Интенсивность солнечной радиации у земной поверхности


Таким образом, мы можем считать, что радиация, излучаемая Солнцем, практически остается постоянной.

От каких же причин она меняется, когда доходит до земной поверхности?

Таких причин несколько.

Известно, что Земля вращается вокруг Солнца не по кругу, а по эллипсу. Вследствие этого расстояние между Землей и Солнцем в продолжение всего года непрерывно меняется. Наименьшее расстояние бывает в январе, когда Земля находится в перигелии, а наибольшее — в июле, при нахождении Земли в афелии.

Благодаря этому каждый квадратный сантиметр поверхности, поставленной перпендикулярно к солнечным лучам, в январе будет получать солнечной радиации на 7 процентов больше, чем в июле. Эти периодические изменения, повторяющиеся из года в год, поддаются самому точному расчету и ни в каких измерениях не нуждаются.

Далее, в зависимости от высоты Солнца над горизонтом длина пути солнечного луча в атмосфере меняется очень значительно. Чем ниже Солнце над горизонтом, тем меньше солнечной радиации должно доходить до земной поверхности. Зная рассеивающие и поглощающие свойства так называемой идеальной атмосферы, то есть абсолютно чистой и сухой, можно рассчитать, какова была бы в этом случае радиация у земной поверхности, и сравнить с ней радиацию, наблюдаемую в естественных условиях.

Такое сопоставление сделано в табл. 1, в которой приведены величины для высот Солнца от 5-до 60 градусов.

Как видно из таблицы, наличие даже идеальной атмосферы очень сильно сказывается на солнечной радиации: чем меньше высота Солнца, тем значительнее ослабляется радиация.

Если бы атмосферы не было совсем, то при любой высоте Солнца мы всегда наблюдали бы одну и ту же величину — 1,88 калории. При высоте же Солнца 60 градусов идеальная атмосфера ослабляет солнечную радиацию на 0,22 калории, реальная же атмосфера ослабляет ее еще на 0,35 калории главным образом за счет содержания в реальной атмосфере водяных паров и пыли. В этом случае к земной поверхности доходит только 1,31 калории. При высоте Солнца 30 градусов идеальная атмосфера уменьшает радиацию на 0,31 калории, а до Земли доходит 1,11 калории. При высоте Солнца 5 градусов соответствующие цифры будут 0,73 и 0,39 калории. Вот как сильно атмосфера ослабляет солнечную радиацию!

На рис. 5 это свойство атмосферы видно особенно наглядно. Здесь по вертикали отложены высоты Солнца, по горизонтали — проценты ослабления.

Горизонтальная штриховка показывает ослабление солнечной радиации при идеальной атмосфере, наклонная — ослабление, вызываемое содержащимися в реальной атмосфере водяными парами и пылью, вертикальная — количество радиации, доходящей в конечном результате до земной поверхности.

Из этого графика видно, например, что при средней прозрачности атмосферы и при высоте Солнца 60 градусов до земной поверхности доходит 70 процентов радиации, при 30 градусах—60 процентов, а при 5 градусах — только 20 процентов.

Конечно, в отдельных случаях прозрачность атмосферы может значительно отличаться от средней, особенно в сторону ее уменьшения.

Интенсивность радиации, падающей на горизонтальную поверхность, зависит еще от угла ее падения.

Это поясняет рис. 6. Допустим, что солнечный луч сечением 1 квадратный метр падает на плоскость аб под разными углами. В положении I, когда луч падает перпендикулярно, вся энергия, заключающаяся в солнечном луче, распределится на площадь 1 квадратный метр. В положении II солнечные лучи падают под углом менее 90 градусов; в этом случае пучок солнечных лучей такого же поперечного сечения, как и в первом случае, падает на площадь вг, которая больше аб; следовательно, на единицу площади придется уже меньшее количество энергии.

В положении III лучи падают под еще меньшим углом; та же лучистая энергия распределится по еще большей площади де, и на единицу ее приходится еще меньшая величина.

Если луч будет падать под углом 30 градусов, то радиация на единицу площади получится в 2 раза меньше, чем при нормальном ее падении; при высоте Солнца 10 градусов ее получится меньше в 6 раз, а при высоте 5 градусов — в 12 раз.

Вот потому-то зимой при малой высоте Солнца приток радиации так мал. С одной стороны, он уменьшается оттого, что солнечный луч проходит длинный путь в атмосфере и много энергии теряет по пути; с другой стороны, и сама радиация падает под малым углом. Обе эти причины действуют в одну сторону, и напряжение солнечной радиации по сравнению с летним получается совсем ничтожное, а следовательно, и эффект нагрева незначителен; особенно, если еще принять во внимание, что зимние дни коротки.

Итак, основными причинами, которые влияют на количество солнечной радиации, достигающей земной поверхности, являются высота Солнца над горизонтом и угол падения радиации. Поэтому мы заранее должны ожидать значительных изменений солнечной радиации в зависимости от широты места.

Так как систематические наблюдения над солнечной радиацией к настоящему времени производятся уже на многих пунктах и в течение продолжительного времени, то интересно посмотреть, какие наибольшие величины были получены за это время в естественных условиях.

Солнечная постоянная — 1,88 калории. Такова величина радиации при отсутствии атмосферы. При идеальной атмосфере, в средних широтах, в летнее время, в околополуденные часы радиация была бы равна примерно 1,65 калории.

Что же дают непосредственные наблюдения в естественных условиях?

В табл. 2 приведена сводка наибольших величин солнечной радиации, полученных по наблюдениям за продолжительное время.

На территории СССР наибольшая измеренная величина радиации (для небольшой высоты над уровнем моря) — 1,51 калории. Второй столбец чисел показывает, какой процент радиации по сравнению с возможной при отсутствии атмосферы дошел до земной поверхности; оказывается, в самом лучшем случае доходит только 80 процентов; 20 процентов не допускает атмосфера. В полярных странах этот процент лишь немного меньше (70), что объясняется большой прозрачностью атмосферы в Арктике, особенно, если учесть, что высота Солнца во время наблюдений была там значительно меньше, чем в пунктах, расположенных южнее.

Вполне естественно, что на горах и вообще в более высоких слоях атмосферы интенсивность солнечной радиации должна увеличиваться, так как уменьшается масса атмосферы, проходимой солнечным лучом. При современном развитии авиации можно было бы ожидать, что произведены многочисленные измерения на разных высотах, но, к сожалению, дело обстоит не так: измерения на высотах единичны. Объясняется это сложностью актинометрических измерений на аэростатах и особенно на аэропланах; к тому же методика высотных измерений радиации разработана еще очень мало.