От чего зависит количество солнечной радиации. Суммарная солнечная радиация

Яркое светило припекает нас горячими лучами и заставляет задуматься о значении радиации в нашей жизни, ее пользе и вреде. Что же такое солнечная радиация? Урок школьной физики предлагает нам для начала ознакомиться с понятием электромагнитной радиации в целом. Этим термином обозначают еще одну форму материи - отличную от вещества. Сюда относится и видимый свет, и спектр, не воспринимаемый глазом. То есть рентгеновские лучи, гамма-лучи, ультрафиолетовые и инфракрасные.

Электромагнитные волны

При наличии источника-излучателя радиации ее электромагнитные волны распространяются во всех направлениях со скоростью света. Эти волны, как любые другие, имеют определенные характеристики. К ним относятся частота колебаний и длина волны. Свойством испускать радиацию обладают любые тела, чья температура отличается от абсолютного нуля.

Солнце - основной и мощнейший источник радиации вблизи нашей планеты. В свою очередь, Земля (ее атмосфера и поверхность) и сама излучает радиацию, но в другом диапазоне. Наблюдение за температурными условиями на планете в течение длительных промежутков времени породило гипотезу о равновесии количества тепла, получаемого от Солнца и отдаваемого в космическое пространство.

Радиация солнца: спектральный состав

Абсолютное большинство (около 99%) солнечной энергии в спектре лежит в интервале длин волн от 0,1 до 4 мкм. Оставшийся 1% - лучи большей и меньшей длины, включая радиоволны и рентгеновское излучение. Около половины лучистой энергии солнца приходится на тот спектр, который мы воспринимаем взглядом, примерно 44% - на инфракрасное излучение, 9% - на ультрафиолетовое. Откуда нам известно, как делится солнечная радиация? Расчет ее распределения возможен благодаря исследованиям с космических спутников.

Есть вещества, способные приходить в особое состояние и излучать дополнительную радиацию другого волнового диапазона. К примеру, встречается свечение при низких температурах, не характерных для испускания света данным веществом. Данный вид радиации, получивший название люминесцентной, не поддается обычным принципам теплового излучения.

Явление люминесценции происходит после поглощения веществом некоторого количества энергии и перехода в другое состояние (т. н. возбужденное), более энергетически высокое, чем при собственной температуре вещества. Люминесценция появляется при обратном переходе - из возбужденного в привычное состояние. В природе мы можем наблюдать ее в виде ночных свечений неба и полярного сияния.

Наше светило

Энергия солнечных лучей - почти единственный источник тепла для нашей планеты. Собственная радиация, идущая из ее глубин к поверхности, имеет интенсивность, меньшую примерно в 5 тысяч раз. При этом видимый свет - один из важнейших факторов жизни на планете - лишь часть солнечной радиации.

Энергия солнечных лучей переходит в тепло меньшей частью - в атмосфере, большей - на поверхности Земли. Там она расходуется на нагревание воды и почвы (верхних слоев), которые затем отдают тепло воздуху. Будучи нагретыми, атмосфера и земная поверхность, в свою очередь, испускают инфракрасные лучи в космос, при этом охлаждаясь.

Солнечная радиация: определение

Ту радиацию, которая идет к поверхности нашей планеты непосредственно от солнечного диска, принято именовать прямой солнечной радиацией. Солнце распространяет ее во всех направлениях. С учетом огромного расстояния от Земли до Солнца, прямая солнечная радиация в любой точке земной поверхности может быть представлена как пучок параллельных лучей, источник которых - практически в бесконечности. Площадь, расположенная перпендикулярно лучам солнечного света, получает, таким образом, ее наибольшее количество.

Плотность потока радиации (или энергетическая освещенность) служит мерой ее количества, падающего на определенную поверхность. Это объем лучистой энергии, попадающей в единицу времени на единицу площади. Измеряется данная величина - энергетическая освещенность - в Вт/м 2 . Наша Земля, как всем известно, обращается вокруг Солнца по эллипсоидной орбите. Солнце находится в одном из фокусов данного эллипса. Поэтому ежегодно в определенное время (в начале января) Земля занимает положение ближе всего к Солнцу и в другое (в начале июля) - дальше всего от него. При этом величина энергетической освещенности меняется в обратной пропорции относительно квадрата расстояния до светила.

Куда девается дошедшая до Земли солнечная радиация? Виды ее определяются множеством факторов. В зависимости от географической широты, влажности, облачности, часть ее рассеивается в атмосфере, часть поглощается, но большинство все же достигает поверхности планеты. При этом незначительное количество отражается, а основное - поглощается земной поверхностью, под действием чего та подвергается нагреванию. Рассеянная же солнечная радиация частично также попадает на земную поверхность, частично ею поглощается и частично отражается. Остаток ее уходит в космическое пространство.

Как происходит распределение

Однородна ли солнечная радиация? Виды ее после всех "потерь" в атмосфере могут различаться по своему спектральному составу. Ведь лучи с различными длинами и рассеиваются, и поглощаются по-разному. В среднем атмосферой поглощается около 23% ее первоначального количества. Примерно 26% всего потока превращается в рассеянную радиацию, 2/3 которой попадает затем на Землю. В сущности, это уже другой вид радиации, отличный от первоначального. Рассеянная радиация посылается на Землю не диском Солнца, а небесным сводом. Она имеет другой спектральный состав.

Поглощает радиацию главным образом озон - видимый спектр, и ультрафиолетовые лучи. Излучение инфракрасного диапазона поглощается углекислым газом (диоксидом углерода), которого, кстати, в атмосфере очень немного.

Рассеяние радиации, ослабляющее ее, происходит для любых длин волн спектра. В процессе его частицы, попадая под электромагнитное воздействие, перераспределяют энергию падающей волны во всех направлениях. То есть частицы служат точечными источниками энергии.

Дневной свет

Вследствие рассеяния свет, идущий от солнца, при прохождении слоев атмосфер изменяет цвет. Практическое значение рассеяния - в создании дневного света. Если бы Земля была лишена атмосферы, освещение существовало бы лишь в местах попадания прямых или отраженных поверхностью лучей солнца. То есть атмосфера - источник освещения днем. Благодаря ей светло и в местах, недоступных прямым лучам, и тогда, когда солнце скрывается за тучами. Именно рассеяние придает воздуху цвет - мы видим небо голубым.

А от чего зависит солнечная радиация еще? Не следует сбрасывать со счетов и фактор мутности. Ведь ослабление радиации происходит двумя путями - собственно атмосферой и водяным паром, а также различными примесями. Уровень запыленности возрастает летом (как и содержание в атмосфере водяного пара).

Суммарная радиация

Под ней подразумевается общее количество радиации, падающей на земную поверхность, - и прямой, и рассеянной. Суммарная солнечная радиация уменьшается при облачной погоде.

По этой причине летом суммарная радиация в среднем выше до полудня, чем после него. А в первом полугодии - больше, чем во втором.

Что происходит с суммарной радиацией на земной поверхности? Попадая туда, она в большинстве своем поглощается верхним слоем почвы или воды и превращается в тепло, часть ее при этом отражается. Степень отражения зависит от характера земной поверхности. Показатель, выражающий процентное отношение отраженной солнечной радиации к общему ее количеству, попадающему на поверхность, именуют альбедо поверхности.

Под понятием собственного излучения земной поверхности понимают длинноволновую радиацию, излучаемую растительностью, снежным покровом, верхними слоями воды и почвы. Радиационным балансом поверхности именуют разность между ее поглощенным количеством и излучаемым.

Эффективное излучение

Доказано, что встречное излучение практически всегда меньше, чем земное. Из-за этого поверхность земли несет тепловые потери. Разность величин собственного излучения поверхности и атмосферного получило название эффективного излучения. Это фактически чистая потеря энергии и как результат - тепла ночью.

Существует оно и в дневные часы. Но в течение дня частично компенсируется или даже перекрывается поглощенной радиацией. Поэтому поверхность земли теплее днем, чем ночью.

О географическом распределении радиации

Солнечная радиация на Земле в течение года распределяется неравномерно. Ее распределение несет зональный характер, причем изолинии (соединяющие точки одинаковых значений) радиационного потока вовсе не идентичны широтным кругам. Такое несоответствие вызвано различными уровнями облачности и прозрачности атмосферы в разных районах Земного шара.

Наибольшее значение суммарная солнечная радиация в течение года имеет в субтропических пустынях с малооблачной атмосферой. Гораздо меньше оно в лесных областях экваториального пояса. Причина этого - повышенная облачность. По направлению к обоим полюсам этот показатель убывает. Но в районе полюсов возрастает заново - в северном полушарии меньше, в районе снежной и малооблачной Антарктиды - больше. Над поверхностью океанов в среднем солнечная радиация меньше, чем над материками.

Почти повсюду на Земле поверхность имеет положительный радиационный баланс, то есть за одно и то же время приток радиации больше эффективного излучения. Исключение составляют области Антарктиды и Гренландии с их ледяными плато.

Грозит ли нам глобальное потепление?

Но вышесказанное не означает ежегодного потепления земной поверхности. Излишек поглощенной радиации компенсируется утечкой тепла с поверхности в атмосферу, что происходит при изменениях фазы воды (испарении, конденсации в виде облаков).

Таким образом, радиационного равновесия как такового на поверхности Земли не существует. Зато имеет место тепловое равновесие - поступление и убыль тепла уравновешивается разными путями, в том числе радиационным.

Распределение баланса по карте

В одних и тех же широтах Земного шара радиационный баланс больше на поверхности океана, чем над сушей. Объяснить это можно тем, что слой, поглощающий радиацию, в океанах имеет большую толщину, в то же время эффективное излучение там меньше из-за холода морской поверхности по сравнению с сушей.

Значительные колебания амплитуды распределения его наблюдаются в пустынях. Баланс там ниже из-за высокого эффективного излучения в условиях сухого воздуха и малой облачности. В меньшей степени он понижен в районах муссонного климата. В теплый сезон облачность там повышена, а поглощенная солнечная радиация меньше, чем в других районах той же широты.

Конечно же, главный фактор, от которого зависит среднегодовое солнечное излучение, это широта того или иного района. Рекордные "порции" ультрафиолета достаются странам, расположенным вблизи экватора. Это Северо-Восточная Африка, ее восточное побережье, Аравийский полуостров, север и запад Австралии, часть островов Индонезии, западная часть побережья Южной Америки.

В Европе самую большую дозу как света, так и радиации принимают на себя Турция, юг Испании, Сицилия, Сардиния, острова Греции, побережье Франции (южная часть), а также часть областей Италии, Кипр и Крит.

А как у нас?

Солнечная суммарная радиация в России распределена, на первый взгляд, неожиданно. На территории нашей страны, как ни странно, вовсе не черноморские курорты держат пальму первенства. Самые большие дозы солнечного излучения приходятся на территории, пограничные с Китаем, и Северную Землю. В целом солнечная радиация в России особой интенсивностью не отличается, что вполне объясняется нашим северным географическим положением. Минимальное количество солнечного света достается северо-западному региону - Санкт-Петербургу вместе с прилегающими районами.

Солнечная радиация в России уступает показателям Украины. Там больше всего ультрафиолета достается Крыму и территориям за Дунаем, на втором месте - Карпаты с южными областями Украины.

Суммарная (к ней относится и прямая, и рассеянная) солнечная радиация, попадающая на горизонтальную поверхность, приводится по месяцам в специально разработанных таблицах для разных территорий и измеряется в МДж/м 2 . Например, солнечная радиация в Москве имеет показатели от 31-58 в зимние месяцы до 568-615 летом.

