary a oxidu uhličitého obsiahnutých vo vzduchu. Atmosférické žiarenie patrí do skupiny dlhovlnného žiarenia. Šíri sa v atmosfére všetkými smermi; časť sa dostane na zemský povrch a je ním pohltená, druhá časť ide do medziplanetárneho priestoru.

O príjem a výdaj slnečnej energie na Zemi. Zemský povrch na jednej strane prijíma slnečnú energiu vo forme priameho a difúzneho žiarenia a na druhej strane časť tejto energie stráca vo forme pozemského žiarenia. V dôsledku príchodu a spotreby slnečnej energie sa získa určitý výsledok. V niektorých prípadoch môže byť tento výsledok pozitívny, v iných negatívny. Uveďme príklady oboch.

8. januára. Deň je bez mráčika. Za 1 cm 2 zemský povrch prijatý za deň 20 výkaly priame slnečné žiarenie a 12 výkaly rozptýlené žiarenie; celkovo tak získalo 32 kal. Zároveň v dôsledku žiarenia 1 cm? Stratený zemský povrch 202 kal. Výsledkom je, povedané v jazyku účtovníctva, strata 170 výkaly(záporný zostatok).

6. júla Obloha je takmer bez mráčika. 630 prijatých z priameho slnečného žiarenia cal, z rozptýleného žiarenia 46 kal. Celkovo teda zemský povrch dostal 1 cm 2 676 kal. 173 stratené zemským žiarením kal. V súvahe zisk na 503 výkaly(kladná bilancia).

Z uvedených príkladov je okrem iného celkom jasné, prečo je v miernych zemepisných šírkach v zime chladno a v lete teplo.

Využitie slnečného žiarenia na technické a domáce účely. Slnečné žiarenie je nevyčerpateľný prírodný zdroj energie. Veľkosť slnečnej energie na Zemi možno posúdiť na nasledujúcom príklade: ak napríklad využijeme teplo slnečného žiarenia, ktoré dopadá len na 1/10 plochy ZSSR, môžeme získať energiu rovnú na prácu 30 tisíc Dneproges.

Ľudia sa oddávna snažia využiť voľnú energiu slnečného žiarenia pre svoje potreby. K dnešnému dňu bolo vytvorených mnoho rôznych solárnych zariadení, ktoré fungujú s využitím slnečného žiarenia a sú široko používané v priemysle a na uspokojenie potrieb domácností obyvateľstva. V južných oblastiach ZSSR fungujú solárne ohrievače vody, kotly, zariadenia na odsoľovanie slanej vody, solárne sušičky (na sušenie ovocia), kuchyne, kúpele, skleníky a prístroje na lekárske účely na základe širokého využívania slnečného žiarenia v priemysel a verejné služby. Slnečné žiarenie je široko využívané v rezortoch na liečbu a podporu zdravia ľudí.

- zdroj-

Polovinkin, A.A. Základy všeobecnej geografie / A.A. Polovinkin.- M.: Štátne vzdelávacie a pedagogické nakladateľstvo Ministerstva školstva RSFSR, 1958.- 482 s.

Zobrazenia príspevku: 312

PREDNÁŠKA 2.

SLNEČNÉ ŽIARENIE.

Plán:

1. Hodnota slnečného žiarenia pre život na Zemi.

2. Druhy slnečného žiarenia.

3. Spektrálne zloženie slnečného žiarenia.

4. Absorpcia a rozptyl žiarenia.

5.PAR (fotosynteticky aktívne žiarenie).

6. Radiačná bilancia.

1. Hlavným zdrojom energie na Zemi pre všetko živé (rastliny, zvieratá a ľudí) je energia slnka.

Slnko je plynová guľa s polomerom 695 300 km. Polomer Slnka je 109-krát väčší ako polomer Zeme (rovníkový 6378,2 km, polárny 6356,8 km). Slnko sa skladá hlavne z vodíka (64 %) a hélia (32 %). Zvyšok tvorí len 4 % jeho hmotnosti.

