Солнечная радиация

Содержание

1.Солнечная  радиация………………………………………………………...….3

2. Солнечная  постоянная…………………………………………………………3

3. Радиационный баланс………………………………….………………………5

4. Энергетический баланс……………………………………………………...…7

5. Распределение  составляющих энергетического баланса……………………9

6. Современный  климат…………………………………………………………14

7.Список использованных  источников…………………………………………18

1. Солнечная  радиация

Солнце –  ближайшая к Земле звезда, принадлежащая  к классу желтых звезд карликов. Диаметр Солнца около 1,4 млн.км , среднее  расстояние от Земли 149,5 млн. км . В результате происходящих на Солнце ядерных реакция температура на его поверхности равна приблизительно 6000 К, что обуславливает излучение Солнцем значительного количества энергией.

Поступающая от Солнца на Землю радиация является единственной формой прихода лучистой энергией, определяющей энергетический баланс и термический режим Земли. Радиационная энергия, приходящая к земле от всех других небесных тел, на столько мала, что не оказывает сколько-нибудь заметного влияния на происходящие на Земле процессы теплообмена. В соответствии с температурой излучающей поверхности Солнца максимум радиационной энергии наблюдается при длинах волн около 0,50 мкм, причем основная часть энергии, излучаемой Солнцем, приходится на интервал длин волн 0,3-2,0 мкм.

При удалении от Солнца интенсивность его излучения  изменяется обратно пропорционально  квадрату расстояния. Так как Земля  движется вокруг Солнца по эллиптической  орбите, интенсивность солнечной  радиации, приходящей на внешнюю границу  атмосферы, изменяется в течение года в соответствии с изменением расстояния между Землей и Солнцем. Наименьшее расстояние Земли от Солнца отмечается в начале января и составляет 147 млн. км. Наибольшее расстояние, достигаемое в начале июня, равно 153 млн. км.

2. Солнечная  постоянная

Поток солнечной  энергии за единицу времени через  площадку единичного размера, перпендикулярно  солнечным лучам и расположенную  вне атмосферы на среднем расстоянии от Земли, называют солнечной постоянной. В связи с изменениями расстояния Земли от Солнца фактические значения потоков солнечной энергии на внешней границе атмосферы Земли отличаются от солнечной постоянной. Эти отличия достигают 3,5%.

Вопрос об определении  величины солнечной постоянной рассматривался в многочисленных исследованиях. В течение длительного времени солнечная постоянная находилась по данным наземных актинометрических наблюдений. Такой метод определения ее величины был связан с заметными погрешностями, поскольку приходилось учитывать ослабление потока солнечной радиации в атмосфере, что можно было сделать только приближенно.

В последнее  время были выполнены наблюдения за величиной солнечной постоянной на больших высотах, в том числе  и на спутниках Земли. Эти наблюдения привели к заключению, что солнечная  постоянная равна 1368 Вт/м².

Наблюдения  на спутниках показали, что солнечная  постоянная может на короткое время  изменяться на величину от 0,1%-0,2% . Вопрос о возможности ее длительных изменений, относящихся к интервалам больше года, пока еще не выяснен, в связи с чем значение этих изменений для колебания климата не может считаться доказанным.

Зная величину солнечной постоянной, можно рассчитать, сколько энергии поступило бы на поверхность Земли в различных  широтах при отсутствии влияния  атмосферы на радиацию.Наибольшие суточные суммы радиации наблюдаются под полюсами в периоды летнего солнцестояния. Следует отметить, что в периоды при перемещении к более низким широтам после некоторого снижения радиации наблюдается небольшой второй максимум, который после перехода в южное полушарие сменяется областью снижения радиации вплоть до нулевых значений. В периоды равноденствий максимум радиации приходится на экватор, причем при увеличении широты суммы радиации убывают сначала медленно, а затем все быстрее. В высотах широтах зимой радиация мала и равна нуля.

В действительности атмосфера не является вполне прозрачной средой для солнечной радиации. Заметная часть поступающей от Солнца радиации поглощается и рассеивается в  атмосфере, а также отражается обратно  в мировое пространство. Особенно большое влияние на распространение солнечной радиации оказывают облака, однако и при отсутствии облачности солнечная радиация в атмосфере существенно изменяется.