О солнечной инсоляции

Инсоляция, или объем полезного излучения, падающего на освещаемую солнцем поверхность, значительно варьируется в разных географических точках. Годовая инсоляция рассчитывается на один квадратный метр в мегаваттах. Например, в Москве эта величина - 1,01, в Архангельске - 0,85, в Астрахани - 1,38 МВт.

При определении ее нужно учитывать такие факторы, как время года (зимой ниже освещенность и долгота дня), характер местности (горы могут загораживать солнце), характерные для данной местности погодные условия - туман, частые дожди и облачность. Световоспринимающая плоскость может быть ориентирована вертикально, горизонтально или под наклоном. Количество инсоляции, как и распределение солнечной радиации в России, представляет собой данные, сгруппированные в таблицу по городам и областям с указанием географической широты.

ЗАДАЧА-ВИЭ

Как определяется полное количество энергии, излучаемое 1 м 2 поверхности в 1 сек.ОТВЕТКак определяется полное количество энергии, излучаемое 1 м 2 поверхности в 1 сек Е (Т) = аТ 4

где а = 5,67·10 -8 Вт/(м 2 К 4), Т - абсолютная температура абсолютно черного тела по шкале Кельвина.Эта закономерность называется законом излучения Стефана-Болъцмана.Она была установлена еще в прошлом веке на основе многочисленных экспериментальных наблюдений и Стефаном, теоретически обоснована Л. Больцманом, исходя из классических законов термодинамики и электродинамики равновесного излучения, а впоследствии, в начале нашего столетия было выяснено, что эта закономерность вытекает из квантового закона распределения энергии в спектре равновесного излучения, выведенного М. Планком.

Расчетная методика для определения длина волны λ m , на которую приходится максимум энергии излучения абсолютно черного телаСогласно закону смещения Вина, длина волны λ m , на которую приходится максимум энергии излучения абсолютно черного тела, обратно пропорциональна абсолютной температуре T :

Закон распределения спектральной мощности излучения абсолютно черным телом был ус­тановлен Планком, называется он поэтому законом излучения Планка. Этот закон устанавливает,что мощность излучения в единичном интервале длин волн определяется температурой Т абсолютно черного тела: Причем, Вывод этой формулы помимо предположения о термодинамической равновесности излучения основывается на квантовой его природе, т. е. энергия излучения суммируется из энергии отдельных квантов с энергией Е ч =hv. Заметим, что представляет полную энергию, излучаемую единицей поверхности абсолютно черного тела в телесный угол 2π за 1 сек, во всем интервале частот, и она совпадает с закономерностью Стефана-Больцмана

Расчетная методика для определения оптическую массу пройденное прямыми солнечными лучами через атмосферуРасстояние , пройденное прямыми солнечными лучами через атмосферу, зависит от угла падения (зенитного угла) и высоты расположения наблюдателя над уровнем моря.Мы предполагаем наличие ясного неба без облаков, пыли или загрязнений воздуха. Так как верхняя граница атмосферы точно не определена, более важным фактором, чем пройденное расстояние, является взаимодействие излучения с атмосферными газами и парами.Прямой поток, нормально проходящий сквозь атмосферу при нормальном давлении, взаимодействует с определенной массой воздуха. Увеличение длины пути при наклонном падении луча.

Прямой поток, нормально проходящий сквозь атмосферу при нормальном давлении, взаимодействует с определенной массой воздуха. Увеличение длины пути при наклонном падении луча.

Оптическая масса m = secθ z :1-длина пробега, увеличеннаяна коэффициент т ; 2-нормальное падениеПод углом θ z , по сравнению с путем при нормальном падении, называется оптической массой и обозначается символом т. Из рисунка без учета кривизны земной поверхности получаем m=secθ z .

Расчетная методика для определенияинтенсивность космического солнечного излучения (солнечная постоянная) S o , полученная от СолнцаЕсли радиус Земли R, а интенсивность космического солнечного излучения (солнечная постоянная) S o , то полученная от Солнца энергия составляет πR 2 (1 - ρ 0)So. Эта энергия равна энергии, излучаемой в космическое пространство Землей с излучательной способностью ε = 1 и средней температурой Т е , Следовательно .

Спектральное распределение длинноволнового излучения поверхности Земли, наблюдаемого из космоса, примерно соответствует спектральному распределению абсолютно черного тела при температуре 250 К.Излучение атмосферы распространяется как к поверхности Земли, так и в противоположном направлении. Эффективная температура черного тела Земли как излучателя эквивалентна температуре, с которой излучают внешние слои атмосферы, а не поверхность Земли.

Расчетная методика для определенияпоток и плотности лучистой энергии солнцаВ метеорологии потоки лучистой энергии подразделяются на коротковолновую радиацию с длинами волн от 0,2 до 5,0 мкм и длинноволновую радиацию с длинами волн от 5,0 до 100 мкм. Потоки коротковолновой солнечной радиации подразделяются на:- прямые;

- рассеянные(диффузнные);- суммарные.Солнечной энергией W- называют энергию, переносимую электромагнитными волнами.Единицей энергии излучения W в международной системе единиц СИ является 1 джоуль.Лучистый поток Ф э - который определяется формулой: Ф э =W/t,

где W - энергия излучения за время t.

Полагая W=1 Дж, t=1 с, получим: 1 СИ (Ф э)=1 Дж/1 сек=1 Вт.Плотность лучистого потока излучения (поток радиации I) который определяется формулой:где Ф э - поток излучения, равномерно падающий на поверхность S.

Полагая Ф э =1 Вт, S=1 м 2 , находим: 1 СИ (Е э)=1 Вт/ 1 м 2 =1 Вт/м 2 .

Расчетная формула прямая и суммарная солнечная радиация

Прямая солнечная радиация-I п представляет собой поток излучения, поступающего от солнечного диска и измеряемого в плоскости, перпендикулярной солнечным лучам. Прямая радиация, приходящая на горизонтальную поверхность (S "), вычисляется по формуле:

S " = I п sin h, где h - высота солнца над горизонтом. Для измерения прямой солнечной радиации используется актинометр Савинова-Янишевского.Рассеянной солнечной радиацией (D)- называется радиация, поступающая на горизонтальную поверхность от всех точек небесного свода, за исключением диска Солнца и околосолнечной зоны радиусом 5 0 , в результате рассеяния солнечной радиации молекулами атмосферных газов, водяными каплями или ледяными кристаллами облаков и твердыми частицами, взвешенными в атмосфере. Суммарная солнечная радиация Q- включает излучение, падающее на горизонтальную плоскость, двух видов: прямое и диффузное. Q = S " + D (4.7)Дошедшая до земной поверхности суммарная радиация в большей своей части поглощается в верхнем, тонком слое почвы или воды и переходит в тепло, а частично отражается.

Определите основных точек небесной сферыНебесная сфера – это воображаемая сфера произвольного радиуса. Центр ее в зависимости от решаемой задачи совмещают с той или иной точкой пространства. Отвесная линия пересекает поверхность небесной сферы в двух точках: в верхней Z – зените – и в нижней Z" – надир Основные точки и круги на небесной сфере

Определите Небесные координаты солнцаОсновными кругами, относительно которых определяется место Солнца (светила), являются истинный горизонт и небесный меридиан- координатами являются высота Солнца (h) и его азимут (A) .Кажущееся положение Солнца в любой точке Земли определяется двумя этими углами Горизонтальная система координатВысота h Солнца над горизонтом – уголмежду направлением на Солнце из точки наблюдения и горизонтальной плоскостью, проходя­щей через эту точку.Азимут А Солнца - угол между плоскостью меридиана и вертикальной плоскостью, проведенной через точку наблюдения и Солнце.Зенитный уголZ - угол между направлением в зенит (Z) и направлением на Солнце. Этот угол является дополнительным к высоте солнцестояния h + z = 90. Когда Земля обращена к Солнцу южной стороной, азимут равен нулю, а высота максимальна. Отсюда вытекает понятие полдень, которое принято за начало времени отсчета дня (или второй половины суток).

Расчетная методика для определения угловое солнечное время (часовой угол Солнца)Угловое солнечное время(часовой угол Солнца) τ - представляет собой угловое смещение Солнца от полудня (1 ч соответствует π/12 рад , или 15 ° углового смещения). Смещение на Восток от Юга (т. е. утреннее значение) считается положительным.Часовой угол Солнца τ меняется между плоскостями местного меридиана и Солнечного меридиана. Один раз каждые 24 ч Солнце попадает в меридиональную плоскость.Вследствие суточного вращения Земли часовой угол τ изменяется в течение суток от 0 до 360 o или 2π рад (радиан), за 24 часа, таким образом, Земля, двигаясь по Орбите, вращается вокруг своей оси с угловой скоростью Если принять солнечное время от истинного полудня, соответствующего моменту прохождения Солнца через плоскости местного меридиана, то можно записать: ,град или рад

Расчетная методика для определениясклонение СолнцаСклонение Солнца - угол между направлением к Солнцу и экваториальной плоскостью называется склонением δ и является мерой сезонных изменений. Склонение обычно выражают в радианах (или градусах) к Северу или Югу от экватора. Измеряется от 0° до 90° (положительное значение к северу от экватора, отрицательное - к югу).Земля обращается вокруг Солнца за год. Направление земной оси остается фиксированным в пространстве под углом δ 0 = 23,5° к нормали к плоскости вращения,В северном полушарии δ плавно меняется от δ 0 = + 23,5° в период летнего солнцестояния до δ 0 =-23,5° в период зимнего солнцестояния.Аналитически получен град

где п - день года (n = 1 соответствует 1 января).В точках равноденствия δ = 0 , а точки восхода и захода Солнца располагаются строго на линии В-З горизонта.Таким образом, траектория Солнца по небесной сфере не является замкнутой кривой, а представляет собой своеобразную сферическую спираль, набивающуюся на боковую поверхность сферы в пределах полосы - .

В течение летнего полугодия с 21 марта по 23 сентября и Солнце находится выше плоскости экватора в северной небесной полусфере. В течение зимнего полугодия с 23 сентября по 21 марта и Солнце находится ниже плоскости экватора в южной небесной полусфере.

Ответ от Европеоидный [новичек]
Суммарная радиация - часть отраженной и часть прямой радиации. Зависит от облаков и от облачности.

Ответ от Арман Шайсултанов [новичек]
величина солнечной радиации в сарыарка

Ответ от Вова васильев [новичек]
Со?лнечная радиа?ция - электромагнитное и корпускулярное излучение Солнца

Ответ от Носоглотка [активный]
Солнечная радиация - электромагнитное и корпускулярное излучение Солнца. Электромагнитная радиация распространяется в виде электромагнитных волн со скоростью света и проникает в земную атмосферу. До земной поверхности солнечная радиация доходит в виде прямой и рассеянной радиации.
Солнечная радиация - главный источник энергии для всех физико-географических процессов, происходящих на земной поверхности и в атмосфере. Солнечная радиация обычно измеряется по ее тепловому действию и выражается в калориях на единицу поверхности за единицу времени. Всего Земля получает от Солнца менее одной двухмиллиардной его излучения.
Суммарная солнечная радиация измеряется в килокалориях на 1 квадратный сантиметр.
При движении с севера на юг количество солнечной радиации, получаемое территорией, увеличивается.
Солнечная радиация – излучение Солнцем света и тепла.