Slnečná energia je hlavnou podmienkou existencie biosféry a jedným z hlavných faktorov tvoriacich klímu. Vplyvom energie Slnka sa vzduchové hmoty v atmosfére neustále pohybujú, čo zabezpečuje stálosť plynného zloženia atmosféry. Pôsobením slnečného žiarenia sa z povrchu nádrží, pôdy, rastlín vyparuje obrovské množstvo vody. Vodná para prenášaná vetrom z oceánov a morí na kontinenty je hlavným zdrojom zrážok pre pevninu.

Slnečná energia je nevyhnutnou podmienkou existencie zelených rastlín, ktoré pri fotosyntéze premieňajú slnečnú energiu na vysokoenergetické organické látky.

Rast a vývoj rastlín je proces asimilácie a spracovania slnečnej energie, preto je poľnohospodárska výroba možná len vtedy, ak slnečná energia dosiahne povrch Zeme. Ruský vedec napísal: „Dajte najlepšiemu kuchárovi toľko čerstvého vzduchu, slnečného svetla, celú rieku čistej vody, koľko chcete, požiadajte ho, aby z toho všetkého pripravil cukor, škrob, tuky a obilniny, a bude si myslieť, že sa smejete. na neho. Ale to, čo sa človeku zdá úplne fantastické, sa bez zábran vykonáva v zelených listoch rastlín pod vplyvom energie Slnka. Odhaduje sa, že 1 m2. meter listov za hodinu vyprodukuje gram cukru. Vzhľadom na to, že Zem je obklopená súvislou vrstvou atmosféry, slnečné lúče pred dopadom na zemský povrch prechádzajú celou hrúbkou atmosféry, ktorá ich čiastočne odráža, čiastočne rozptyľuje, t.j. mení množstvo a kvalitu slnečného žiarenia vstupujúceho na zemský povrch. Živé organizmy sú citlivé na zmeny intenzity osvetlenia vytváraného slnečným žiarením. Vzhľadom na rôznu odozvu na intenzitu osvetlenia sa všetky formy vegetácie delia na svetlomilné a tienisté. Nedostatočné osvetlenie plodín spôsobuje napríklad slabú diferenciáciu pletív slamy obilnín. V dôsledku toho klesá pevnosť a elasticita tkanív, čo často vedie k poliehaniu plodín. V zahustených porastoch kukurice je v dôsledku nízkeho slnečného žiarenia oslabená tvorba klasov na rastlinách.

Slnečné žiarenie ovplyvňuje chemické zloženie poľnohospodárskych produktov. Napríklad obsah cukru v repe a ovocí, obsah bielkovín v pšeničnom zrne priamo závisí od počtu slnečných dní. Množstvo oleja v semenách slnečnice, ľanu sa tiež zvyšuje s nárastom príchodu slnečného žiarenia.

Osvetlenie nadzemných častí rastlín výrazne ovplyvňuje vstrebávanie živín koreňmi. Pri slabom osvetlení sa spomaľuje prenos asimilátov do koreňov a v dôsledku toho sú inhibované biosyntetické procesy prebiehajúce v rastlinných bunkách.

Osvetlenie ovplyvňuje aj vznik, šírenie a rozvoj chorôb rastlín. Obdobie infekcie pozostáva z dvoch fáz, ktoré sa navzájom líšia v reakcii na svetelný faktor. Prvý z nich – samotné klíčenie spór a prienik infekčného princípu do tkanív postihnutej kultúry – vo väčšine prípadov nezávisí od prítomnosti a intenzity svetla. Druhý – po vyklíčení spór – je najaktívnejší pri vysokých svetelných podmienkach.

Pozitívny vplyv svetla ovplyvňuje aj rýchlosť vývoja patogénu v hostiteľskej rastline. To sa prejavuje najmä pri hrdzavých hubách. Čím viac svetla, tým kratšia je inkubačná doba pre hrdzu pšeničnú, hrdzu jačmennú, hrdzu ľanu a fazuľu atď. A to zvyšuje počet generácií huby a zvyšuje intenzitu infekcie. V intenzívnych svetelných podmienkach sa u tohto patogénu zvyšuje plodnosť.

Niektoré choroby sa najaktívnejšie vyvíjajú pri slabom osvetlení, čo spôsobuje oslabenie rastlín a zníženie ich odolnosti voči chorobám (pôvodcovia rôznych druhov hniloby, najmä zeleninových plodín).

