Суммы тепла солнечной радиации


Все приведенные нами до сих пор данные о солнечном луче ограничивались в основном величинами напряжения солнечной радиации, то есть притоком тепла в 1 минуту.

Сколько же этого тепла получает земной шар как в целом, так и для отдельных мест за тот или другой промежуток времени? В настоящее время ученые имеют возможность подсчитать приход радиации по земному шару за сутки, месяц и год.

Мы, к примеру, с удивлением узнаем, что в самый длинный летний день полюс получает тепла солнечной радиации на 36 процентов больше, чем экватор. Даже при наличии атмосферы с таким небольшим коэффициентом прозрачности, как 0,7, полюс практически получает почти столько же тепла, сколько экватор — всего на 5 процентов меньше. Так как в нашем представлении Арктика сочетается с представлением о постоянном холоде, а область экватора — с жарой, то этот вывод кажется нам по началу абсурдным. В действительности же дело обстоит так.

На полюсе высота Солнца сравнительно небольшая: в день летнего солнцестояния она составляет 23 градуса и 30 минут. Но зато день длится там 24 часа. На экваторе же день продолжается 12 часов, причем за это время высота Солнца меняется от 0 до 90 градусов. В результате, как показывает подсчет, в эти сутки, а также и в ближайшие к ним, полюс получает тепла больше, чем экватор.

Но на полюсе на нагрев используется не все тепло, которое гуда попадает: большая часть лучистой энергии отражается от снега и никакого участия в нагревании не принимает. На экваторе же благодаря небольшой отражательной способности обнаженной почвы, растительности и воды большая часть солнечных лучей, достигающих земной поверхности, поглощается ею и идет на нагревание.

В день зимнего солнцестояния, начиная с широты 70 градусов и выше, Солнце совсем не поднимается над горизонтом. Экватор же в этот день получает столько же тепла, сколько и в день летнего солнцестояния. Для экватора атмосфера снижает приток тепла солнечных лучей на 42 процента, а для мест, расположенных севернее, — значительно больше; при этом чем больше широта, тем сильнее сказывается влияние атмосферы.

Прозрачность атмосферы значительно меняется с широтой, достигает максимальной величины в полярной области и, постепенно уменьшаясь, доходит до минимальной величины в области экватора. Это обусловлено главным образом изменением содержания водяных паров а атмосфере в зависимости от широты (температуры).

Интересно подсчитать, как менялся бы приток тепла солнечной радиации в зависимости от широты при безоблачном небе, то есть при безоблачной реальной атмосфере.

Оказывается, в Москве при постоянно безоблачном небе в мае, июне и июле получалось бы больше тепла солнечной радиации, чем на экваторе, даже на полюсе во вторую половину мая, в июне и первой половине июля его получалось бы больше, чем на экваторе; в июне и первой половине июля полюс получал бы больше, чем Москва.

Таков был бы приток солнечной радиации, если бы небо все время оставалось безоблачным. На самом деле этого нет, наличие облачности сильно влияет на полученные выводы. Но облачность — весьма изменчивый метеорологический элемент, и к тому же до настоящего времени мало изученный. Вот почему расчетами здесь многого не сделаешь, и: приходится прибегнуть к изучению непосредственных наблюдений.

Еще лет 10-15 назад, говоря о притоке тепла солнечной радиации к земной поверхности, ограничивались обычно приближенными расчетами, ибо непосредственных, непрерывных записей солнечной радиации: почти не было. За последние же 15 лет дело изменилось. Теперь имеется уже несколько десятков актинометрических станций, работающих без. всякого перерыва в продолжение нескольких лет и расположенных в. различных местах земного шара.

Особенно большое число таких станций находится на территории. СССР. Работа этих станций с помощью актинографов дает нам возможность определить в естественных условиях приход тепла солнечной радиации за сутки, месяц, год.

Эти приборы — актинографы — довольно сложны, требуют постоянного ухода, записи их нуждаются в кропотливой обработке, но зато они дают исключительно ценные результаты.