Солнечная радиация - ведущий климатообразующий фактор и практически единственный источник энергии для всех физических процессов, происходящих на земной поверхности и в ее атмосфере. Она обусловливает жизнедеятельность организмов, создавая тот или иной температурный режим; приводит к возникновению облаков и выпадению осадков; является основополагающей причиной общей циркуляции атмосферы, тем самым оказывая огромное влияние на жизнь людей во всех ее проявлениях. В строительстве и архитектуре солнечная радиация является важнейшим средовым фактором - от нее зависит ориентация зданий, их конструктивные, объемно-планировочные, колористические, пластические решения и многие другие особенности.

Согласно ГОСТ Р 55912-2013 «Климатология строительная» приняты следующие определения и понятия, связанные с солнечной радиацией:

• прямая радиация - часть суммарной солнечной радиации, поступающей на поверхности в виде пучка параллельных лучей, приходящих непосредственно от видимого диска солнца;
• рассеянная солнечная радиация - часть суммарной солнечной радиации, поступающей на поверхности со всего небосвода после рассеяния в атмосфере;
• отраженная радиация - часть суммарной солнечной радиации, отраженной от подстилающей поверхности (в том числе от фасадов, кровель зданий);
• интенсивность солнечной радиации - количество солнечной радиации, проходящее за единицу времени через единичную площадку, расположенную перпендикулярно лучам.

Все величины солнечной радиации в современных отечественных ГОСТах, СП (СНиПах) и других нормативных документах, связанных со строительством и архитектурой, измеряются в киловаттах в час на 1 м 2 (кВт ч/м 2). За единицу времени, как правило, принимается месяц. Чтобы получить мгновенное (секундное) значение мощности потока солнечной радиации (кВт/м 2), приведенную за месяц величину следует разделить на количество дней в месяце, количестве часов в сутках и секунд в часах.

Во многих ранних изданиях нормативных документов по строительству и во многих современных справочниках по климатологии значения солнечной радиации приводятся в мегаджоулях или килокалориях на м 2 (МДж/м 2 , Ккал/м 2). Коэффициенты перевода этих величин из одной в другую приведены в приложении 1.

Физическая сущность. Солнечная радиация приходит к Земле от Солнца. Солнце - ближайшая к нам звезда, которая в среднем отстоит от Земли на 149 450 000 км. В начале июля, когда Земля наиболее удалена от Солнца («афелий»), это расстояние увеличивается до 152 млн км, а в начале января оно уменьшается до 147 млн км («перигелий»).

Внутри солнечного ядра температура превышает 5 млн К, а давление больше земного в несколько миллиардов раз, вследствие чего водород превращается в гелий. В ходе этой термоядерной реакции и рождается лучистая энергия, которая распространяется от Солнца по всем направлениям в виде электромагнитных волн. При этом к Земле приходит целый спектр длин волн, который в метеорологии принято делить на коротковолновый и длинноволновый участки. Коротковолновой называют радиацию в диапазоне длин волн от 0,1 до 4 мкм (1 мкм = 10~ 6 м). Радиацию с большими длинами (от 4 до 120 мкм) относят к длинноволновой. Солнечная радиация является преимущественно коротковолновой - на указанный диапазон длин волн приходится 99% всей энергии солнечного излучения, в то время как земная поверхность и атмосфера излучают длинноволновую радиацию, а коротковолновую могут только отражать.

Солнце является источником не только энергии, но и света. Видимый свет занимает узкий интервал длин волн, всего от 0,40 до 0,76 мкм, однако в этом интервале заключается 47% всей солнечной лучистой энергии. Свет с длиной волны около 0,40 мкм воспринимается как фиолетовый, с длиной волны около 0,76 мкм - как красный. Все остальные длины волн человеческий глаз не воспринимает, т.е. они невидимы для нас 1 . На инфракрасное излучение (от 0,76 до 4 мкм) приходится 44%, а на ультрафиолетовое (от 0,01 до 0,39 мкм) - 9% всей энергии. Максимум энергии в спектре солнечной радиации на верхней границе атмосферы лежит в сине-голубой области спектра, а у поверхности земли - в желто-зеленой.

Количественной мерой солнечной радиации, поступающей на некоторую поверхность, служит энергетическая освещенность, или поток солнечной радиации, - количество лучистой энергии, падающей на единицу площади в единицу времени. Максимальное количество солнечной радиации поступает на верхнюю границу атмосферы и характеризуется величиной солнечной постоянной. Солнечная постоянная - это поток солнечной радиации на верхней границе земной атмосферы через площадку, перпендикулярную солнечным лучам, при среднем расстоянии Земли от Солнца. По последним данным, утвержденным Всемирной Метеорологической Организацией (ВМО) в 2007 г., эта величина составляет 1,366 кВт/м 2 (1366 Вт/м 2).

До земной поверхности доходит значительно меньшее количество солнечной радиации, поскольку по мере движения солнечных лучей через атмосферу радиация претерпевает ряд существенных изменений. Часть ее поглощается атмосферными газами и аэрозолями и переходит в теплоту, т.е. идет на нагревание атмосферы, а часть рассеивается и переходит в особую форму рассеянной радиации.

Процесс поглощения радиации в атмосфере носит селективный характер - разные газы поглощают ее в разных участках спектра и в разной степени. Основными газами, поглощающими солнечную радиацию, являются водяной пар (Н 2 0), озон (0 3) и углекислый газ (С0 2). Например, как было сказано выше, стратосферный озон полностью поглощает вредную для живых организмов радиацию с длинами волн короче 0,29 мкм, именно поэтому озоновый слой является естественным щитом существования жизни на Земле. В среднем озоном поглощается около 3% солнечного излучения. В красной и инфракрасной областях спектра наиболее существенно солнечную радиацию поглощает водяной пар. В этой же области спектра находятся полосы поглощения углекислого газа, однако

Более подробно о свете и цвете говорится в других разделах дисциплины «Архитектурная физика».

в целом поглощение им прямой радиации невелико. Поглощение солнечной радиации происходит и аэрозолями естественного и антропогенного происхождения, особенно сильно - частицами сажи. Всего водяным паром и аэрозолями поглощается около 15% солнечной радиации, облаками - примерно 5%.

Рассеяние радиации представляет собой физический процесс взаимодействия электромагнитного излучения и вещества, в ходе которого молекулы и атомы поглощают часть радиации, а потом переизлучают ее во всех направлениях. Это очень важный процесс, который зависит от соотношения величины рассеивающих частиц и длины волны падающего излучения. В абсолютно чистом воздухе, где рассеяние производится только молекулами газов, оно подчиняется закону Рэлея , т.е. обратно пропорционально четвертой степени длины волны рассеиваемых лучей. Таким образом, голубой цвет неба - это цвет самого воздуха, обусловленный рассеянием в нем солнечных лучей, поскольку фиолетовые и голубые лучи рассеиваются воздухом гораздо лучше, чем оранжевые и красные.

Если в воздухе присутствуют частицы, размеры которых сравнимы с длиной волны излучения - аэрозоли, капельки воды, кристаллы льда, - то рассеяние не будет подчиняться закону Рэлея, и рассеянная радиация окажется не так богата коротковолновыми лучами. На частицах же диаметром больше 1-2 мкм будет происходить не рассеяние, а диффузное отражение, что определяет белесый цвет неба.

Рассеяние играет огромную роль в формировании естественной освещенности: в отсутствие Солнца в дневное время оно создает рассеянный (диффузный) свет. Если бы не было рассеяния, светло было бы только там, куда попадали бы прямые солнечные лучи. Сумерки и заря, цвет облаков на восходе и закате также связаны с этим явлением.

Итак, к земной поверхности солнечная радиация поступает в виде двух потоков: прямой и рассеянной радиации.

Прямая радиация (5) приходит к земной поверхности непосредственно от солнечного диска. При этом максимально возможное количество радиации получит единичная площадка, расположенная перпендикулярно к солнечным лучам (5). На единицу горизонтальной поверхности придется меньшее количество лучистой энергии У, называемое также инсоляцией :

У = ?-8шА 0 , (1.1)

где И 0 - высота Солнца над горизонтом, определяющая угол падения солнечных лучей на горизонтальную поверхность.

Рассеянная радиация (/)) поступает на земную поверхность от всех точек небесного свода, за исключением солнечного диска.

Всю солнечную радиацию, приходящую на земную поверхность, называют суммарной солнечной радиацией (0:

• (1.2)
• 0 = + /) = И 0 + /).

Приход этих видов радиации существенно зависит не только от астрономических причин, но и от облачности. Поэтому в метеорологии принято различать возможные суммы радиации , наблюдающиеся при безоблачных условиях, и действительные суммы радиации , имеющие место при реальных условиях облачности.

Не вся падающая на земную поверхность солнечная радиация поглощается ею и превращается в тепло. Часть ее отражается и, следовательно, теряется подстилающей поверхностью. Эта часть называется отраженной радиацией (/? к), а ее величина зависит от альбедо земной поверхности (Л к):

А к = - 100%.

Величина альбедо измеряется в долях единицы или в процентах. В строительстве и архитектуре чаще используются доли единицы. В них также измеряются отражательная способность строительных и отделочных материалов, светлота окраски фасадов и т.д. В климатологии принято измерение альбедо в процентах.

Альбедо оказывает значительное влияние на процессы формирования климата Земли, так как является интегральным показателем отражательной способности подстилающей поверхности. Оно зависит от состояния этой поверхности (шероховатости, цвета, увлажненности) и меняется в очень широких пределах. Самые высокие значения альбедо (до 75%) характерны для свежевыпавшего снега, а самые низкие - для водной поверхности при отвесном падении солнечных лучей («3%). Альбедо поверхности почвы и растительности в среднем меняется от 10 до 30%.

Если рассматривать всю Землю в целом, то ее альбедо составляет 30%. Эта величина носит название планетарного альбедо Земли и представляет собой отношение уходящей в космос отраженной и рассеянной солнечной радиации к общему количеству радиации, поступающей к атмосфере.

На территории городов альбедо, как правило, ниже, чем в естественных, ненарушенных ландшафтах. Характерное значение альбедо для территории крупных городов умеренного климата составляет 15-18%. В южных городах альбедо, как правило, выше за счет применения более светлых тонов в окраске фасадов и кровель, в северных городах с плотной застройкой и темными колористическими решениями зданий альбедо ниже. Это позволяет в южных жарких странах уменьшать количество поглощенной солнечной радиации, снижая тем самым тепловой фон застройки, а в северных холодных районах, наоборот, увеличивать долю поглощенной солнечной радиации, повышая общий тепловой фон.

Поглощенная радиация (*У П0ГЛ) называется также балансом коротковолновой радиации (В к) и представляет собой разность суммарной и отраженной радиации (двух коротковолновых потоков):

^погл = 5 к = 0~ Я К- (1.4)

Она нагревает верхние слои земной поверхности и все, что на ней расположено (растительный покров, дороги, здания, сооружения и т.д.), вследствие чего они излучают длинноволновую радиацию, невидимую человеческим глазом. Эту радиацию чаще называют собственным излучением земной поверхности (? 3). Величина ее, согласно закону Стефана - Больцмана, пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры.

Атмосфера также излучает длинноволновую радиацию, большая часть которой приходит к земной поверхности и почти полностью поглощается ею. Эту радиацию называют встречным излучением атмосферы (Е а). Встречное излучение атмосферы возрастает с увеличением облачности и влажности воздуха и является очень важным источником тепла для земной поверхности. Тем не менее длинноволновое излучение атмосферы всегда немного меньше земного, за счет чего земная поверхность теряет тепло, а разница между этими значениями называется эффективным излучением Земли (Е эф).