Trvanie osvetlenia a rastlín. Rytmus slnečného žiarenia (striedanie svetlých a tmavých častí dňa) je najstabilnejší a z roka na rok sa opakujúci faktor prostredia. Fyziológovia ako výsledok dlhoročného výskumu stanovili závislosť prechodu rastlín na generatívny vývoj od určitého pomeru dĺžky dňa a noci. V tomto ohľade možno kultúry podľa fotoperiodickej reakcie rozdeliť do skupín: krátky deň ktorých vývoj je oneskorený pri dĺžke dňa viac ako 10 hodín. Krátky deň podporuje tvorbu kvetov, zatiaľ čo dlhý deň jej zabraňuje. Medzi takéto plodiny patrí sója, ryža, proso, cirok, kukurica atď.;

dlhý deň do 12-13 hod., vyžadujúce pre svoj rozvoj dlhodobé osvetlenie. Ich vývoj sa zrýchľuje, keď je dĺžka dňa asi 20 hodín Medzi tieto plodiny patrí raž, ovos, pšenica, ľan, hrach, špenát, ďatelina atď.;

neutrálne vzhľadom na dĺžku dňa, ktorých vývin nezávisí od dĺžky dňa, napríklad paradajka, pohánka, strukoviny, rebarbora.

Zistilo sa, že prevaha určitého spektrálneho zloženia v žiarivom toku je nevyhnutná pre začiatok kvitnutia rastlín. Rastliny krátkeho dňa sa vyvíjajú rýchlejšie, keď maximum žiarenia dopadá na modrofialové lúče, a rastliny dlhého dňa - na červené. Trvanie svetlej časti dňa (astronomická dĺžka dňa) závisí od ročného obdobia a zemepisnej šírky. Na rovníku je trvanie dňa počas celého roka 12 hodín ± 30 minút. Pri prechode od rovníka k pólom po jarnej rovnodennosti (21.03.) sa dĺžka dňa predĺži na sever a zníži na juh. Po jesennej rovnodennosti (23.09.) je distribúcia dĺžky dňa obrátená. Na severnej pologuli je najdlhším dňom 22. jún, ktorého trvanie je 24 hodín severne od polárneho kruhu, najkratším dňom na severnej pologuli je 22. december a za polárnym kruhom v zimných mesiacoch Slnko nesvieti. vôbec vystúpiť nad horizont. V stredných zemepisných šírkach, napríklad v Moskve, sa dĺžka dňa počas roka pohybuje od 7 do 17,5 hodiny.

2. Druhy slnečného žiarenia.

Slnečné žiarenie sa skladá z troch zložiek: priame slnečné žiarenie, rozptýlené a celkové.

PRIAMY SLNEČNÉ ŽIARENIES-žiarenie prichádzajúce zo Slnka do atmosféry a následne na zemský povrch vo forme zväzku rovnobežných lúčov. Jeho intenzita sa meria v kalóriách na cm2 za minútu. Závisí to od výšky slnka a stavu atmosféry (oblačnosť, prach, vodná para). Ročné množstvo priameho slnečného žiarenia na vodorovnom povrchu územia Stavropolského územia je 65-76 kcal/cm2/min. Na úrovni mora, pri vysokej polohe Slnka (leto, poludnie) a dobrej priehľadnosti je priame slnečné žiarenie 1,5 kcal / cm2 / min. Toto je časť spektra s krátkou vlnovou dĺžkou. Pri prechode toku priameho slnečného žiarenia atmosférou zoslabne v dôsledku absorpcie (asi 15%) a rozptylu (asi 25%) energie plynmi, aerosólmi, oblakmi.

Tok priameho slnečného žiarenia dopadajúceho na vodorovný povrch sa nazýva insolácia. S= S hriech ahojje vertikálna zložka priameho slnečného žiarenia.

S – množstvo tepla prijatého povrchom kolmým na lúč ,

ahoj – výška Slnka, teda uhol, ktorý zviera slnečný lúč s vodorovnou plochou .

Na hranici atmosféry je intenzita slnečného žiareniaTakže= 1,98 kcal/cm2/min. - podľa medzinárodnej dohody z roku 1958. Nazýva sa to slnečná konštanta. To by bolo na povrchu, keby bola atmosféra absolútne priehľadná.

