Солнце и атмосфера

Солнечная радиация — главный экологически чистый источник энергии практически для всех физических процессов, происходящих на Земле и в атмосфере. Энергия Солнца обусловливает жизнедеятельность организмов, возникновение облаков и осадков, перенос воздушных масс. Использование солнечной энергии имеет огромное значение в хозяйственной деятельности человека и служит залогом успеха в сельскохозяйственном производстве.

Солнце — самая близкая к нам звезда. Оно излучает в мировое пространство огромное количество энергии На внешнюю границу атмосферы Земли поступает только 1/2200 000 000-я часть солнечного излучения.

Солнечное излучение распространяется по всем направлениям в виде электромагнитных волн со скоростью около 300 000 км/с. Распределение лучистой энергии по длинам волн называется электромагнитным спектром. Спектр излучения Солнца в широком диапазоне длин волн близок к спектру излучения абсолютно черного (т. е. полностью поглощающего падающую на него радиацию) тела при температуре около 6000 К. Такая высокая температура служит причиной того, что 99% всей энергии приходится на излучение с длинами волн от 0,10 до 4 микрометров.

На верхней границе атмосферы почти половина солнечной энергии (47%) приходится на достаточно узкий видимый участок спектра. Максимум в спектре Солнца также лежит в видимой области — в ее зелено-голубой части на длине волны 0,475 мкм. Инфракрасная радиация составляет 44%, а ультрафиолетовая — всего 9%.

Земля вращается вокруг Солнца по своей орбите так, что ось вращения образует с плоскостью орбиты угол 66,5°. Наклоном оси вращения и объясняется смена времен года, а также неодинаковая продолжительность дня и ночи на различных широтах. Вращение Земли вокруг собственной оси приводит к смене дня и ночи.

Расстояние Земли от Солнца в среднем равно 149,6 млн. км. Земля вращается вокруг Солнца по орбите, представляющей собой слабовытянутый эллипс, в одном из фокусов которого находится Солнце, поэтому расстояние между Землей и Солнцем все время меняется. В результате этого в начале января Земля получает на 3,3% больше, а в начале июля на 3,3% меньше радиации, чем при среднем расстоянии. Таким образом, зимой в Северном полушарии на Землю поступает больше радиации (максимально на 6,6%), чем зимой в Южном полушарии, а летом — наоборот.

Количество радиации, поступающее на единицу поверхности в единицу времени, называется энергетической освещенностью, которая измеряется в ваттах (Вт) на 1 м2. На верхней границе атмосферы на единицу площади, расположенной перпендикулярно солнечным лучам, при среднем расстоянии Земли от Солнца приходит 1,367 кВт/м2 (I кВт/м2 = 1000 Вт/м-). Эта величина называется солнечной постоянной. Спутниковые измерения показали, что ее изменения невелики и она действительно практически постоянна. Радиация, поступающая непосредственно от диска Солнца в виде параллельных лучей, называется прямой солнечной радиацией. Приход ее на горизонтальную поверхность пропорционален синусу угла падения солнечных лучей.

Попадая в атмосферу, прямая радиация претерпевает существенные изменения. Частично она поглощается различными газами, входящими в состав воздуха (озон 03, водяной пар Н20, углекислый газ С02), и аэрозолями (особенно сильно — частицами сажи), а также рассеивается молекулами воздуха, аэрозолями и облачными частицами. Поглощение прямой солнечной радиации различных длин волн неодинаково. Наиболее существенно ультрафиолетовая радиация поглощается стратосферным озоном, а радиация красной и инфракрасной областей спектра — водяным паром, основная часть которого сосредоточена в нижней тропосфере. Из-за наличия озонового слоя в стратосфере коротковолновая граница солнечного спектра обрывается на длине волны 0,29 мкм, а радиация с длинами волн короче 0,32 мкм приходит к земной поверхности сильно ослабленной.
Озон и углекислый газ имеют слабые полосы поглощения в видимом и инфракрасном участках спектра. Водяным паром и аэрозолями поглощается около 15% солнечной радиации, облаками — примерно 5%, а озоном — 3%