В среднем в умеренных широтах земная поверхность через эффективное излучение теряет примерно половину того количества тепла, которое она получает от поглощенной солнечной радиации. Поглощая земное излучение и посылая встречное излучение к земной поверхности, атмосфера уменьшает охлаждение этой поверхности в ночное время суток. Днем же она мало препятствует нагреванию поверхности Земли. Это влияние земной атмосферы на тепловой режим земной поверхности и носит название парникового эффекта. Таким образом, явление парникового эффекта состоит в удерживании тепла вблизи поверхности Земли. Большую роль в этом процессе играют газы техногенного происхождения, прежде всего - углекислый газ, концентрация которого на территории городов особенно высока. Но главная роль все же принадлежит газам естественного происхождения.

Основной субстанцией в атмосфере, поглощающей длинноволновое излучение Земли и посылающей встречное излучение, является водяной пар. Он поглощает практически всю длинноволновую радиацию за исключением интервала длин волн от 8,5 до 12 мкм, который называется «окном прозрачности» водяного пара. Только в этом интервале земное излучение проходит в мировое пространство сквозь атмосферу. Кроме водяного пара сильно поглощает длинноволновое излучение углекислый газ, причем именно в окне прозрачности водяного пара, гораздо слабее - озон, а также метан, оксид азота, хлорфторуглероды (фреоны) и некоторые другие газовые примеси.

Удержание тепла вблизи земной поверхности - очень важный процесс для поддержания жизни. Не будь его, средняя температура у Земли была бы на 33°С ниже существующей, и на Земле вряд ли могли бы обитать живые организмы. Поэтому дело не в парниковом эффекте как таковом (ведь он возник с момента образования атмосферы), а в том, что под влиянием антропогенной деятельности происходит усиление этого эффекта. Причина - в быстром росте концентрации парниковых газов техногенного происхождения, в основном - С0 2 , выбрасываемого при сжигании органического топлива. Это может привести к тому, что при той же поступающей радиации доля остающегося на планете тепла увеличится, а следовательно, увеличится и температура земной поверхности и атмосферы. За последние 100 лет температура воздуха нашей планеты в среднем увеличилась на 0,6°С.

Считается, что при удвоении концентрации С0 2 относительно ее доиндустриального значения глобальное потепление составит около 3°С (по разным оценкам - от 1,5 до 5,5°С). При этом наибольшие изменения должны произойти в тропосфере высоких широт в осенне-зимний период. Как следствие, начнет таять лед в Арктике и Антарктиде и уровень Мирового океана начнет повышаться. Это повышение может составить от 25 до 165 см, а значит, многие города, расположенные в прибрежных зонах морей и океанов, будут затоплены.

Таким образом, это очень важная проблема, касающаяся жизни миллионов людей. Учитывая это в 1988 г. в Торонто состоялась первая Международная конференция по проблеме антропогенного изменения климата. Ученые пришли к выводу, что последствия усиления парникового эффекта из-за роста содержания в атмосфере углекислого газа уступают лишь последствиям мировой ядерной войны. Тогда же при Организации Объединенных Наций (ООН) была образована Межправительственная группа экспертов по проблемам изменения климата - МГЭИК (IPCC - Intergovernmental Panel on Climate Change ), которая изучает влияние повышения приземной температуры на климат, экосистему Мирового океана, биосферу в целом, в том числе на жизнь и здоровье населения планеты.

В 1992 г. в Нью-Йорке была принята Рамочная конвенция об изменении климата (РКИК), главной целью которой провозглашено обеспечение стабилизации концентраций парниковых газов в атмосфере на уровнях, позволяющих предотвратить опасные последствия вмешательства человека в климатическую систему. Для практической реализации конвенции в декабре 1997 г. в г. Киото (Япония) на международной конференции был принят Киотский протокол. В нем определены конкретные квоты на выброс парниковых газов странами-участницами, в том числе и Россией, ратифицировавшей этот Протокол в 2005 г.

К моменту написания данной книги одной из последних конференций, посвященных климатическим изменениям, является Конференция по климату в Париже, проходившая с 30 ноября по 12 декабря 2015 г. Цель этой конференции - подписание международного соглашения по сдерживанию увеличения средней температуры планеты к 2100 г. не выше 2°С.

Итак, в результате взаимодействия разнообразных потоков коротковолновой и длинноволновой радиации земная поверхность непрерывно получает и теряет тепло. Результирующей величиной прихода и расхода радиации является радиационный баланс (В ), который и определяет тепловое состояние земной поверхности и приземного слоя воздуха, а именно их нагревание или охлаждение:

В = Q -« к - ?эф = 60 - А )-? эф =

= (5"sin/^ > + D)(l-А)-Е^ф = В к +В а. (

Данные о радиационном балансе необходимы для оценки степени нагревания и охлаждения различных поверхностей как в естественных условиях, так и в архитектурной среде, расчета теплового режима зданий и сооружений, определения испарения, теплоза-пасов в почве, нормирования орошения сельскохозяйственных полей и других народно-хозяйственных целей.

Методы измерения. Ключевое значение исследований радиационного баланса Земли для понимания закономерностей климата и формирования микроклиматических условий определяет основополагающую роль данных наблюдений за его составляющими - актинометрических наблюдений.

На метеорологических станциях России применяется термоэлектрический метод измерения радиационных потоков. Измеряемая радиация поглощается черной приемной поверхностью приборов, превращается в тепло и нагревает активные спаи термобатареи, тогда как пассивные спаи не нагреваются радиацией и имеют более низкую температуру. Вследствие различия температур активных и пассивных спаев на выводе термобатареи возникает термоэлектродвижущая сила, пропорциональная интенсивности измеряемой радиации. Таким образом, большинство актинометрических приборов являются относительными - они измеряют не сами потоки радиации, а пропорциональные им величины - силу тока или напряжение. Для этого приборы присоединяются, например, к цифровым мультиметрам, а ранее - к стрелочным гальванометрам. При этом в паспорте каждого прибора приводится так называемый «переводной множитель» - цена деления электроизмерительного прибора (Вт/м 2). Этот множитель рассчитывается путем сравнения показаний того или иного относительного прибора с показаниями абсолютных приборов - пиргелиометров.

Принцип действия абсолютных приборов иной. Так, в компенсационном пиргелиометре Ангстрема зачерненная металлическая пластинка выставляется на солнце, а другая такая же пластинка остается в тени. Между ними возникает разность температур, которая передается спаям термоэлемента, прикрепленным к пластинам, и таким образом возбуждается термоэлектрический ток. При этом через затененную пластину пропускается ток от батареи до тех пор, пока она не нагреется до той же температуры, что и пластина, находящаяся на солнце, после чего термоэлектрический ток исчезает. По силе пропущенного «компенсирующего» тока можно определить количество тепла, полученного зачерненной пластиной, которое, в свою очередь, будет равно количеству тепла, полученному от Солнца первой пластиной. Таким образом, можно определить величину солнечной радиации.

На метеостанциях России (а ранее - СССР), проводящих наблюдения за составляющими радиационного баланса, однородность рядов актинометрических данных обеспечивается использованием однотипных приборов и их тщательной градуировкой, а также одинаковой методикой измерений и обработки данных. В качестве приемников интегральной солнечной радиации (

В термоэлектрическом актинометре Савинова - Янишевского, внешний вид которого показан на рис. 1.6, приемная часть представляет собой тонкий металлический зачерненный диск из серебряной фольги, к которому через изоляцию приклеены нечетные (активные) спаи термобатареи. При измерениях этот диск поглощает солнечную радиацию, вследствие чего температура диска и активных спаев повышается. Четные же (пассивные) спаи через изоляцию приклеены к медному кольцу в корпусе прибора и имеют температуру, близкую к температуре наружного воздуха. Эта разность температур при замыкании внешней цепи термобатареи и создает термоэлектрический ток, сила которого пропорциональна интенсивности солнечной радиации.

Рис. 1.6.

В пиранометре (рис. 1.7) приемная часть чаще всего представляет собой батарею термоэлементов, например из манганина и кон-стантана, с зачерненными и белыми спаями, которые неодинаково нагреваются под действием приходящей радиации. Приемная часть прибора должна иметь горизонтальное положение, чтобы воспринимать рассеянную радиацию со всего небесного свода. От прямой радиации пиранометр затеняется экраном, а от встречного излучения атмосферы защищен стеклянным колпаком. При измерениях суммарной радиации пиранометр от прямых лучей не затеняют.

Рис. 1.7.

Специальное устройство (откидная плита) позволяет придавать головке пиранометра два положения: приемником вверх и приемником вниз. В последнем случае пиранометр измеряет отраженную от земной поверхности коротковолновую радиацию. В маршрутных наблюдениях для этого применяют так называемый походный алъбе-дометр, представляющий собой головку пиранометра, соединенную с опрокидывающимся кардановым подвесом с рукояткой.

Термоэлектрический балансомер состоит из корпуса с термобатареей, двух приемных пластинок и рукоятки (рис. 1.8). В дискообразном корпусе (/) имеется квадратный вырез, где укреплена термобатарея (2). Рукоять (3 ), припаянная к корпусу, служит для установки балансомера на стойке.

Рис. 1.8.

Одна зачерненная приемная пластинка балансомера направлена вверх, другая - вниз, к земной поверхности. Принцип действия незатененного балансомера основан на том, что все виды радиации, приходящей к деятельной поверхности (У, /) и Е а), поглощаются зачерненной приемной поверхностью прибора, обращенной вверх, а все виды радиации, уходящей от деятельной поверхности (/? к, /? л и Е 3), поглощаются пластиной, направленной вниз. Каждая приемная пластинка сама также излучает длинноволновую радиацию, кроме того, происходит теплообмен с окружающим воздухом и корпусом прибора. Однако благодаря высокой теплопроводности корпуса происходит большая отдача тепла, что не позволяет образовываться существенной разности температур приемных пластинок. По этой причине собственным излучением обоих пластин можно пренебречь, а по разности их нагрева - определить величину радиационного баланса любой поверхности, в плоскости которой расположен балансомер.

Поскольку приемные поверхности балансомера не закрыты стеклянным колпаком (иначе было бы невозможно измерить длинноволновую радиацию), показания этого прибора зависят от скорости ветра, уменьшающего разность температур приемных поверхностей. По этой причине показания балансомера приводят к штилевым условиям, предварительно измерив скорость ветра на уровне прибора.

Для автоматической регистрации измерений термоэлектрический ток, возникающий в описанных выше приборах, подводят на самопишущий электронный потенциометр. Изменения силы тока записываются на движущейся бумажной ленте, при этом актинометр должен автоматически вращаться так, чтобы его приемная часть следовала за Солнцем, а пиранометр должен быть всегда затенен от прямой радиации особой кольцевой защитой.

Актинометрические наблюдения, в отличие от основных метеонаблюдений, проводятся шесть раз в сутки в сроки: 00 ч 30 мин, 06 ч 30 мин, 09 ч 30 мин, 12 ч 30 мин, 15 ч 30 мин и 18 ч 30 мин. Поскольку интенсивность всех видов коротковолновой радиации зависит от высоты Солнца над горизонтом, сроки наблюдений устанавливаются по среднему солнечному времени станции.

Характерные значения. Величины потоков прямой и суммарной радиации играют одну из важнейших ролей в архитектурно-климатическом анализе. Именно с их учетом связаны ориентация зданий по сторонам горизонта, их объемно-планировочное и колористическое решение, внутренняя планировка, размеры светопроемов и ряд других архитектурных особенностей. Поэтому суточный и годовой ход характерных значений будет рассмотрен именно для этих величин солнечной радиации.

