Прямая, рассеянная и суммарная радиация. Полякова Л.С., Кашарин Д.В

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 1), 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 2 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

1 1 кал=4,19 Дж, 1 ккал=41,9 МДж.

2 Полуденная высота Солнца зависит от географиче­ской широты и склонения Солнца.

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, т - 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 (5,). Она вычисляется по формуле S 1 =S·sin h ☼ (Дж, или кал/см 2 , в мин), где h ☼ - высота Солнца 2 . 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 Солн-

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

ца над горизонтом, от прозрачности воздуха и облачности.

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 пред-полуденные 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 абсолют-Рис. 23. Годовое количество суммарной солнечной ради­ации [МДж/(м 2 xгод)]

ная 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 ·sinh ¤ +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.

Главная закономерность заключается в том, что суммарная радиация распределяется зонально, убывая от экваториально-тропи-

ческих 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.

Количество поступающей к земной поверхности прямой солнечной радиации (S) в условиях безоблачного неба зависит от высоты солнца и прозрачности . В таблице для трех широтных зон приведено распределении месячных сумм прямой радиации при безоблачном небе (возможных сумм) в виде осредненных значений для центральных месяцев сезонов и года.

Повышенный приход прямой радиации в Азиатской части обусловлен более высокой прозрачностью атмосферы в этом регионе. Высокие значения прямой радиации летом в северных районах России объясняются сочетанием высокой прозрачности атмосферы и большой продолжительностью дня

Снижает приход прямой радиации и может существенно изменить ее суточный и годовой ход. Однако при средних условиях облачности астрономический фактор является преобладающим и, следовательно, максимум прямой радиации наблюдается при наибольшей высоте солнца.

В большей части континентальных районов России в весенне-летние месяцы прямая радиация в дополуденные часы больше, чем в послеполуденные. Это связано с развитием конвективной облачности в послеполуденные часы и с уменьшением прозрачности атмосферы в это время суток по сравнению с утренними часами. Зимой соотношение до- и послеполуденных значений радиации обратное - дополуденные значения прямой радиации меньше в связи с утренним максимумом облачности и уменьшением ее во вторую половину дня. Разница между до- и послеполуденными значениями прямой радиации может достигать 25–35%.

В годовом ходе максимум прямой радиации приходится на июнь-июль за исключением районов Дальнего Востока, где происходит его смещение на май, а на юге Приморья в сентябре отмечается вторичный максимум.
Максимальная месячная сумма прямой радиации составляет на территории России 45–65% от возможной при безоблачном небе и даже на юге Европейской части она достигает лишь 70%. Минимальные значения отмечаются в декабре и январе.

Вклад прямой радиации в суммарный приход при действительных условиях облачности достигает максимума в летние месяцы и составляет в среднем 50–60%. Исключением является Приморский край, где наибольший вклад прямой радиации приходится на осенние и зимние месяцы.

Распределение прямой радиации при средних (действительных) условиях облачности по территории России в значительной степени зависит от . Это приводит к заметному нарушению зонального распределения радиации в отдельные месяцы. Особенно это проявляется в весенний период. Так, в апреле отмечается два максимума - один в южных районах

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

Общее представление

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

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

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

О терминах

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

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

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

Как и что?

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

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

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

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

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

А если поподробнее?

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

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

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

Инфракрасные волны

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

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

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

Это любопытно

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

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

Видимый свет

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

• преломление;
• отражение;
• поглощение.

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

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

Ультрафиолет

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

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

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

Обратная сторона медали

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

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

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

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

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

Как загорать правильно?

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

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

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

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

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

Суммарная радиация: где недостача?

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

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

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

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

Суммарная радиация: важные аспекты

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

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

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

Любопытно знать

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

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

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

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

Радиация в космосе

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

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

Солнечная радиация (солнечное излучение) – это вся совокупность солнечной материи и энергии, поступающей на Землю. Солнечная радиация состоит из следующих двух основных частей: во-первых, тепловой и световой радиации, представляющей собой совокупность электромагнитных волн; во-вторых, корпускулярной радиации.

На Солнце тепловая энергия ядерных реакций переходит в лучистую энергию. При падении солнечных лучей на земную поверхность лучистая энергия снова превращается в тепловую энергию. Солнечная радиация, таким образом, несет свет и тепло.

Интенсивность солнечной радиации. Солнечная постоянная. Солнечная радиация – это важнейший источник тепла для географической оболочки. Вторым источником тепла для географической оболочки является тепло, идущее от внутренних сфер и слоев нашей планеты.

В связи с тем, что в географической оболочке один вид энергии (лучистая энергия ) эквивалентно переходит в другой вид (тепловая энергия ), то лучистую энергию солнечной радиации можно выражать в единицах тепловой энергии – джоулях (Дж).