Ryža. 2.1. Dráha slnečného lúča v atmosfére v rôznych výškach Slnka

ROZPTYLOVÉ ŽIARENIED – časť slnečného žiarenia v dôsledku rozptylu atmosférou sa vracia späť do vesmíru, no značná časť sa dostáva na Zem vo forme rozptýleného žiarenia. Maximálne rozptýlené žiarenie + 1 kcal/cm2/min. Zaznamenáva sa na jasnej oblohe, ak je na nej vysoká oblačnosť. Pri zamračenej oblohe je spektrum rozptýleného žiarenia podobné spektru slnečného žiarenia. Toto je časť spektra s krátkou vlnovou dĺžkou. Vlnová dĺžka 0,17-4 mikrónov.

CELKOVÉ ŽIARENIEQ- pozostáva z difúzneho a priameho žiarenia na vodorovný povrch. Q= S+ D.

Pomer medzi priamym a difúznym žiarením v zložení celkového žiarenia závisí od výšky Slnka, oblačnosti a znečistenia atmosféry a od výšky povrchu nad morom. S rastúcou výškou Slnka klesá podiel rozptýleného žiarenia na bezoblačnej oblohe. Čím je atmosféra priehľadnejšia a čím je Slnko vyššie, tým je podiel rozptýleného žiarenia menší. Pri súvislých hustých oblakoch sa celkové žiarenie skladá výlučne z rozptýleného žiarenia. V zime vplyvom odrazu žiarenia od snehovej pokrývky a jej sekundárneho rozptylu v atmosfére citeľne stúpa podiel rozptýleného žiarenia na zložení celku.

Svetlo a teplo prijímané rastlinami zo Slnka je výsledkom pôsobenia celkového slnečného žiarenia. Preto sú pre poľnohospodárstvo veľmi dôležité údaje o množstve žiarenia prijatého povrchom za deň, mesiac, vegetačné obdobie a rok.

odrazené slnečné žiarenie. Albedo. Celkové žiarenie, ktoré sa dostalo na zemský povrch, čiastočne sa od neho odrazilo, vytvára odrazené slnečné žiarenie (RK), smerujúce od zemského povrchu do atmosféry. Hodnota odrazeného žiarenia do značnej miery závisí od vlastností a stavu odrážajúceho povrchu: farba, drsnosť, vlhkosť atď. Odrazivosť akéhokoľvek povrchu môže byť charakterizovaná jeho albedom (Ak), ktoré sa chápe ako pomer odrazeného slnečného žiarenia. celkom. Albedo sa zvyčajne vyjadruje v percentách:

Pozorovania ukazujú, že albedo rôznych povrchov sa pohybuje v relatívne úzkych medziach (10...30%), s výnimkou snehu a vody.

Albedo závisí od pôdnej vlhkosti, s nárastom ktorej klesá, čo je dôležité v procese zmeny tepelného režimu zavlažovaných polí. V dôsledku poklesu albeda, keď je pôda navlhčená, absorbované žiarenie sa zvyšuje. Albedo rôznych povrchov má zreteľné denné a ročné kolísanie v dôsledku závislosti albeda od výšky Slnka. Najnižšia hodnota albeda sa pozoruje okolo poludnia a počas roka - v lete.

Vlastné žiarenie Zeme a protižiarenie atmosféry. Efektívne žiarenie. Zemský povrch ako fyzické teleso s teplotou nad absolútnou nulou (-273°C) je zdrojom žiarenia, ktoré sa nazýva vlastné žiarenie Zeme (E3). Smeruje do atmosféry a je takmer úplne absorbovaný vodnými parami, kvapkami vody a oxidom uhličitým obsiahnutým vo vzduchu. Žiarenie Zeme závisí od teploty jej povrchu.

Atmosféra, pohlcujúca malé množstvo slnečného žiarenia a takmer všetku energiu vyžarovanú zemským povrchom, sa zahrieva a následne aj vyžaruje energiu. Asi 30 % atmosférického žiarenia ide do vesmíru a asi 70 % prichádza na povrch Zeme a nazýva sa protiatmosférické žiarenie (Ea).

Množstvo energie vyžarovanej atmosférou je priamo úmerné jej teplote, obsahu oxidu uhličitého, ozónu a oblačnosti.