Энергетическая освещенность прямой солнечной радиации в условиях безоблачного неба зависит от высоты солнца, свойств атмосферы на пути солнечного луча, характеризуемой коэффициентом прозрачности (величиной, показывающей, какая доля солнечной радиации доходит до земной поверхности при отвесном падении солнечных лучей) и от длины этого пути.

Прямая солнечная радиация при безоблачном небе имеет довольно простой суточный ход с максимумом в околополуденные часы (рис. 1.9). Как следует из рисунка, в течение дня поток солнечной радиации сначала быстро, потом медленнее нарастает от восхода Солнца до полудня и сначала медленно, потом быстро убывает от полудня до захода Солнца. Различия в энергетической освещенности в полдень при ясном небе в январе и июле в первую очередь связаны с различиями в полуденной высоте Солнца, которая зимой меньше, чем летом. В то же время в континентальных районах часто наблюдается асимметричность суточного хода, обусловленная различием прозрачности атмосферы в до- и послеполуденные часы. Влияет прозрачность атмосферы и на годовой ход среднемесячных значений прямой солнечной радиации. Максимум радиации при безоблачном небе может смещаться на весенние месяцы, поскольку весной запыленность и влагосодержание атмосферы ниже, чем осенью.

5 1 , кВт/м 2

б", кВт/м 2

Рис. 1.9.

и при средних условиях облачности (б):

7 - на перпендикулярную к лучам поверхность в июле; 2 - на горизонтальную поверхность в июле; 3 - на перпендикулярную поверхность в январе; 4 - на горизонтальную поверхность в январе

Облачность снижает приход солнечной радиации и может существенно изменить ее суточный ход, что проявляется в соотношении до- и послеполуденных часовых сумм. Так, в большей части континентальных районов России в весенне-летние месяцы часовые суммы прямой радиации в дополуденные часы больше, чем в послеполуденные (рис. 1.9, б). Это в основном определяется суточным ходом облачности, которая начинает развиваться в 9-10 часов утра и достигает максимума в послеполуденные часы, уменьшая, таким образом, радиацию. Общее же снижение притока прямой солнечной радиации при действительных условиях облачности может быть очень существенным. Например, во Владивостоке с его муссонным климатом эти потери летом составляют 75%, а в Санкт-Петербурге даже в среднем за год облака не пропускают к земной поверхности 65% прямой радиации, в Москве - около половины.

Распределение годовых сумм прямой солнечной радиации при средних условиях облачности по территории России показано на рис. 1.10. В значительной степени этот фактор, снижающий количество солнечной радиации, зависит от циркуляции атмосферы, что приводит к нарушению широтного распределения радиации.

Как видно из рисунка, в целом годовые суммы прямой радиации, приходящей на горизонтальную поверхность, увеличиваются от высоких широт к более низким от 800 до почти 3000 МДж/м 2 . Большое количество облаков в европейской части России приводит к уменьшению годовых сумм по сравнению с районами Восточной Сибири, где в основном за счет влияния азиатского антициклона в зимний период годовые суммы возрастают. В то же время летний муссон приводит к уменьшению годового прихода радиации в прибрежных районах на Дальнем Востоке. Диапазон изменения полуденной интенсивности прямой солнечной радиации на территории России изменяется от 0,54-0,91 кВт/м 2 летом до 0,02-0,43 кВт/м 2 зимой.

Рассеянная радиация, поступающая на горизонтальную поверхность, также изменяется в течение дня, возрастая до полудня и убывая после него (рис. 1.11).

Как и в случае с прямой солнечной радиацией, на приход рассеянной радиации влияет не только высота солнца и продолжительность дня, но и прозрачность атмосферы. Однако уменьшение последней ведет к увеличению рассеянной радиации (в отличие от прямой). Кроме того, рассеянная радиация в очень широких пределах зависит от облачности: при средних условиях облачности ее приход более чем в два раза превосходит значения, наблюдающиеся при ясном небе. В отдельные же дни облачность увеличивает этот показатель в 3-4 раза. Таким образом, рассеянная радиация может существенно дополнять прямую, особенно при низком положении Солнца.

Рис. 1.10. Прямая солнечная радиация, поступающая на горизонтальную поверхность при средних условиях облачности, МДж/м 2 в год (1 МДж/м 2 = 0,278 кВт? ч/м 2)

/), кВт/м 2 0,3 г

• 0,2 -
• 0,1 -

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Часы

Рис. 1.11.

и при средних условиях облачности (б)

Величина рассеянной солнечной радиации в тропиках составляет от 50 до 75% прямой; под 50-60° широты она близка к прямой, а в высоких широтах почти весь год превышает прямую солнечную радиацию.

Очень важным фактором, влияющим на поток рассеянной радиации, является альбедо подстилающей поверхности. Если альбедо достаточно велико, то отраженная от подстилающей поверхности радиация, рассеиваемая атмосферой в обратном направлении, может обусловить значительное увеличение прихода рассеянной радиации. Наиболее сильно эффект проявляется при наличии снежного покрова, обладающего наибольшей отражательной способностью.

Суммарная радиация при безоблачном небе (возможная радиация) зависит от широты места, высоты солнца, оптических свойств атмосферы и характера подстилающей поверхности. В условиях ясного неба она имеет простой суточный ход с максимумом в полдень. Асимметрия суточного хода, характерная для прямой радиации, в суммарной радиации проявляется мало, так как уменьшение прямой радиации в связи с ростом замутнения атмосферы во второй половине дня компенсируется увеличением рассеянной благодаря тому же фактору. В годовом ходе максимальная интенсивность суммарной радиации при безоблачном небе на большей части тер-

ритории России наблюдается в июне в связи с максимальной полуденной высотой солнца. Однако в некоторых районах это влияние перекрывается влиянием прозрачности атмосферы, и максимум смещается на май (например, в Забайкалье, Приморье, на Сахалине и в ряде районов Восточной Сибири). Распределение месячных и годовых сумм суммарной солнечной радиации при безоблачном небе приведено в табл. 1.9 и на рис. 1.12 в виде осредненных по широтам значений.

Из приведенных таблицы и рисунка видно, что во все сезоны года как интенсивность, так и суммы радиации возрастают с севера на юг в соответствии с изменением высоты солнца. Исключение составляет период с мая по июль, когда сочетание большой продолжительности дня и высоты солнца обеспечивает довольно высокие значения суммарной радиации на севере и в целом на территории России поле радиации размыто, т.е. не имеет выраженных градиентов.

Таблица 1.9

Суммарная солнечная радиация на горизонтальную поверхность

при безоблачном небе (кВт ч/м 2)

Рис. 1.12. Суммарная солнечная радиация на горизонтальную поверхность при безоблачном небе на различных широтах (1 МДж/м 2 = 0,278 кВт ч/м 2)

При наличии облачности суммарная солнечная радиация определяется не только количеством и формой облаков, но и состоянием солнечного диска. При просвечивающем сквозь облака солнечном диске суммарная радиация по сравнению с безоблачными условиями может даже увеличиваться вследствие роста рассеянной радиации.

Для средних условий облачности наблюдается вполне закономерный суточный ход суммарной радиации: постепенное нарастание от восхода солнца до полудня и убывание от полудня до захода. В то же время суточный ход облачности нарушает симметрию хода относительно полудня, характерную для безоблачного неба. Так, в большинстве районов России в теплый период дополуденные значения суммарной радиации на 3-8% превышают послеполуденные, за исключением муссонных областей Дальнего Востока, где соотношение обратное. В годовом ходе средних многолетних месячных сумм суммарной радиации наряду с определяющим астрономическим фактором проявляется циркуляционный (через влияние облачности), поэтому максимум может смещаться с июня на июль и даже на май (рис. 1.13).

• 600 -
• 500 -
• 400 -
• 300 -
• 200 -

м. Челюскин

Салехард

Архангельск

С.-Петербург

Петропавловск

Камчатский

Хабаровск

Астрахань

Рис. 1.13. Суммарная солнечная радиация на горизонтальную поверхность в отдельных городах России при реальных условиях облачности (1 МДж/м 2 = 0,278 кВт ч/м 2)

5", МДж/м 2 700

Итак, реальный месячный и годовой приход суммарной радиации составляет лишь часть возможного. Самые большие отклонения реальных сумм от возможных летом отмечаются на Дальнем Востоке, где облачность снижает суммарную радиацию на 40-60%. В целом же общий годовой приход суммарной радиации изменяется по территории России в широтном направлении, увеличиваясь от 2800 МДж/м 2 на побережьях северных морей до 4800- 5000 МДж/м 2 в южных районах России - Северном Кавказе, Нижнем Поволжье, Забайкалье и Приморском крае (рис. 1.14).

Рис. 1.14. Суммарная радиация, поступающая на горизонтальную поверхность, МДж/м 2 в год

Летом различия в суммарной солнечной радиации при реальных условиях облачности между городами, расположенными на разных широтах, не такие «драматичные», как это может показаться с первого взгляда. Для европейской части России от Астрахани до мыса Челюскин эти значения лежат в пределах 550-650 МДж/м 2 . Зимой в большинстве городов, за исключением Заполярья, где наступает полярная ночь, суммарная радиация составляет 50-150 МДж/м 2 в месяц.

Для сравнения: средние за январь показатели теплотности 1 городской застройки (рассчитанные по фактическим данным для Москвы), составляют от 220 МДж/м 2 в месяц в городских градостроительных узлах до 120-150 МДж/м 2 на межмагистральных территориях с низкоплотной жилой застройкой. На территориях производственных и коммунально-складских зон показатели теплотности в январе составляют 140 МДж/м 2 . Суммарная солнечная радиация в Москве составляет в январе 62 МДж/м 2 . Таким образом, в зимнее время за счет использования солнечной радиации возможно покрыть не более 10-15% (с учетом эффективности солнечных батарей 40%) расчетной теплотности застройки средней плотности даже в известных своей солнечной зимней погодой Иркутске и Якутске, даже если полностью покрыть их территорию фотоэлектрическими панелями.

Летом суммарная солнечная радиация возрастает в 6-9 раз, а те-плопотребление сокращается в 5-7 раз по сравнению с зимой. Показатели теплотности в июле снижаются до значений 35 МДж/м 2 и менее - на жилых территориях и 15 МДж/м 2 и менее - на территориях производственного назначения, т.е. до величин, составляющих не более 3-5% от суммарной солнечной радиации. Поэтому летом, когда потребности в отоплении и освещении минимальны, по всей территории России наблюдается избыток этого возобновляемого природного ресурса, который невозможно утилизировать, что еще раз ставит под сомнение целесообразность применения фотоэлектрических панелей, по крайней мере, в городах и многоквартирных зданиях.

Потребление электроэнергии (без отопления и горячего водоснабжения), также связанное с неравномерностью распределения общей площади застройки, плотности населения и функциональным назначением различных территорий, находится в пре-

Теплотность - усредненный показатель потребления всех видов энергии (электричество, отопление, горячее водоснабжение) на 1 м 2 территории застройки.