Радиация Солнца поглощается в атмосфере водяным  паром и каплями воды, озоном, углекислым газом и пылью. Рассеяние солнечной радиации обуславливается как молекулами воздуха, так и различными примесями – пылью, водяными каплями и т.д.

Прошедший через  атмосферу поток прямой солнечной  радиации зависит от прозрачности атмосферы, а также от высоты Солнца, которая определяет длину пути солнечных лучей в атмосфере. Наибольшее значение потока прямой радиации наблюдается при безоблачном небе и высокой прозрачности атмосферы. В таких условиях на перпендикулярную поверхность может достигать 1000-1200 Вт/м². Средние полуденные значения этого потока в средних широтах обычно равны 700-900 Вт/м². При уменьшении высоты Солнца в суточном ходе прямая солнечная радиация заметно уменьшается в соответствии с возрастанием оптической массы атмосферы.

Количество рассеянной радиации, поступающей к земной поверхности, изменяется в широких пределах, главным образом в зависимости от условий облачности и высоты Солнца. Теоретический расчет этого потока радиации довольно сложен и не дает вполне точных результатов. Имеющиеся данные наблюдения позволяют заключить, что во многих случаях поток рассеянной радиации сравним по величине с потоком прямой радиации, приходящей на горизонтальную поверхность. Наибольшие значения рассеянной радиации наблюдается при наличии облачности. Существенное влияние на рассеянную радиацию оказывает отражательная способность земной поверхности. В частности, рассеянная радиация заметно возрастает при наличии снежного покрова, который отражает значительное количество солнечной энергии.

Общая картина основных преобразований энергии Солнца в географической оболочке Земли имеет следующий вид. Поток солнечной радиации на среднем расстоянии Земли от Солнца равен величине солнечной постоянной. Вследствие шарообразности Земли на единицу поверхности внешней границы атмосферы в среднем поступает четвертая часть общей величины потока – около 340 Вт/м², причем приблизительно 240 Вт/м² поглощается Землей как планетой. При этом существенно, что большая часть общего количества поглощенной солнечной радиации поглощается поверхностью Земли, тогда как атмосфера поглощает значительно меньшую часть.

3. Радиационный  баланс

Поверхность Земли, нагретая в результате поглощения солнечной  радиации, становится источником длинноволнового  излучения, передающего тепло в  атмосферу. Содержащиеся в атмосфере водяной пар, пыль и различные газы, поглощающие длинноволновую радиацию, задерживают длинноволновое излучение земной поверхности. В связи с этим значительная часть излучения земной поверхности компенсируется противоизлучением атмосферы. Разность собственного излучения поверхности Земли и поглощаемого земной поверхностью противоизлучения атмосферы называется эффективным излучением. Эффективное излучение земной поверхности зависит главным образом от температуры земной поверхности, влагосодержания воздуха и облачности. В зависимости от этих факторов эффективное излучение может изменяться от значений, близких к нулю, до нескольких сот Вт/м². Эффективное излучение обычно в несколько раз меньше потока длинноволнового излучения земной поверхности, который наблюдался бы при полной прозрачности атмосферы для длинноволновой радиации. Сумма потоков радиационной энергии, приходящих к поверхности Земли и уходящих от нее, называется радиационным балансом земной поверхности. Очевидно, что радиационный баланс равен разности между количеством прямой и рассеянной радиации, поглощаемой земной поверхностью, и эффективным излучением.

Радиационный  баланс может быть положительным (днем, летом) и отрицательным (ночью, зимой); измеряется в кВт/кв.м/мин.

Радиационный  баланс земной поверхности - важнейший  компонент теплового баланса  земной поверхности; один из основных климатообразующих факторов. Энергия  радиационного баланса земной поверхности  расходуется на нагревание атмосферы, испарение, теплообмен с другими слоями гидросферы и литосферы.