Povrch Zeme absorbuje toto protižiarenie takmer úplne (o 90...99%). Je teda dôležitým zdrojom tepla pre zemský povrch popri absorbovanom slnečnom žiarení. Tento vplyv atmosféry na tepelný režim Zeme sa nazýva skleníkový alebo skleníkový efekt kvôli vonkajšej analógii s pôsobením skiel v skleníkoch a skleníkoch. Sklo dobre prepúšťa slnečné lúče, ktoré ohrievajú pôdu a rastliny, ale odďaľujú tepelné žiarenie zohriatej pôdy a rastlín.

Rozdiel medzi vlastným žiarením zemského povrchu a protižiarením atmosféry sa nazýva efektívne žiarenie: Eef.

Eef= E3-Ea

Za jasných a mierne zamračených nocí je efektívne žiarenie oveľa väčšie ako za zamračených nocí, preto je väčšie aj nočné ochladzovanie zemského povrchu. Cez deň ju pokrýva absorbované celkové žiarenie, v dôsledku čoho stúpa povrchová teplota. Zároveň sa zvyšuje aj účinné žiarenie. Zemský povrch v stredných zemepisných šírkach stráca efektívnym žiarením 70...140 W/m2, čo je asi polovica množstva tepla, ktoré prijíma absorpciou slnečného žiarenia.

3. Spektrálne zloženie žiarenia.

Slnko ako zdroj žiarenia má množstvo vyžarovaných vĺn. Toky žiarivej energie pozdĺž vlnovej dĺžky sú podmienene rozdelené na krátke vlny (X < 4 мкм) и длинноволновую (А. >4 µm) žiarenia. Spektrum slnečného žiarenia na hranici zemskej atmosféry je prakticky medzi vlnovými dĺžkami 0,17 až 4 mikróny a pozemské a atmosférické žiarenie - od 4 do 120 mikrónov. V dôsledku toho sa toky slnečného žiarenia (S, D, RK) vzťahujú na krátkovlnné žiarenie a žiarenie Zeme (3 £) a atmosféry (Ea) na dlhovlnné žiarenie.

Spektrum slnečného žiarenia možno rozdeliť do troch kvalitatívne odlišných častí: ultrafialové (Y< 0,40 мкм), ви­димую (0,40 мкм < Y < 0,75 um) a infračervené (0,76 um < Y < 4 um). Pred ultrafialovou časťou spektra slnečného žiarenia leží röntgenové žiarenie a za infračerveným - rádiové vyžarovanie Slnka. Na hornej hranici atmosféry predstavuje ultrafialová časť spektra asi 7 % energie slnečného žiarenia, 46 % viditeľného a 47 % infračerveného žiarenia.

Žiarenie vyžarované zemou a atmosférou sa nazýva tzv vzdialené infračervené žiarenie.

Biologický účinok rôznych druhov žiarenia na rastliny je rôzny. ultrafialové žiarenie spomaľuje rastové procesy, ale urýchľuje prechod štádií tvorby reprodukčných orgánov v rastlinách.

Hodnota infračerveného žiarenia, ktorý je aktívne absorbovaný vodou v listoch a stonkách rastlín, je jeho tepelný účinok, ktorý výrazne ovplyvňuje rast a vývoj rastlín.

vzdialené infračervené žiarenie má na rastliny iba tepelný účinok. Jeho vplyv na rast a vývoj rastlín je zanedbateľný.

Viditeľná časť slnečného spektra po prvé, vytvára osvetlenie. Po druhé, takzvané fyziologické žiarenie (A, = 0,35 ... 0,75 μm), ktoré je absorbované listovými pigmentmi, sa takmer zhoduje s oblasťou viditeľného žiarenia (čiastočne zachytáva oblasť ultrafialového žiarenia). Jeho energia má v živote rastlín dôležitý regulačný a energetický význam. V rámci tejto oblasti spektra sa rozlišuje oblasť fotosynteticky aktívneho žiarenia.

4. Absorpcia a rozptyl žiarenia v atmosfére.

Pri prechode zemskou atmosférou sa slnečné žiarenie tlmí v dôsledku absorpcie a rozptylu atmosférickými plynmi a aerosólmi. Zároveň sa mení aj jeho spektrálne zloženie. V rôznych výškach Slnka a rôznych výškach pozorovacieho bodu nad zemským povrchom nie je dĺžka dráhy, ktorú prejde slnečný lúč v atmosfére, rovnaká. S poklesom nadmorskej výšky ultrafialová časť žiarenia klesá obzvlášť výrazne, viditeľná časť klesá o niečo menej a len mierne infračervená časť.