делах от 37 МДж/м 2 в месяц (рассчитано как 1/12 годовой суммы) в плотно застроенных районах и до 10-15 МДж/м 2 в месяц в районах с низкой плотностью застройки. В дневные часы и летом потребление электроэнергии, естественно, падает. Плотность потребления электроэнергии в июле в большинстве районов жилой и смешанной застройки составляет 8-12 МДж/м 2 при суммарной солнечной радиации в реальных условиях облачности в Москве около 600 МДж/м 2 . Таким образом, для покрытия нужд в электроснабжении городской застройки (на примере Москвы) требуется утилизировать лишь около 1,5-2% солнечной радиации. Остальная радиация, в случае ее утилизации, будет избыточной. При этом еще предстоит решить вопрос о накоплении и сохранении дневной солнечной радиации для освещения в вечернее и ночное время, когда нагрузки на системы электроснабжения максимальны, а солнце почти или совсем не светит. Для этого потребуется передача электроэнергии на большие расстояния между районами, где Солнце еще достаточно высоко, и теми, где Солнце уже зашло за горизонт. При этом потери электроэнергии в сетях будут сопоставимы с ее экономией за счет использования фотоэлектрических панелей. Либо потребуется использование аккумуляторных батарей большой емкости, производство, установка и последующая утилизация которых потребует энергозатрат, которые вряд ли покроются за счет экономии электроэнергии, накопленной за весь период их эксплуатации.

Другим, не менее важным фактором, делающим сомнительной целесообразность перехода на солнечные батареи как альтернативный источник электроснабжения в масштабах города, является то, что в конечном счете работа фотоэлементов приведет к значительному увеличению поглощенной на территории города солнечной радиации, а следовательно, к повышению температуры воздуха в городе в летнее время. Таким образом, одновременно с охлаждением за счет фотопанелей и запитываемых от них кондиционеров воздуха внутренней среды будет происходить общее повышение температуры воздуха в городе, что в конечном счете сведет к нулю всю выгоду экономическую и экологическую от экономии электроэнергии за счет использования пока еще очень дорогих фотоэлектрических панелей.

Отсюда следует, что установка оборудования для преобразования солнечной радиации в электричество оправдывает себя в весьма ограниченном перечне случаев: только летом, только в климатических районах с сухой жаркой малооблачной погодой, только в малых городах или отдельных коттеджных поселках и только если эта электроэнергия используется для работы установок по кондиционированию и вентиляции внутренней среды зданий. В иных случаях - других районах, других градостроительных условиях и в другое время года - применение фотоэлектрических панелей и солнечных коллекторов для нужд электро-и теплоснабжения рядовой застройки в средних и крупных городах, расположенных в умеренном климате, неэффективно.

Биоклиматическое значение солнечной радиации. Определяющая роль воздействия солнечной радиации на живые организмы сводится к участию в формировании их радиационного и теплового балансов за счет тепловой энергии в видимой и инфракрасной части солнечного спектра.

Видимые лучи имеют особенно большое значение для организмов. Большинство животных, как и человек, хорошо различают спектральный состав света, а некоторые насекомые видят даже в ультрафиолетовом диапазоне. Наличие светового зрения и световой ориентации является важным фактором выживания. Например, у человека наличие цветового зрения - один из наиболее психоэмоциональных и оптимизирующих факторов жизни. Пребывание в темноте оказывает противоположное действие.

Как известно, зеленые растения синтезируют органическое вещество и, следовательно, производят пищу для всех остальных организмов, в том числе человека. Этот важнейший для жизни процесс происходит при ассимиляции солнечного излучения, причем растениями используется определенный диапазон спектра в интервале длин волн 0,38-0,71 мкм. Эта радиация называется фотосинтетически активной радиацией (ФАР) и имеет очень большое значение для продуктивности растений.

Видимая часть света создает естественную освещенность. По отношению к ней все растения делятся на светолюбивые и теневыносливые. Недостаточная освещенность обусловливает слабость стебля, ослабляет образование колосьев и початков на растениях, снижает содержание сахара и количества масел в культурных растениях, затрудняет использование ими минерального питания и удобрений.

Биологическое действие инфракрасных лучей состоит в тепловом эффекте при их поглощении тканями растений и животных. При этом изменяется кинетическая энергия молекул, происходит ускорение электрических и химических процессов. За счет инфракрасной радиации компенсируется недостаток тепла (особенно в высокогорных районах и в высоких широтах), получаемого растениями и животными из окружающего пространства.

Ультрафиолетовое излучение по биологическим свойствам и воздействию на человека принято делить на три области: область А - с длинами волн от 0,32 до 0,39 мкм; область В - от 0,28 до 0,32 мкм и область С - от 0,01 до 0,28 мкм. Область А характеризуется сравнительно слабо выраженным биологическим действием. Она вызывает лишь флюоресценцию ряда органических веществ, у человека способствует образованию пигмента в коже и слабой эритемы (покраснение кожи).

Значительно более активными являются лучи области В. Многообразные реакции организмов на ультрафиолетовое облучение, изменения в коже, крови и т.д. в основном обусловлены ими. Известное витаминообразующее действие ультрафиолета заключается в том, что эргостерон питательных веществ переходит в витамин О, оказывающий сильное возбуждающее влияние на рост и обмен веществ.

Самое мощное биологическое действие на живые клетки оказывают лучи области С. Бактерицидное действие солнечного света в основном обусловлено ими. В небольших дозах ультрафиолетовые лучи необходимы растениям, животным и человеку, особенно детям. Однако в большом количестве лучи области С губительны для всего живого, и жизнь на Земле возможна лишь потому, что это коротковолновое излучение практически полностью задерживается озоновым слоем атмосферы. Особенно актуальным решение вопроса о воздействии избыточных доз ультрафиолетовой радиации на биосферу и человека стало в последние десятилетия в связи с истощением озонового слоя атмосферы Земли.

Действие ультрафиолетовой радиации (УФР), достигающей земной поверхности, на живой организм весьма разнообразно. Как было указано выше, в умеренных дозах она оказывает благотворное влияние: повышает жизненный тонус, усиливает стойкость организма к инфекционным заболеваниям. Недостаток УФР приводит к патологическим явлениям, которые получили название УФ недостаточности или УФ голодания и проявляются в недостатке витамина Э, что ведет к нарушению фосфорно-кальциевого обмена в организме.

Избыток УФР может привести к очень серьезным последствиям: образованию рака кожи, развитию других онкологических образований, появлению фотокератита («снежная слепота»), фотоконъюнктивита и даже катаракты; нарушению иммунной системы живых организмов, а также мутагенным процессам в растениях; изменению свойств и разрушению полимерных материалов, широко использующихся в строительстве и архитектуре. Например, УФР может обесцвечивать фасадные краски или приводить к механическому разрушению полимерных отделочных и конструктивных строительных изделий.

Архитектурно-строительное значение солнечной радиации. Данные о солнечной энергии используются при расчете теплового баланса зданий и систем отопления и кондиционирования воздуха, при анализе процессов старения различных материалов, учете влияния радиации на тепловое состояние человека, выборе оптимального породного состава зеленых насаждений для озеленения конкретного района и многих других целей. Солнечная радиация определяет режим естественной освещенности земной поверхности, знание которого необходимо при планировании расхода электроэнергии, проектировании различных сооружений и организации работы транспорта. Таким образом, радиационный режим является одним из ведущих градостроительных и архитектурно-строительных факторов.

Инсоляция зданий - одно из важнейших условий гигиеничности застройки, поэтому облучению поверхностей прямыми солнечными лучами уделяют особое внимание как важному экологическому фактору. При этом Солнце оказывает не только гигиеническое воздействие на внутреннюю среду, убивая болезнетворные организмы, но и психологически влияет на человека. Эффект такого облучения зависит от длительности процесса воздействия солнечных лучей, поэтому инсоляцию измеряют в часах, а ее продолжительность нормируют соответствующими документами Минздрава России.

Необходимый минимум солнечной радиации, обеспечивающий комфортные условия внутренней среды зданий, условия для труда и отдыха человека, складывается из требуемой освещенности жилых и рабочих помещений, количества требуемой для организма человека ультрафиолетовой радиации, количества поглощенного наружными ограждениями и переданного внутрь зданий тепла, обеспечивающего тепловой комфорт внутренней среды. Исходя из этих требований принимаются архитектурно-планировочные решения, определяется ориентация жилых комнат, кухонь, подсобных и рабочих помещений. При избытке солнечной радиации предусматривается устройство лоджий, жалюзи, ставень и других солнцезащитных устройств.

Анализ сумм солнечной радиации (прямой и рассеянной), поступающей на различно ориентированные поверхности (вертикальные и горизонтальную), рекомендуется проводить по следующей шкале:

• менее 50 кВт ч/м 2 в мес - незначительная радиация;
• 50-100 кВт ч/м 2 в мес - средняя радиация;
• 100-200 кВт ч/м 2 в мес - высокая радиация;
• более 200 кВт ч/м 2 в мес - избыточная радиация.

При незначительной радиации, наблюдающейся в умеренных широтах в основном в зимние месяцы, ее вклад в тепловой баланс зданий настолько мал, что им можно пренебречь. При средней радиации в умеренных широтах происходит переход в область отрицательных значений радиационного баланса земной поверхности и расположенных на ней зданий, сооружений, искусственных покрытий и т.д. В связи с этим они в суточном ходе начинают терять больше тепловой энергии, чем получают тепла от солнца днем. Эти потери в тепловом балансе зданий не покрываются за счет внутренних источников тепла (электроприборов, труб горячего водоснабжения, метаболического тепловыделения людей И Т.Д.), и их необходимо компенсировать за счет работы отопительных систем - начинается отопительный период.

При высокой радиации и при реальных условиях облачности тепловой фон территории городской застройки и внутренней среды зданий находится в зоне комфорта без использования искусственных систем обогрева и охлаждения.

При избыточной радиации в городах умеренных широт, особенно тех, которые расположены в умеренном континентальном и резко континентальном климате, летом может наблюдаться перегрев зданий, их внутренней и наружной среды. В связи с этим перед архитекторами встает задача по защите архитектурной среды от избыточной инсоляции. Применяют соответствующие объемно-планировочные решения, выбирают оптимальную ориентацию зданий по сторонам горизонта, архитектурные солнцезащитные элементы фасадов и светопроемов. Если архитектурных средств по защите от перегрева оказывается недостаточно, то возникает необходимость искусственного кондиционирования внутренней среды зданий.

Радиационный режим также влияет на выбор ориентации и размеров светопроемов. При низкой радиации размер светопроемов может быть увеличен до любых размеров при условии сохранения теплопотерь через наружные ограждения на уровне не выше нормативного. При избыточной радиации светопроемы делаются минимальными по размерам, обеспечивающими требования по инсоляции и естественной освещенности помещений.

Светлота фасадов, определяющая их отражательную способность (альбедо), также выбирается исходя из требований солнцезащиты или, наоборот, с учетом возможности максимального поглощения солнечной радиации в районах с прохладным и холодным влажным климатом и со средним или незначительным уровнем солнечной радиации в летние месяцы. Для выбора облицовочных материалов, исходя из их отражающей способности, необходимо знать, какое количество солнечной радиации поступает к стенам зданий различной ориентации и какова способность различных материалов поглощать эту радиацию. Поскольку приход радиации к стене зависит от широты места и того, как ориентирована стена по отношению к сторонам горизонта, то от этого и будет зависеть нагрев стены и температура внутри примыкающих к ней помещений.

Поглощающая способность различных материалов отделки фасадов зависит от их цвета и состояния (табл. 1.10). Если известны месячные суммы солнечной радиации, поступающей на стены различной ориентации 1 и альбедо этих стен, то можно определить количество поглощенного ими тепла.

Таблица 1.10

Поглощающая способность строительных материалов

Данные о количестве приходящей солнечной радиации (прямой и рассеянной) при безоблачном небе на вертикальные поверхности различной ориентации приводятся в СП «Строительная климатология».