Интенсивность солнечной радиации необходимо измерять в первую очередь за пределами атмосферы, т. к. при прохождении через воздушную сферу она преобразуется и ослабевает. Интенсивность солнечной радиации выражается солнечной постоянной.

Солнечная постоянная – это поток солнечной энергии за 1 минуту на площадь сечением в 1 см 2 , перпендикулярную солнечным лучам и расположенную вне атмосферы. Солнечная постоянная может быть также определена как количество тепла, которое получает в 1 минуту на верхней границе атмосферы 1 см 2 черной поверхности, перпендикулярной солнечным лучам.

Солнечная постоянная равна 1, 98 кал / (см 2 х мин), или 1, 352 кВт/ м 2 х мин .

Поскольку верхняя атмосфера поглощает значительную часть радиации, то важно знать величину ее на верхней границе географической оболочки, т. е. в нижней стратосфере. Солнечная радиация на верхней границе географической оболочки выражается условной солнечной постоянной . Величина условной солнечной постоянной равна 1, 90 – 1, 92 кал / (см 2 х мин), или 1,32 – 1, 34 кВт / (м 2 х мин).

Солнечная постоянная, вопреки своему названию, не остается постоянной. Она изменяется в связи с изменением расстояния от Солнца до Земли в процессе движения Земли по орбите. Как бы ни были малы эти колебания, они всегда сказываются на погоде и климате.

В среднем каждый квадратный километр тропосферы получает в год 10,8 х 10 15 Дж. (2,6 х 10 15 кал). Такое количество тепла может быть получено при сжигании 400 000 т каменного угля. Вся Земля за год получает такое количество тепла, которое определяется величиной 5, 74 х 10 24 Дж. (1, 37 х 10 24 кал).

Распределение солнечной радиации «на верхней границе атмосферы» или при абсолютно прозрачной атмосфере. Знание распределения солнечной радиации до ее вступления в атмосферу, или так называемого солярного (солнечного) климата , важно для определения роли и доли участия самой воздушной оболочки Земли (атмосферы) в распределении тепла по земной поверхности и в формировании ее теплового режима.

Количество солнечного тепла и света, поступающее на единицу площади, определяется, во-первых, углом падения лучей, зависящим от высоты Солнца над горизонтом, во-вторых, продолжительностью дня.

Распределение радиации у верхней границы географической оболочки, обусловленное только астрономическими факторами, более равномерно, чем ее реальное распределение у земной поверхности.

При условии отсутствия атмосферы годовая сумма радиации в экваториальных широтах составляла бы 13 480 МДж/см 2 (322 ккал/см 2), а на полюсах 5 560 МДж/м 2 (133 ккал/см 2). В полярные широты Солнце посылает тепла немного меньше половины (около 42 %) того количества, которое поступает на экватор.

Казалось бы, солнечное облучение Земли симметрично относительно плоскости экватора. Но это происходит только два раза в год, в дни весеннего и осеннего равноденствия. Наклон оси вращения и годовое движение Земли обусловливают ассиметричное ее облучение Солнцем. В январскую часть года больше тепла получает южное полушарие, в июльскую – северное. Именно в этом заключается главная причина сезонной ритмики в географической оболочке.

Разница между экватором и полюсом летнего полушария невелика: на экватор поступает 6 740 МДж/м 2 (161 ккал/см 2), а на полюс около 5 560 МДж/м 2 (133 ккал/см 2 в полугодие). Зато полярные страны зимнего полушария в это же время вовсе лишены солнечного тепла и света.

В день солнцестояния полюс получает тепла даже больше, чем экватор - 46,0 МДж/м 2 (1,1 ккал/см 2) и 33.9 МДж/м 2 (0,81 ккал/см 2).

В целом солярный климат на полюсах в годовом выводе в 2,4 раза холоднее, чем на экваторе. Однако надо иметь в виду, что зимой полюсы вообще не нагреваются Солнцем.

Реальный климат всех широт во многом обязан земным факторам. Важнейшими из этих факторов являются: во-первых, ослабление радиации в атмосфере, во-вторых, разная интенсивность усвоения солнечной радиации земной поверхностью в различных географических условиях.

Изменение солнечной радиации при прохождении через атмосферу. Прямые солнечные лучи, пронизывающие атмосферу при безоблачном небе, называются прямой солнечной радиацией . Максимальная ее величина при высокой прозрачности атмосферы на перпендикулярной лучам поверхности в тропическом поясе равна около 1,05 – 1, 19 кВт/м 2 (1,5 – 1,7 кал/см 2 х мин. В средних широтах напряжение полуденной радиации обычно составляет около 0,70 – 0,98 кВт /м 2 х мин (1,0 – 1,4 кал/см 2 х мин). В горах эта величина существенно увеличивается.