K rozptylu žiarenia v atmosfére dochádza najmä v dôsledku neustáleho kolísania (kolísania) hustoty vzduchu v každom bode atmosféry, spôsobeného tvorbou a deštrukciou akýchsi „zhlukov“ (zhlukov) molekúl atmosférického plynu. Aerosólové častice tiež rozptyľujú slnečné žiarenie. Intenzitu rozptylu charakterizuje koeficient rozptylu.

K = pridať vzorec.

Intenzita rozptylu závisí od počtu rozptylujúcich častíc na jednotku objemu, od ich veľkosti a charakteru a tiež od vlnových dĺžok samotného rozptýleného žiarenia.

Lúče sa rozptyľujú tým silnejšie, čím je vlnová dĺžka kratšia. Napríklad fialové lúče sa rozptyľujú 14-krát viac ako červené, čo vysvetľuje modrú farbu oblohy. Ako je uvedené vyššie (pozri časť 2.2), priame slnečné žiarenie prechádzajúce atmosférou sa čiastočne rozptýli. V čistom a suchom vzduchu sa intenzita koeficientu molekulárneho rozptylu riadi Rayleighovým zákonom:

k= s/Y4 ,

kde C je koeficient závislý od počtu molekúl plynu na jednotku objemu; X je dĺžka rozptýlenej vlny.

Keďže vzdialené vlnové dĺžky červeného svetla sú takmer dvojnásobkom vlnových dĺžok fialového svetla, prvé z nich sú rozptýlené molekulami vzduchu 14-krát menej ako to druhé. Keďže počiatočná energia (pred rozptylom) fialových lúčov je menšia ako modrá a modrá, maximum energie v rozptýlenom svetle (rozptýlené slnečné žiarenie) je posunuté do modro-modrých lúčov, ktoré určuje modrú farbu oblohy. Difúzne žiarenie je teda bohatšie na fotosynteticky aktívne lúče ako priame žiarenie.

Vo vzduchu obsahujúcom nečistoty (malé kvapôčky vody, ľadové kryštály, prachové častice atď.) je rozptyl rovnaký pre všetky oblasti viditeľného žiarenia. Preto obloha získa belavý odtieň (objaví sa opar). Prvky oblakov (veľké kvapôčky a kryštály) slnečné lúče vôbec nerozptyľujú, ale difúzne odrážajú. Výsledkom je, že oblaky osvetlené Slnkom sú biele.

5. PAR (fotosynteticky aktívne žiarenie)

Fotosynteticky aktívne žiarenie. V procese fotosyntézy sa nevyužíva celé spektrum slnečného žiarenia, ale iba jeho

časť v rozsahu vlnových dĺžok 0,38 ... 0,71 mikrónov, - fotosynteticky aktívneho žiarenia (PAR).

Je známe, že viditeľné žiarenie, vnímané ľudským okom ako biele, pozostáva z farebných lúčov: červenej, oranžovej, žltej, zelenej, modrej, indigovej a fialovej.

Asimilácia energie slnečného žiarenia listami rastlín je selektívna (selektívna). Najintenzívnejšie listy absorbujú modrofialové (X = 0,48 ... 0,40 mikrónov) a oranžovo-červené (X = 0,68 mikrónov) lúče, menej žltozelené (A. = 0,58 ... 0,50 mikrónov) a výrazne červené (A .\u003e 0,69 mikrónov) lúče.

Pri zemskom povrchu dopadá maximum energie v spektre priameho slnečného žiarenia, keď je Slnko vysoko, do oblasti žltozelených lúčov (disk Slnka je žltý). Keď je Slnko blízko horizontu, najvzdialenejšie červené lúče majú maximálnu energiu (slnečný kotúč je červený). Preto sa energia priameho slnečného žiarenia málo podieľa na procese fotosyntézy.

Keďže PAR je jedným z najdôležitejších faktorov produktivity poľnohospodárskych rastlín, informácie o množstve prichádzajúcich PAR, berúc do úvahy jej rozloženie na území a v čase, majú veľký praktický význam.