Подбирая соответствующие материалы и цвета для ограждающих конструкций зданий, т.е. меняя альбедо стен, можно изменять величину радиации, поглощаемую стеной и, таким образом, уменьшать или увеличивать нагрев стен солнечным теплом. Этот прием активно используется в традиционной архитектуре различных стран. Всем известно, что южные города отличаются общей светлой (белой с цветным декором) окраской большинства жилых домов, в то время как, например, скандинавские города - это в основном города, построенные из темного кирпича или с использованием для обшивки зданий теса с темной окраской.

Подсчитано, что 100 кВт ч/м 2 поглощенной радиации повышают температуру наружной поверхности примерно на 4°С. Такое количество радиации в среднем за час получают стены зданий в большинстве районов России, если они ориентированы на юг и восток, а также западные, юго-западные и юго-восточные, если они сделаны из темного кирпича и не оштукатурены или имеют штукатурку темного цвета.

Для перехода от средней за месяц температуры стены без учета радиации к наиболее часто употребляемой в теплотехнических расчетах характеристике - температуре наружного воздуха вводится дополнительная температурная добавка At, зависящая от месячного количества поглощаемой стеной солнечной радиации В к (рис. 1.15). Таким образом, зная интенсивность суммарной солнечной радиации, приходящей к стене, и альбедо поверхности этой стены, можно рассчитать ее температуру, вводя соответствующую поправку к температуре воздуха.

В к, кВт ч/м 2

Рис. 1.15. Увеличение температуры наружной поверхности стены за счет поглощения солнечной радиации

В общем случае температурная добавка за счет поглощенной радиации определяется при прочих равных условиях, т.е. при той же температуре воздуха, его влажности и термическом сопротивлении ограждающей конструкции, независимо от скорости ветра.

При ясной погоде в полуденные часы южные, до полудня - юго-восточные и после полудня - юго-западные стены могут поглощать до 350-400 кВт ч/м 2 солнечного тепла и нагреваются так, что их температура на 15-20°С может превышать температуру наружного воздуха. При этом создаются большие температурные кон-

трасты между стенами одного и того же здания. Эти контрасты в некоторых районах оказываются существенными не только летом, но и в холодное время года при солнечной маловетреной погоде, даже при очень низкой температуре воздуха. Особенно сильному перегреву подвергаются металлические конструкции. Так, по имеющимся наблюдениям, в Якутии, расположенной в умеренном резко континентальном климате, характеризующимся малооблачной погодой зимой и летом, в полуденные часы при ясном небе алюминиевые части ограждающих конструкций и кровля Якутской ГЭС нагреваются на 40-50°С выше температуры воздуха, даже при низких значениях последней.

Перегрев инсолируемых стен за счет поглощения солнечной радиации необходимо предусматривать уже на стадии архитектурного проектирования. Этот эффект требует не только защиты стен от избыточной инсоляции архитектурными методами, но и соответствующих планировочных решений зданий, применения различных по мощности систем отопления для различно ориентированных фасадов, закладки в проект швов для снятия напряжения в конструкциях и нарушения герметичности стыков из-за их температурных деформаций и т.д.

В табл. 1.11 в качестве примера приводятся месячные суммы поглощенной солнечной радиации в июне для нескольких географических объектов бывшего СССР при заданных значениях альбедо. Из этой таблицы видно, что если альбедо северной стены здания 30%, а южной - 50%, то в Одессе, Тбилиси и Ташкенте они будут нагреваться в одинаковой степени. Если в северных районах альбедо северной стены снизить до 10%, то она получит тепла почти в 1,5 раза больше, чем стена с альбедо 30%.

Таблица 1.11

Месячные суммы солнечной радиации, поглощаемой стенами зданий в июне при различных значениях альбедо (кВт ч/м 2)

В приведенных выше примерах, основанных на данных о суммарной (прямой и рассеянной) солнечной радиации, содержащихся в СП «Строительная климатология» и климатических справочниках, не учтена отраженная от земной поверхности и окружающих предметов (например, существующей застройки) солнечная радиация, поступающая на различные стены зданий. Она меньше зависит от их ориентации, поэтому в нормативных документах по строительству и не приводится. Однако эта отраженная радиация может быть достаточно интенсивной и по мощности сопоставимой с прямой или рассеянной радиацией. Поэтому при архитектурном проектировании ее необходимо учитывать, рассчитывая для каждого конкретного случая.

Солнечная радиация — поступающая на Землю энергия солнечного излучения в виде потока электромагнитных волн.

Солнце распространяет вокруг себя мощное электромагнитное излучение. Всего одна двухмиллиардная его доля попадает в верхние слои атмосферы Земли, но и она составляет огромное число калорий в минуту.

Далеко не весь энергетический поток достигает поверхности Земли - большая его часть отбрасывается планетой в мировое пространство. Земля отражает атаку тех лучей, которые губительны для живого вещества планеты. На дальнейшем пути к Земле солнечные лучи встречают препятствия в виде наполняющих атмосферуводяного пара, молекул углекислого газа и частичек пыли, взвешенных в воздухе. Атмосферный «фильтр» поглощает значительную часть лучей, рассеивает их, отражает. Особенно велика отражательная способность облаков. В результате непосредственно земная поверхность получает лишь 2/3 той радиации, которая пропускается озоновым экраном. Но и из этой части многое отражается в соответствии с отражательной способностью различных поверхностей.

На всю поверхность Земли поступает чуть более 100000 калорий на 1 см2 в минуту. Эта радиация поглощается растительностью, почвой, поверхностью морей и океанов. Она превращается в тепло, которое расходуется на прогревание слоев атмосферы, движение воздушных и водных масс, на создание всего великого разнообразия форм жизни на Земле.

Солнечная радиация поступает на земную поверхность различными путями:

1. прямая радиация: поступление радиации непосредственно от Солнца, если оно не закрыто облаками;
2. рассеянная радиация: поступление радиации от небесного свода или облаков, рассеивающих солнечные лучи;
3. тепловая: поступление радиации происходит от атмосферы, нагревшейся в результате воздействия радиации.

Прямая и рассеянная радиация поступает только днем. Вместе они составляют суммарную радиацию. Та солнечная радиация, которая остается после потери на отражение от поверхности, называется поглощенной.

Солнечную радиацию измеряют с помощью прибора, который называется актинометром.

Солнце заливает Землю целым океаном энергии, который практически неисчерпаем, поэтому в последние годы все большее внимание уделяется проблеме использования солнечной энергии в хозяйстве. В разных странах уже работают солнечные опреснители, водонагреватели, сушители. Полностью на энергии солнечной радиации работают запускаемые с Земли искусственные спутники, космические корабли, лаборатории.

Солнечная радиация википедия
Поиск по сайту:

На изменения притока тепла в короткие периоды времени и на неравномерное распределение его в ландшафтной оболочке влияет ряд обстоятельств, из которых мы рассмотрим наиболее важные.

Небольшие периодические изменения радиации зависят прежде всего от того, что Земля обращается вокруг Солнца по эллиптической орбите и, следовательно, расстояние её от Солнца меняется. В перигелии, т. е. в наиболее близкой к Солнцу точке орбиты (Земля бывает в ней в настоящую эпоху 1 января), расстояние равно 147 млн. км; в афелии, т. е. наиболее удалённой от Солнца точке орбиты (3 июля), это расстояние уже 152 млн. км; разница составляет 5 млн. км. В соответствии с этим в начале января радиация увеличивается на 3,4% по сравнению со средней (т. е. вычисленной для среднего расстояния от Земли до Солнца), а в начале июля на 3,5% уменьшается.

Весьма важным фактором, определяющим количество радиации, получаемое тем или иным участком земной поверхности, является угол падения солнечных лучей. Если J - интенсивность радиации при вертикальном падении лучей, то при встрече их с поверхностью под углом α интенсивность радиации будет J sin α: чем острее угол, тем на большую площадь должна распределиться энергия пучка лучей и, стало быть, тем меньше её придётся на единицу площади.

Угол, образуемый солнечными лучами с земной поверхностью, зависит от рельефа местности, географической широты и высоты Солнца над горизонтом, изменяющейся как в течение суток, так и в течение года.

На неровной местности (всё равно, идёт ли речь о горах или мелких неровностях) различные элементы рельефа освещаются Солнцем неодинаково. На солнечном склоне холма угол падения лучей больше, чем на равнине у подножия холма, но на противоположном склоне этот угол очень мал. Под Ленинградом склон холма, обращённый к югу и наклоненный под углом в 10°, находится в тех же тепловых условиях, что и горизонтальная площадка под Харьковом.

Зимой обращённые к югу крутые склоны обогреваются лучше, чем пологие (так как Солнце стоит в общем низко над горизонтом). Летом пологие склоны южной экспозиции получают тепла больше, а крутые меньше, чем горизонтальная поверхность. Склоны северной экспозиции в нашем полушарии во все сезоны получают наименьшее количество радиации.

Зависимость угла падения солнечных лучей от географической широты довольно сложная, так как при существующем угле наклона эклиптики высота Солнца в данном месте (значит, и угол падения солнечных лучей на плоскость горизонта) меняется не только за сутки, но и в году.

Наибольшая полуденная высота, какой на широте φ. Солнце достигает в дни равноденствий, составляет 90° - φ, в день летнего солнцестояния 90°- φ +23°,5 и в день зимнего солнцестояния 90° - φ - 23°,5.

Следовательно, наибольший угол падения солнечных лучей в полдень на экваторе в году изменяется от 90° до 66°,5, а на полюсе от -23°,5 до + 23°,5, т. е. практически от 0° до + 23°,5 (так как отрицательный угол характеризует величину погружения Солнца под горизонт).

Большую роль в преобразовании солнечной радиации играет газовая оболочка Земли. Частички воздуха, водяного пара и пылинки рассеивают солнечный свет; благодаря этому днём светло и при отсутствии прямых солнечных лучей. Атмосфера, кроме того, поглощает некоторое количество лучистой энергии, т. е. переводит её в тепловую. Наконец, солнечная радиация, поступающая в атмосферу, частично отражается обратно в мировое пространство. Особенно сильными отражателями служат облака.

В результате не вся радиация, поступившая на границу атмосферы, достигает поверхности Земли, а лишь часть её и притом качественно (по спектральному составу) изменённая, так как волны короче 0,3 μ, энергично поглощаемые кислородом и озоном, до земной поверхности не доходят, а видимые волны неодинаково рассеиваются.

Очевидно, что при отсутствии атмосферы тепловой режим Земли отличался бы от того, какой на самом деле наблюдается. Для целого ряда расчётов и сопоставлений нередко бывает удобно устранить влияние атмосферы на радиацию, иметь понятие о радиации в чистом виде. С этой целью вычисляют так называемую солнечную постоянную, т. е. количество тепла, приходящееся в 1 мин. на 1 кв. см перпендикулярной к солнечным лучам чёрной (поглощающей всю радиацию) поверхности, которое Земля получала бы при своём среднем расстоянии от Солнца и при отсутствии атмосферы. Солнечная постоянная равна 1,9 кал.

При наличии атмосферы особое значение приобретает такой фактор, влияющий на радиацию, как длина пути солнечного луча в атмосфере. Чем большую толщу воздуха должен пронизывать солнечный луч, тем больше потеряет он энергии в процессах рассеяния, отражения и поглощения. Длина пути луча непосредственно зависит от высоты Солнца над горизонтом и, следовательно, от времени суток и времени года. Если длину пути солнечного луча сквозь атмосферу при высоте Солнца 90° принять за единицу, тогда длина пути при высоте Солнца 40° удвоится, при высоте 10° станет равной 5,7 и т. д.