Часть солнечных лучей от соприкосновения с молекулами газов и аэрозолями рассеивается и переходит в рассеянную радиацию . На земную поверхность рассеянная радиация поступает уже не от солнечного диска, а от всего небосвода и создает повсеместную дневную освещенность. От нее в солнечные дни светло и там, куда не проникают прямые лучи, например под пологом леса. Наряду с прямой радиацией рассеянная радиация также служит источником тепла и света.

Абсолютная величина рассеянной радиации тем больше, чем интенсивнее прямая. Относительное значение рассеянной радиации возрастает с уменьшением роли прямой: в средних широтах летом она составляет 41%, а зимой 73% общего прихода радиации. Удельный вес рассеянной радиации в общей величине суммарной радиации зависит и от высоты Солнца. В высоких широтах на рассеянную радиацию приходится около 30%, а в полярных - примерно 70% от всей радиации.

В целом же на рассеянную радиацию приходится около 25 % всего потока солнечных лучей, приходящих на нашу планету.

На земную поверхность, таким образом, поступает прямая и рассеянная радиация. В совокупности прямая и рассеянная радиация образуют суммарную радиацию , которая определяет тепловой режим тропосферы .

Поглощая и рассеивая радиацию, атмосфера значительно ее ослабляет. Величина ослабления зависит от коэффициента прозрачности, показывающего, какая доля радиации доходит до земной поверхности. Если бы тропосфера состояла только из газов, то коэффициент прозрачности был бы равен 0,9, т. е. она пропускала бы около 90% идущей к Земле радиации. Однако в воздухе всегда присутствуют аэрозоли, снижающие коэффициент прозрачности до 0,7 – 0,8. Прозрачность атмосферы изменяется вместе с изменением погоды.

Так как плотность воздуха падает с высотой, то слой газа, пронизываемого лучами, не следует выражать в км толщины атмосферы. В качестве единицы измерения принята оптическая масса, равная мощности слоя воздуха при вертикальном падении лучей.

Ослабление радиации в тропосфере легко наблюдать в течение суток. Когда Солнце находится около горизонта, то его лучи пронизывают несколько оптических масс. Их интенсивность при этом так ослабевает, что на Солнце можно смотреть незащищенным глазом. С поднятием Солнца уменьшается число оптических масс, которые проходят его лучи, что приводит к увеличению радиации.

Степень ослабления солнечной радиации в атмосфере выражается формулой Ламберта :

I i = I 0 p m , где

I i – радиация, достигшая земной поверхности,

I 0 – солнечная постоянная,

p – коэффициент прозрачности,

m – число оптических масс.

Солнечная радиация у земной поверхности. Количество лучистой энергии, приходящее на единицу земной поверхности, зависит, прежде всего, от угла падения солнечных лучей. На одинаковые площади на экваторе, в средних и высоких широтах приходится различное количество радиации.

Солнечная инсоляция (освещение) сильно ослабляется облачностью. Большая облачность экваториальных и умеренных широт и малая облачность тропических широт вносят значительные коррективы в зональное распределение лучистой энергии Солнца.

Распределение солнечного тепла по земной поверхности изображается на картах суммарной солнечной радиации. Как показывают эти карты, наибольшее количество солнечного тепла – от 7 530 до 9 200 МДж/м 2 (180-220 ккал/см 2) получают тропические широты. Экваториальные широты из-за большой облачности получают тепла несколько меньше: 4 185 – 5 860 МДж/м 2 (100-140 ккал/см 2).

От тропических широт к умеренным радиация уменьшается. На островах Арктики она составляет не более 2 510 МДж/м 2 (60 ккал/см 2) в год. Распределение радиации по земной поверхности имеет зонально-региональный характер. Каждая зона распадается на отдельные районы (регионы), несколько отличающиеся друг от друга.

Сезонные колебания суммарной радиации.

В экваториальных и тропических широтах высота Солнца и угол падения солнечных лучей по месяцам изменяются незначительно. Суммарная радиация во все месяцы характеризуется большими величинами, сезонная смена тепловых условий или отсутствует, или весьма незначительна. В экваториальном поясе слабо намечаются два максимума, соответствующие зенитальному положению Солнца.

В умеренном поясе в годовом ходе радиации резко выражен летний максимум, в котором месячная величина суммарной радиации не меньше тропической. Число теплых месяцев уменьшается с широтой.

В полярных поясах радиационный режим резко изменяется. Здесь в зависимости от широты от нескольких суток до нескольких месяцев прекращается не только нагревание, но и освещение. Летом же освещение здесь непрерывно, что существенно повышает сумму месячной радиации.

Усвоение радиации земной поверхностью. Альбедо . Суммарная радиация, достигшая земной поверхности, частично поглощается почвой и водоемами и переходит в тепло. На океанах и морях суммарная радиация расходуется на испарение. Часть суммарной радиации отражается в атмосферу (отраженная радиация).

Предыдущая статья: Чему равна скорость света Следующая статья: Гармонические колебания Физика формула частоты колебаний