Наиболее длительные непрерывные ряды записей прихода солнечной радиации принадлежат Павловску. Для этого места мы имеем непрерывные, изо дня в день, без всяких пропусков, записи с 1912 по 1941 год, то есть за 30 лет. Нигде в другом месте земного шара этого не сделано.

Актинограф позволяет нам подсчитать приход радиации на 1 квадратный сантиметр вертикальной или горизонтальной поверхности за сутки; складывая суточные величины, получаем месячные, складываем месячные, — получаем годовые, притом в естественных условиях, при той облачности и прозрачности атмосферы, которые были на самом деле.

Так как основными факторами, влияющими на приток тепла для различных мест земного шара, являются высота Солнца над горизонтом и продолжительность дня, то в общем выводе мы должны ожидать, что в естественных условиях при перемещении с севера на юг сумма приходящей солнечной радиации будет возрастать.

На рис. 9 показан приход тепла солнечной радиации на горизонтальную поверхность для трех пунктов СССР. Нижняя кривая относится к бухте Тихой; это самая северная в мире актинометрическая станция (широта 80°3'). Средняя кривая принадлежит Павловску (широта 59°7'), а верхняя — Ташкенту (широта 41°3'). Таким образом, станции расположены друг от друга на расстоянии почти 20 градусов. В бухте Тихой в течение пяти месяцев — с октября по февраль — нет никакого прихода, так как в это время года Солнце не появляется из-под горизонта. Максимум прихода падает на июль — 3,2 большой калории. В Павловске приход радиации в течение года меняется от 0,07 большой калории в декабре до 8,4 большой калории в июле. В Ташкенте максимальный приход в июле 16,7 большой калории, минимальный в декабре — 1,9 большой калории.

Таким образом, если мы сравним приход радиации в этих трех пунктах для июля, то увидим, что Павловск получает в два с половиной раза больше, чем бухта Тихая, а Ташкент — в пять раз больше.

Зная приход солнечной радиации в естественных условиях для ряда пунктов, можно рассчитать, каков был бы он для тех же мест при отсутствии атмосферы или при идеальном ее состоянии. Этим способом мы обнаружим роль реальной атмосферы в различных климатических условиях.

На рис. 10, 11, 12 приводим в графическом виде результаты подсчетов для трех пунктов СССР. Верхняя кривая дает приход радиации, каким он был бы при отсутствии атмосферы, средняя — при идеальной атмосфере, нижняя — при реальной атмосфере. Таким образом, незаштрихованные области показывают, сколько радиации не доходит до земной поверхности, поглощаясь идеальной атмосферой; горизонтальная штриховка — сколько поглощает атмосфера в естественных условиях, а черный цвет — сколько доходит до земной поверхности. Эти рисунки очень наглядно характеризуют солнечный климат выбранных для иллюстрации пунктов. Хорошо видно, как много тепла солнечной радиации задерживается атмосферой и облаками, особенно в северных районах.

Непосредственно это тепло пропадает для земной поверхности, но значительная его часть идет на нагревание атмосферы, а часть достигает земной поверхности косвенным образом — в виде рассеянной радиации и длинноволнового излучения атмосферы.

Остается еще сравнить годовые суммы радиации для различных мест земного шара. Такое сравнение сделано в табл. 5, где приведены годовые суммы, приходящиеся на 1 квадратный сантиметр горизонтальной поверхности для ряда советских и зарубежных пунктов. Величина радиации дана в больших калориях.

Из этой таблицы видно, как увеличивается приток тепла солнечной радиации по мере перемещения с севера на юг, правда, со значительными отклонениями, вызываемыми местными климатическими условиями.

Минимальная сумма приходится на самый северный пункт — бухту Тихую, а максимальная — на Ташкент. Величиной поступающей радиации Ташкент резко выделяется из всех других, что подчеркивает солнечность этого места.