Для теплового режима земной поверхности очень важна ещё продолжительность освещения её Солнцем. Так как Солнце светит только днём, то определяющим фактором здесь будет длина дня, меняющаяся по временам года.

Наконец, необходимо помнить, что, хотя интенсивность радиации измеряется по отношению к поверхности, поглощающей всю радиацию, на самом деле солнечная энергия, падающая на различные по своей природе тела, поглощается далеко не одинаково. Отношение отражённой радиации к падающей называется альбедо. Давно известно, что альбедо чёрной почвы, светлых скал, травянистого пространства, зеркала водоёма и т. п. сильно разнятся. Светлые пески отражают 30-35%, чёрная почва (гумус) 26%, зелёная трава 26% радиации. Для свежевыпавшего чистого и сухого снега альбедо может достигать 97%. Влажная почва поглощает радиацию иначе, чем сухая: синяя сухая глина отражает 23% радиации, та же глина мокрая 16%. Следовательно, даже при одном и том же притоке радиации, в одних и тех же условиях рельефа, различные точки земной поверхности будут получать различное количество тепла.

Из периодических факторов, обусловливающих известный ритм в колебаниях радиации, особое значение имеет смена времён года.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .

Вконтакте

Одноклассники

Под солнечной радиацией понимают излучение Солнца, которое измеряется по ее тепловому действию и интенсивности.

Та солнечная радиация, которая непосредственно доходит до поверхности Земли, называется прямой солнечной радиацией . Часть солнечной радиации рассеивается в атмосфере, после чего уже доходит до поверхности планеты, такую радиацию называют рассеянной солнечной радиацией . Прямая и рассеянная радиации вместе составляют суммарную солнечную радиацию .

Суммарную солнечную радиацию определяют по тепловому действию на единицу поверхности за единицу времени. Выражают в калориях или джоулях.

Количество суммарной солнечной радиации, попадающей на поверхность зависит от высоты Солнца, продолжительности дня, свойств атмосферы (ее прозрачности, облачности).

Так как Земля имеет шарообразную форму, то наиболее высоко над горизонтом Солнце поднимается на экваторе. Здесь солнечные лучи падают перпендикулярно поверхности. При движении к полюсам солнечные лучи падают уже под все большим наклоном и поэтому приносят все меньше тепла. Кроме того, чем ближе к экватору, тем длиннее день, и, следовательно, поверхность получает больше тепла.

Однако на суммарную солнечную радиацию влияет не только географическая широта.

Солнечная радиация и её влияние на организм человека и климат

На экваторе высокая облачность и влажность, это препятствует прохождению солнечных лучей. Поэтому здесь суммарная солнечная радиация меньше, чем в континентальном тропическом климате (например, территория Сахары).

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

Причины возникновения солнечного излучения

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

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

Спектр солнечного излучения

Спектр солнечного излучения включает как коротковолновые, так длинноволновые области:

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

Свыше 95% излучения Солнца приходится на область «оптического окна» - видимого участка спектра с прилегающими областями ультрафиолетовых и инфракрасных волн.

Что такое солнечная радиация? Виды излучения и его влияние на организм

По мере прохождения через слои атмосферы действие солнечных лучей ослабляется - вся ионизирующая радиация, рентгеновские лучи и почти 98% ультрафиолета задерживаются земной атмосферой. Практически без потерь до земли доходит видимый свет и инфракрасное излучение, хотя и они частично поглощаются молекулами газов и частицами пыли, находящимися в воздухе.

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

Где солнечное ионизирующее облучение сильнее?

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

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

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

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

Солнечные вспышки - высокая радиационная опасность

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

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

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

Как себя обезопасить?

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

Суммарная солнечная радиация и радиационный баланс

Суммарная радиация – это сумма прямой (на горизонтальную поверхность) и рассеянной радиации. Состав суммарной радиации, т. е. соотношение между прямой и рассеянной радиацией, меняется в зависимости от высоты солнца, прозрачности, атмосферы и облачности.

До восхода солнца суммарная радиация состоит полностью, а при малых высотах солнца – преимущественно из рассеянной радиации. С увеличением высоты солнца доля рассеянной радиации в составе суммарной при безоблачном небе уменьшается: при h = 8° она составляет 50%, а при h = 50° – только 10-20%.

Чем прозрачнее атмосфера, тем меньше доля рассеянной радиации в составе суммарной.

3. В зависимости от формы, высоты и количества облаков доля рассеянной радиации увеличивается в разной степени. Когда солнце закрыто плотными облаками, суммарная радиация состоит только из рассеянной. При таких облаках рассеянная радиация лишь частично восполняет уменьшение прямой, и поэтому увеличение количества и плотности облаков в среднем сопровождается уменьшением суммарной радиации. Но при небольшой или тонкой облачности, когда солнце совсем открыто или не полностью закрыто облаками, суммарная радиация за счет увеличения рассеянной может оказаться больше, чем при ясном небе.

Суточный и годовой ход суммарной радиации определяется главным образом изменением высоты солнца: суммарная радиация изменяется почти прямо пропорционально изменению высоты солнца.

Солнечная радиация или ионизирующее излучение солнца

Но влияние облачности и прозрачности воздуха сильно усложняет эту простую зависимость и нарушает плавный ход суммарной радиации.

Суммарная радиация существенно зависит также от широты места. С уменьшением широты ее суточные суммы увеличиваются, причем, чем меньше широта места, тем равномернее суммарная радиация распределяется по месяцам, т. е. тем меньше амплитуда ее годового хода. Например, в Павловске (φ = 60°) ее месячные суммы составляют от 12 до 407 кал/см 2 , в Вашингтоне (φ = 38,9°) – от 142 до 486 кал/см 2 , а в Такубае (φ = 19°) – от 307 до 556 кал/см 2 . Годовые суммы суммарной радиации также увеличиваются с уменьшением широты. Однако в отдельные месяцы суммарная радиация в полярных районах может быть больше, чем в более низких широтах. Например, в бухте Тихой в июне суммарная радиация на 37% больше, чем в Павловске, и на 5% больше чем в Феодосии.

Непрерывные наблюдения в Антарктиде за последние 7-8 лет показывают, что месячные суммы суммарной радиации в этом районе в самом теплом месяце (декабре) примерно в 1,5 раза больше, чем на таких же широтах в Арктике, и равны соответствующим суммам в Крыму и в Ташкенте. Даже годовые суммы суммарной радиации в Антарктиде больше, чем, например, в Санкт-Петербурге. Такой значительный приход солнечной радиации в Антарктиде объясняется сухостью воздуха, большой высотой антарктических станций над уровнем моря и высокой отражательной способностью снежной поверхности (70-90%), увеличивающей рассеянную радиацию

Разность между всеми приходящими на деятельную поверхность и уходящими от нее потоками лучистой энергии называется радиационным балансом деятельной поверхности. Иначе говоря, радиационный баланс деятельной поверхности представляет собой разность между приходом и расходом радиации на этой поверхности. Если поверхность горизонтальна, то к приходной части баланса относятся прямая радиация, приходящая на горизонтальную поверхность, рассеянная радиация и встречное излучение атмосферы. Расход радиации слагается из отраженной коротковолновой, длинноволнового излучения деятельной поверхности и отраженной от нее части встречного излучения атмосферы.

Радиационный баланс представляет собой фактический приход, или расход лучистой энергии на деятельной поверхности, от которого зависит, будет ли происходить ее нагревание или охлаждение. Если приход лучистой энергии больше ее расхода, то радиационный баланс положителен и поверхность нагревается. Если же приход меньше расхода, то радиационный баланс отрицателен и поверхность охлаждается. Радиационный баланс в целом, как и отдельные составляющие его элементы, зависит от многих факторов. Особенно сильно на него влияют высота солнца, продолжительность солнечного сияния, характер и состояние деятельной поверхности, замутнение атмосферы, содержание в ней водяного пара, облачность и др.

Мгновенный (минутный) баланс днем обычно положителен, особенно летом. Примерно за 1 час до захода солнца (исключая зимнее время) расход лучистой энергии начинает превышать ее приход, и радиационный баланс становится отрицательным. Приблизительно через 1 час после восхода солнца он снова становится положительным. Суточный ход баланса днем при ясном небе примерно параллелен ходу прямой радиации. В течение ночи радиационный баланс обычно изменяется мало, но под влиянием переменной облачности он может изменяться значительно

Годовые суммы радиационного баланса положительны на всей поверхности суши и океанов, кроме районов с постоянным снежным или ледяным покровом, например Центральной Гренландии и Антарктиды. Севернее 40° северной широты и южнее 40° южной широты зимние месячные суммы радиационного баланса отрицательны, причем период с отрицательным балансом увеличивается в направлении к полюсам. Так, в Арктике эти суммы положительны только в летние месяцы, на широте 60° – в течение семи месяцев, а на широте 50° – в течение девяти месяцев. Годовые суммы радиационного баланса меняются при переходе с суши на море.

Радиационный баланс системы Земля-атмосфера представляет собой баланс лучистой энергии в вертикальном столбе атмосферы сечением 1 см 2 , простирающемся от деятельной поверхности до верхней границы атмосферы. Его приходная часть состоит из солнечной радиации, поглощенной деятельной поверхностью и атмосферой, а расходная – из той части длинноволнового излучения земной поверхности и атмосферы, которая уходит в мировое пространство. Радиационный баланс системы Земля-атмосфера положителен в поясе от 30° южной широты до 30° северной широты, а в более высоких широтах он отрицателен

Изучение радиационного баланса представляет большой практический интерес, так как этот баланс является одним из основных климатообразующих факторов. От его величины зависит тепловой режим не только почвы или водоема, но и прилежащих к ним слоев атмосферы. Знание радиационного баланса имеет большое значение при расчетах испарения, при изучении вопроса о формировании и трансформации воздушных масс, при рассмотрении влияния радиации на человека и растительный мир.

Страница 1 из 4

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛА И СВЕТА НА ЗЕМЛЕ

Солнце — звезда Солнечной системы, которая является для планеты Земля источником громадного количества тепла и ослепительного света. Несмотря на то, что Солнце находится от нас на значительном расстоянии и до нас доходит лишь небольшая часть его излучения, этого вполне достаточно для развития жизни на Земле. Наша планета вращается вокруг Солнца по орбите.

Солнечная радиация

Если с космического корабля наблюдать Землю в течение года, то можно заметить, что Солнце всегда освещает только какую-либо одну половину Земли, следовательно, там будет день, а на противоположной половине в это время будет ночь. Земная поверхность получает тепло только днем.

Наша Земля нагревается неравномерно.

Неравномерный нагрев Земли объясняется ее шарообразной формой, поэтому угол падения солнечного луча в разных районах различен, а значит, различные участки Земли получают различное количество тепла. На экваторе солнечные лучи падают отвесно, и они сильно нагревают Землю. Чем дальше от экватора, тем угол падения луча становится меньше, а следовательно, и меньшее количества тепла получают эти территории. Один и тот же по мощности пучок солнечного излучения обогревает у экватора гораздо меньшую площадь, так как он падает отвесно. Кроме того, лучи, падающие под меньшим углом, чем на экваторе, — пронизывая атмосферу, проходят в ней больший путь, вследствие чего часть солнечных лучей рассеивается в тропосфере и не доходит до земной поверхности. Все это свидетельствует о том, что при удалении от экватора к северу или к югу уменьшается температура воздуха, так как уменьшается угол падения солнечного луча.

23 4 Следующая >В конец >>