На Землю  поступает мощный поток солнечной  энергии, который поддерживает жизнь  и возвращается в космическое  пространство в виде теплового излучения. Можно говорить о системах превращения  энергии из одной формы в другую, а именно – энергии солнечного излучения в химическую энергию, накапливаемую фотосинтезирующими растениями, а ее – в другие формы по мере прохождения пищевых цепей. Большая часть поступающей солнечной энергии превращается непосредственно в тепло: происходит нагревание почвы, воды, а от них атмосферного воздуха. Приобретенное этими составляющими геосфер тепло в существенной мере определяет климат, погоду, движение воздушных и водных масс, в конце концов обогревает все живущее на нашей планете. Постепенно тепло отдается в космическое пространство, где и теряется. В огромном потоке энергии для экосистем всех размеров есть вполне определенное место. Как установлено, в экосистемах используется весьма малая часть потока энергии.

Вся огромная масса  растений использует всего 0,5% поступающей на Землю солнечной энергии. В любом случае поступающего солнечного излучения заведомо достаточно для удовлетворения любых немыслимых потребностей человечества как части биосферы. В связи с тем, что большая часть поступающей на Землю солнечной энергии при любом использовании, в конечном счете, превращается в тепло, то увеличение использования солнечной энергии не может сколько-нибудь ощутимо повлиять на динамику биосферных процессов.

4. Энергетический  баланс

Энергетический или тепловой баланс Земли это соотношение прихода и расхода энергии (лучистой и тепловой) на земной поверхности, в атмосфере и в системе Земля — атмосфера. Основным источником энергии для подавляющего большинства физических, химических и биологических процессов в атмосфере, гидросфере и в верхних слоях литосферы является солнечная радиация, поэтому распределение и соотношение составляющих теплового баланса характеризуют её преобразования в этих оболочках. 
  Тепловой баланс представляет собой частные формулировки закона сохранения энергии и составляются для участка поверхности Земли; для вертикального столба, проходящего через атмосферу; для такого же столба, проходящего через атмосферу и верхние слои литосферы или гидросферу (система Земля — атмосфера). 
  Уравнение теплового баланса земной поверхности: R + P + F₀ + LE = 0 представляет собой алгебраическую сумму потоков энергии между элементом земной поверхности и окружающим пространством. В число этих потоков входит радиационный баланс R — разность между поглощённой коротковолновой солнечной радиацией и длинноволновым эффективным излучением с земной поверхности. Положительная или отрицательная величина радиационного баланса компенсируется несколькими потоками тепла. Так как температура земной поверхности обычно не равна температуре воздуха, то между подстилающей поверхностью и атмосферой возникает поток тепла Р. Аналогичный поток тепла F₀ наблюдается между земной поверхностью и более глубокими слоями литосферы или гидросферы. При этом поток тепла в почве определяется молекулярной теплопроводностью, тогда как в водоёмах теплообмен, как правило, имеет в большей или меньшей степени турбулентный характер. Поток тепла F₀ между поверхностью водоёма и его более глубокими слоями численно равен изменению теплосодержания водоёма за данный интервал времени и переносу тепла течениями в водоёме. Существенное значение в тепловом балансе земной поверхности обычно имеет расход тепла на испарение LE, который определяется как произведение массы испарившейся воды Е на теплоту испарения L. Величина LE зависит от увлажнения земной поверхности, её температуры, влажности воздуха и интенсивности турбулентного теплообмена в приземном слое воздуха, которая определяет скорость переноса водяного пара от земной поверхности в атмосферу. 
  Уравнение баланса атмосферы имеет вид: R_a + L_r + P + F_a = DW. 
 
