Радиационный режим

Солнечная радиация является главным источником тепловой энергии почти для всех природных процессов, развивающихся в атмосфере, гидросфере и в верхних слоях атмосферы. Наряду с этим использование солнечной энергии имеет исключительное значение в хозяйственной деятельности человека.

Солнечную радиацию составляют ультрафиолетовые лучи, видимое и инфракрасное излучения. Лучистая энергия устремляется к земле, достигает верхней границы биосферы, неся с собой тепловой заряд 2 кал/ см2 в мин. Из этого количества энергии не более 65%, или 1,34 кал/см2 в мин., достигает земной поверхности, что для умеренной зоны в солнечную погоду составляет, в зависимости от времени года, 100–800 кал/см2 в день.

Прямую солнечную радиацию (S) создает пучок параллельных солнечных лучей, поступающих на поверхность. Поскольку лучи падают не перпендикулярно к земной поверхности, а наклонно, что зависит от высоты солнца над горизонтом, то при расчетах вносится поправка на угол падения лучей (S1):

S1= S sin h0

где h0 – высота солнца над горизонтом (градус).

Величина солнечной радиации, поступающей на склоны, рассчитывается по формуле:

Sb = S cos h0 (A0), Sck = Sb sina + S1 cosa

где Sb – прямая солнечная радиация, поступающая на вертикальную поверхность, Sck – радиация, поступающая на склон, S1 – радиация, поступающая на горизонтальную поверхность, h0 – высота солнца, A0 – азимут солнца (в градусах), a – крутизна склона (в градусах), A – азимут нормали к вертикальной поверхности.

Проходя через атмосферу, прямая солнечная радиация рассеивается молекулами газа, твердыми и жидкими частицами, взвешенными в воздухе, облаками. Поэтому, кроме прямой выделяют и рассеянную солнечную радиацию (D), которая поступает на земную поверхность со всех точек небесного свода (измеряется актинометром как поступающая на горизонтальную поверхность).

Прямая солнечная радиация и рассеянная радиация относятся к коротковолновой части спектра с длиной волн от 0,17 до 4 мк, но фактически земной поверхности достигают лучи с длиной волны от 0,29 мк. Общий приход этой радиации (прямой и рассеянной) в сумме составляет так называемую суммарную радиацию (Q):

Q = S1 + D.

На земной поверхности происходит перераспределение солнечной радиации. Часть ее, в зависимости от характера поверхности, цвета, структуры и т.п., отражается обратно в атмосферу (отраженная коротковолновая радиация «R»). Другая часть поглощается растениями, почвой и пр. (поглощенная коротковолновая радиация «Bk») и рассчитывается как:

Bk = Q – R.

Отражательную способность поверхности именуют альбедо поверхности (A):

Наряду с коротковолновой радиацией на поверхность поступает длинноволновое излучение атмосферы (Ea), а земная поверхность, в свою очередь, излучает длинноволновую радиацию соответственно своей температуре (Ez). Длина волн как той, так и другой радиации колеблется от 4 до 40 мк. Разность собственного излучения дневной поверхности и атмосферы называется эффективным излучением (Ef). Обычно излучение земли больше, поэтому Ef чаще направлено вверх.

В каждый момент времени на земной поверхности осуществляется приход-расход лучистой энергии. Алгебраическая сумма приходных и расходных составляющих радиации называется радиационным балансом (B):

B = S1 + D + Ea – R – Ez,

или

B = Q – R – Ef.

В зависимости от отношения приходно-расходных составляющих знак радиационного баланса положительный (если поверхность земли поглощает больше радиации, чем отдает, поток направлен к земле) или отрицательным (если поверхность земли поглощает радиации меньше, чем отдает, поток направлен к земле. Этот баланс уравновешивается путем конденсации водяного пара в атмосфере и ее теплопроводностью.

Радиационный баланс во многом определяет тепловой баланс, определяет величину и знак потоков тепла в воздух и почву, суточный ход испарения и конденсации.

Лучистую энергию выражают в тепловых единицах на единицу площади за единицу времени: интенсивность радиации – кал/см2 мин; сумма радиации – кал/см2 в час, сутки, месяц, год. На метеостанциях измерения проводят 6 раз в сутки актинометрами, пиранометрами и другими приборами.

Приход солнечной радиации определяется прежде всего астрономическими факторами – продолжительностью дня и высотой солнца.

Солнечная радиация, поступающая на земную поверхность, является одним из основных климатообразующих факторов, но и она зависит от циркуляции атмосферы (что проявляется через облачность и прозрачность атмосферы), особенностей поверхности – высоты над уровнем моря, закрытости горизонта, альбедо поверхности.

Годовой приход прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность при ясном небе составляет 4399,5 МДж/м2 (по данным м/ст Корф) и увеличивается к югу до 5153,7 МДж/м2 (по данным м/ст Петропавловск). Годовые суммы рассеянной радиации при безоблачном ясном небе составляют 1131,3–1173,2 МДж/м2 [356].