Рассеянная и суммарная радиация атмосферы


Еще лет двадцать назад, говоря о приходе тепла солнечной радиации к земной поверхности, имели в виду обычно лишь прямые солнечные лучи. Рассеянной радиации не придавали почти никакого значения, так как, не умея правильно ее измерять, не могли учесть ее роли в общем приходе лучистой энергии к земной поверхности. Но з. последнее время отношение к рассеянной радиации изменилось коренным образом. Мы научились ее измерять, оценили ее значение для Земли. Рассеянная радиация атмосферы'—это та же солнечная радиация, но только она доходит до земной поверхности не в виде прямых солнечных лучей, а в виде рассеянного потока.

Основное отличие рассеянной радиации от солнечной заключается в том, что при солнечной радиации мы имеем направленный поток лучей, тогда как рассеянная идет от всех мест небесного свода. Второе отличие заключается в том, что спектральный состав ее непостоянен: при безоблачном небе преобладает ультрафиолетовая радиация, при облачном небе максимум излучения перемещается к более длинным волнам — к красному концу спектра.

Так как первоисточником рассеянной радиации является солнечный луч, то вполне естественно ожидать, что величина рассеянной радиации самым тесным образом связана с высотой Солнца над горизонтом. Наблюдения подтверждают это: интенсивность рассеянной радиации увеличивается с увеличением высоты Солнца и уменьшается с уменьшением последней.

При безоблачном небе величина рассеянной радиации зависит от прозрачности атмосферы: чем меньше прозрачность атмосферы, тем значительнее рассеянная радиация, так как в этом случае в атмосфере появляются добавочные центры рассеивания (пылинки).

Измерения интенсивности потока рассеянной радиации при помощи специальных приборов показывают, что для безоблачного неба интенсивность этой радиации невелика — порядка сотых долей калорий на 1 квадратный сантиметр горизонтальной поверхности в 1 минуту.

Так как величина рассеянной радиации зависит от чистоты атмосферы, а также от ее плотности, то при подъеме на горы или в самолете величина рассеянной радиации должна уменьшаться, так как наиболее плотные и засоренные слои атмосферы окажутся ниже, а ведь именно эти слои играют основную роль в рассеивании солнечных лучей. Это подтверждается наблюдениями: чем выше производятся измерения, тем наблюдаемая рассеянная радиация меньше — обратно тому, что получается для прямых солнечных лучей.

Таким образом, величина рассеянной радиации при безоблачном небе невелика, и роль этой радиации в общем приходе лучистой энергии для земной поверхности незначительна.

Зато при наличии облаков рассеянная радиация значительно увеличивается. Это понятно: облака, состоящие из капелек воды или кристаллов льда, являются прекрасной рассеивающей средой. Насколько значительно увеличивается в этом случае рассеянная радиация, показывает рис. 13. На этом рисунке приведен результат записи в Павловске рассеянной радиаций атмосферы для двух последовательных дней 20 и 21 апреля 1935 года. 21-го день был безоблачный, а 20-го — высококучевые облака, полностью закрывавшие небесный свод. На рисунке показано, как велика радиация облачного неба по сравнению с безоблачным: так, около полудня 21 апреля она была 0,07 калории, а 20 апреля в то же время — 0,40 калории, то есть почти в шесть раз больше. Конечно, разные облака по-разному рассеивают солнечные лучи. Облака высоких форм, как, например, перистые, рассеивают радиацию по отношению к земной поверхности незначительно; облака низких, плотных форм (слоистые, дождевые) также немного; наибольшее рассеивание производят облака высококучевые и кучевые.

Из сказанного ясно, что величина рассеянной радиации может быть настолько значительной, что иной раз она способна конкурировать с величинами прямой солнечной радиации. Особенно велико значение рассеянной радиации для северной и полярной областей, где Солнце бывает сравнительно редко и весь приход радиации обусловливается главным образом рассеянной радиацией, прямая же солнечная играет второстепенную роль.

Даже из краткого изложения роли рассеянной радиации видно, какое большое значение имеют ее изучение и учет. В этом нуждается в первую очередь геофизика и метеорология: энергия, которую приносит эта радиация, играет немаловажную роль в процессах, происходящих на Земле и в нижних слоях атмосферы. Ботаника и агрономия тоже заинтересованы в изучении свойств, количества и качества рассеянной радиации. За последнее время ею заинтересовалась и медицина, так как в санаториях и на курортах ее используют для лечебных целей.

Суммарной радиацией называется общая величина потока лучистой энергии, достигающей земной поверхности как от Солнца, так и от небесного свода. В естественных условиях большей частью и происходит такой приход радиации.

В ясный, безоблачный день суммарная радиация складывается из прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность и рассеянной радиации безоблачного неба. При небесном своде, частично покрытом облаками, суммарная радиация складывается из солнечной, рассеянной атмосферой и рассеянной облаками радиации. При пасмурной погоде, то есть в тех условиях, когда небесный свод полностью покрыт облаками, мы получаем только радиацию, рассеянную облаками.

Для практических целей основное значение имеет изучение именно суммарной радиации, а не солнечной и рассеянной в отдельности, так как с суммарной радиацией связан основной ряд метеорологических процессов.

Многолетние записи на ряде актинометрических станций наблюдений как суммарной, так и по отдельности солнечной и рассеянной радиации (из сложения которых можно получить суммарную) дают возможность произвести учет этой радиации в различных климатических условиях.

Прежде чем перейти к изучению самих величин суммарной радиации, остановимся немного на соотношении между составляющими частями этой радиации как в годовом ходе, так и за год в целом.

На рис. 14 приведено процентное соотношение между приходом солнечной и рассеянной радиации. В верхней части рисунка это соотношение дано для самого северного пункта — бухты Тихой, в нижней — для наиболее южного пункта — города Ташкента. На этом рисунке проценты солнечной радиации заштрихованы.

В зимнее время в Ташкенте получается одинаковое количество тепла солнечной и рассеянной радиации. С весны перевес переходит на сторону солнечной радиации, которая непрерывно увеличивается до конца лета, когда на ее долю приходится 75 процентов всего прихода лучистой энергии. В дальнейшем, к зиме, роль солнечной радиации непрерывно уменьшается.

Другая картина получается для бухты Тихой. Прежде всего приход радиации наблюдается на этой станции только с марта по октябрь; в марте на долю солнечной радиации приходится 36 процентов, затем к лету процентное количество этой радиации уменьшается, в июне достигает 21 и к осени немного увеличивается. В годовом ходе получается обратное соотношение по сравнению с Ташкентом.

Если подсчитать соотношение между солнечной и рассеянной радиацией в среднем за год, то мы увидим, что роль этих радиаций в Ташкенте и бухте Тихой меняется. Для первого пункта на долю прямой солнечной радиации приходится 70 процентов, а на долю рассеянной — 30 процентов; для бухты Тихой обратная картина: прямая радиация Солнца дает 30 процентов, рассеянная — 70.

Теперь нам остается еще познакомиться с распределением суммарной радиации по земному шару, насколько это позволяют имеющиеся материалы.

В табл. 6 приведены средние годовые величины суммарной радиации для 23 мест.

Числа этой таблицы позволяют нам сделать ряд очень интересных выводов. Пункты в таблице расположены по уменьшающимся широтам. Сразу же бросается в глаза, что с уменьшением широты суммарная радиация увеличивается; от 57 больших калорий при широте 80°,3 она доходит до 170 при широте 36°,7, то есть увеличивается в три раза при уменьшении широты на 43 градуса.