  Тепловой баланс атмосферы слагается из её радиационного баланса R_a; прихода или расхода тепла L_r при фазовых преобразованиях воды в атмосфере (г — сумма осадков); прихода или расхода тепла Р, обусловленного турбулентным теплообменом атмосферы с земной поверхностью; прихода или расхода тепла F_a, вызванного теплообменом через вертикальные стенки столба, который связан с упорядоченными движениями атмосферы и макротурбулентностью. Кроме того, в уравнение баланса атмосферы входит член DW, равный величине изменения теплосодержания внутри столба. 
  Уравнение баланса системы Земля — атмосфера соответствует алгебраической сумме членов уравнений теплового баланса земной поверхности и атмосферы. Составляющие баланса земной поверхности и атмосферы для различных районов земного шара определяются путём метеорологических наблюдений (на актинометрических станциях, на специальных станциях, на метеорологических спутниках Земли) или путём климатологических расчётов. 
 На единицу поверхности внешней границы атмосферы поступает поток солнечной радиации, равный в среднем около 250 ккал/см² в год, из которых около   отражается в мировое пространство, а 167 ккал/см² в год поглощает Земля. Земной поверхности достигает коротковолновая радиация, равная 126 ккал/см² в год; 18 ккал/см² в год из этого количества отражается, а 108 ккал/см² в год поглощается земной поверхностью. Атмосфера поглощает 59 ккал/см² в год коротковолновой радиации, то есть значительно меньше, чем земная поверхность. Эффективное длинноволновое излучение поверхности Земли равно 36 ккал/см² в год, поэтому радиационный баланс земной поверхности равен 72 ккал/см² в год. Длинноволновое излучение Земли в мировое пространство равно 167 ккал/см² в год. Таким образом, поверхность Земли получает около 72 ккал/см² в год лучистой энергии, которая частично расходуется на испарение воды и частично возвращается в атмосферу посредством турбулентной теплоотдачи. 
  Данные о составляющих теплового баланса. используются при разработке многих проблем климатологии, гидрологии суши, океанологии; они применяются для обоснования численных моделей теории климата и для эмпирической проверки результатов применения этих моделей. Материалы играют большую роль в изучении изменений климата, их применяют также в расчётах испарения с поверхности речных бассейнов, озёр, морей и океанов, в исследованиях энергетического режима морских течений, для изучения снежных и ледяных покровов, в физиологии растений для исследования транспирации и фотосинтеза, в физиологии животных для изучения термического режима живых организмов.

5. Распределение составляющих энергетического баланса

Изучение энергетического  баланса земного шара было начато в XIX в., когда были изобретены актинометрические  приборы и сделаны расчеты  количества солнечной радиации, приходящей на верхнюю границу атмосферы, в зависимости от широты и времени года. В 10—30-х годах нашего столетия В. Шмидт, А. Онгстрем, Ф. Альбрехт и С. И. Савинов определили составляющие энергетического баланса земной поверхности для отдельных районов земного шара.

В работах автора и его  сотрудников был построен цикл мировых карт составляющих энергетического баланса земной поверхности для каждого месяца и средних годовых условий; эти карты были опубликованы в 1955 г. в «Атласе теплового баланса». В результате дальнейших исследований они были уточнены и дополнены и вместе с несколькими картами составляющих энергетического баланса системы Земля—атмосфера опубликованы в 1963 г. в «Атласе теплового баланса земного шара».

За время, прошедшее после издания второго атласа теплового баланса, был накоплен значительный материал актинометрических наблюдений на континентах, выполненных в ряде районов, где раньше актинометрических станций не было. Особенное значение имеет получение в эти годы обширного материала актинометрических наблюдений на океанах, что позволило выяснить особенности радиационного режима водоемов. Развитие исследований турбулентной диффузии позволило уточнить ранее применявшиеся методы расчета затраты тепла на испарение и турбулентного теплообмена земной поверхности с атмосферой для океанов.

Накопление материалов наблюдений и развитие расчетных методов  определения составляющих энергетического  баланса сделало возможным построение новых мировых карт составляющих энергетического баланса, уточненных по сравнению с ранее опубликованными картами (Будыко и др., 1978).

При построении этих карт уравнение  энергетического баланса земной поверхности использовалось в приведенной  форме:

R = LE + P + A

где R — радиационный баланс земной поверхности, LE — затрата тепла на испарение, или приход тепла от конденсации на земной поверхности (L— удельная теплота парообразования, Е — скорость испарения или конденсации), Р — турбулентный поток тепла между земной поверхностью и атмосферой, А — поток тепла между земной поверхностью и нижележащими слоями водоемов или почвы.

Средняя годовая  суммарная радиация на земном шаре изменяется от значений, меньших 80 Вт/м², до значений, больших 280 Вт/м². Наибольшие значения суммарной радиации, как на суше, так и на океанах соответствуют поясам высокого давления северного и южного полушарий. По направлению к полюсам суммарная радиация уменьшается. Некоторое уменьшение рассматриваемых значений характерно также для экваториальных широт, что связано с большой повторяемостью пасмурного состояния неба в течение всего года.