Intenzitu PAR možno merať, ale to si vyžaduje špeciálne svetelné filtre, ktoré prepúšťajú iba vlny v rozsahu 0,38 ... 0,71 mikrónov. Také zariadenia existujú, ale nepoužívajú sa na sieti aktinometrických staníc, ale merajú intenzitu integrálneho spektra slnečného žiarenia. Hodnotu PAR možno vypočítať z údajov o príchode priameho, difúzneho alebo celkového žiarenia pomocou koeficientov navrhnutých H. G. Toomingom a:

Qfar = 0,43 S"+0,57 D);

boli vypracované distribučné mapy mesačných a ročných čiastok Ďaleka na území Ruska.

Na charakterizáciu stupňa využitia PAR plodinami sa používa účinnosť PAR:

KPIfar = (súčetQ/ svetlomety/sumaQ/ svetlomety) 100%,

kde súčetQ/ svetlomety- množstvo PAR vynaložené na fotosyntézu počas vegetačného obdobia rastlín; súčetQ/ svetlomety- množstvo PAR prijaté za plodiny počas tohto obdobia;

Plodiny podľa ich priemerných hodnôt CPIF sú rozdelené do skupín (podľa): zvyčajne pozorované - 0,5 ... 1,5%; dobrý-1,5...3,0; záznam - 3,5...5,0; teoreticky možné - 6,0 ... 8,0%.

6. ŽIAROVÁ ROVNOVÁHA ZEMESKÉHO POVRCHU

Rozdiel medzi prichádzajúcimi a odchádzajúcimi tokmi žiarivej energie sa nazýva radiačná bilancia zemského povrchu (B).

Vstupnú časť radiačnej bilancie zemského povrchu počas dňa tvorí priame slnečné a difúzne žiarenie, ako aj atmosférické žiarenie. Výdajovou časťou bilancie je žiarenie zemského povrchu a odrazené slnečné žiarenie:

B= S / + D+ Ea-E3-Rk

Rovnicu možno napísať aj v inom tvare: B = Q- RK - Eef.

Pre nočný čas má rovnica radiačnej bilancie nasledujúci tvar:

B \u003d Ea - E3 alebo B \u003d -Eef.

Ak je vstup žiarenia väčší ako výstup, potom je bilancia žiarenia kladná a aktívny povrch* sa zahrieva. Pri negatívnom zostatku sa ochladzuje. V lete je radiačná bilancia cez deň pozitívna a v noci negatívna. Prechod nulou nastáva ráno približne 1 hodinu po východe slnka a večer 1-2 hodiny pred západom slnka.

Ročná radiačná bilancia v oblastiach, kde je stabilná snehová pokrývka, má záporné hodnoty v chladnom období a kladné hodnoty v teplom období.

Radiačná bilancia zemského povrchu výrazne ovplyvňuje rozloženie teploty v pôde a povrchovej vrstve atmosféry, ako aj procesy vyparovania a topenia snehu, tvorbu hmly a námrazy, zmeny vlastností vzdušných hmôt (ich transformácia).

Znalosť radiačného režimu poľnohospodárskej pôdy umožňuje vypočítať množstvo žiarenia absorbovaného plodinami a pôdou v závislosti od výšky Slnka, štruktúry plodín a fázy vývoja rastlín. Údaje o režime sú potrebné aj na hodnotenie rôznych metód regulácie teploty a vlhkosti pôdy, výparu, od ktorých závisí rast a vývoj rastlín, tvorba úrody, jej množstvo a kvalita.

Efektívnymi agrotechnickými metódami ovplyvňovania radiácie a následne tepelného režimu aktívnej plochy je mulčovanie (pokrytie pôdy tenkou vrstvou rašelinovej drte, hnilého hnoja, pilín a pod.), zakrytie pôdy plastovým obalom a závlaha. . To všetko mení reflexnú a absorpčnú schopnosť aktívneho povrchu.

* Aktívny povrch - povrch pôdy, vody alebo vegetácie, ktorý priamo absorbuje slnečné a atmosférické žiarenie a vyžaruje žiarenie do atmosféry, čím reguluje tepelný režim priľahlých vrstiev vzduchu a podložných vrstiev pôdy, vody, vegetácie.