Часть прямой солнечной радиации рассеивается по всем направлениям молекулами воздуха и аэрозолями, каплями и кристаллами, образующими облака: вниз — к земной поверхности и вверх — в космос. Рассеянная радиация в отличие от прямой поступает на земную поверхность из всех точек небесного свода. Рассеивание в атмосфере солнечной радиации способствует освещению тех мест, куда не попадают прямые солнечные лучи. Наиболее сильно рассеивается радиация коротких длин волн и тем сильнее, чем меньше размеры рассеивающих частиц. Самыми мелкими частицами в атмосфере являются молекулы воздуха (104 мкм). Только на очень крупных аэрозольных частицах, каплях и кристаллах облаков (1 — 2 мкм) радиация всех длин волн рассеивается одинаково. Поэтому у земной поверхности максимум в спектре рассеянной радиации приходится на синие лучи, в то время как в спектре прямой радиации он смещается на желто-зеленые. Голубой цвет неба — это цвет чистого, незапыленного воздуха. С увеличением высоты цвет неба становится более синим. В стратосфере, где рассеивание происходит в основном только на молекулах воздуха, а плотность его невелика, цвет неба черно-фиолетовый. По наблюдениям космонавтов, на высотах 300 км небо черное, при этом даже днем хорошо видны звезды. При сильном замутнении воздуха крупными аэрозольными частицами цвет неба становится белесым. По этой же причине освещенные Солнцем облака мы видим белыми.

Ослабление солнечной радиации существенно зависит от пути, проходимого ею в атмосфере. Меньше всего этот путь при высоте Солнца 90°, когда оно стоит в зените. Однако такие условия наблюдаются лишь на экваторе в дни солнечных равноденствии, на широте тропиков (ср = 23°27') в день летнего солнцестояния и на промежуточных между экватором и тропиками широтах дважды в период между весенним и осенним равноденствиями. Чем ниже высота Солнца, тем больший путь проходит радиация в атмосфере и тем сильнее она ослабляется. При высоте Солнца 30° путь солнечных лучей удваивается по сравнению с высотой Солнца 90°, а сразу же после восхода и перед заходом Солнца этот путь возрастает в десятки раз. У горизонта Солнце становится почти красным. Это означает, что в его спектре присутствует главным образом красная и инфракрасная радиация. Выше всего Солнце стоит в полдень, поэтому на это время дня приходится максимум солнечной радиации. Наибольшие величины прямой радиации, поступающей на горизонтальную поверхность, наблюдаются при больших высотах Солнца в малозапыленном воздухе. Например, в Москве при высоте Солнца 56° она составляет 0,80 кВт/мг, а в горах на высотах 4 — 5 км может достигать 1,00 кВт/мг.

Сумма прямой и рассеянной радиации, приходящей на горизонтальную поверхность, называется суммарной радиацией. В летний полдень в Москве при безоблачном небе на долю прямой радиации приходится 80%, на долю рассеянной — всего 20%. Максимум суммарной радиации наблюдается летом при ярких белых кучевых облаках, не закрывающих диск Солнца. При сплошной плотной облачности прямая радиация не доходит до земной поверхности и суммарная радиация равна рассеянной. Солнечная радиация, поступающая на земную поверхность, частично ею отражается. Отражательные свойства той или иной поверхности определяются ее цветом, шероховатостью, увлажненностью и характеризуются величиной альбедо (от лат. albedo — белизна). Альбедо — это как бы степень белизны.

Эта величина определяется в процентах и показывает, какая часть падающей радиации отражается от поверхности. Поверхности, имеющие светлую, особенно белую, окраску, в основном отражают солнечную радиацию. Чем темнее окраска поверхности, тем большую часть солнечной радиации она поглощает и тем самым нагревается. Сажа, например, почти полностью поглощает падающую на нее радиацию. Гладкие поверхности отражают больше солнечных лучей, чем шероховатые. Увлажнение поверхности уменьшает их отражательную способность.

Самые высокие значения альбедо (90 — 95%) отмечаются у свежевыпавшего чистого и сухого снега вдали от промышленных районов, например в Арктике и Антарктиде. Поскольку снежный покров редко бывает совершенно чистым, то его альбедо, как правило, не превышают 70 — 80%, а в случае влажного загрязненного снега уменьшаются до 50% и ниже. Альбедо светлых песчаных почв составляет 40%; влажных черноземных почв — 5%; растительного покрова — 10 — 25%. Альбедо поверхности Мирового океана в среднем равно 5 — 20%. Отражение прямой радиации от гладкой водной поверхности зависит от угла падения солнечных лучей. При больших высотах Солнца альбедо здесь составляет всего несколько процентов, так как значительная часть приходящей радиации проникает в верхние слои водоемов и там в основном поглощается. При низких высотах Солнца, когда лучи зеркально отражаются от водной поверхности и не проходят вглубь, альбедо увеличивается до 70%. Альбедо водных поверхностей для рассеянной радиации составляет 5 — 10%. Альбедо верхней поверхности облаков может достигать 70 — 80%, составляя в среднем 50 — 60%. Часть отраженной от земной поверхности радиации переотражается молекулами воздуха, аэрозолями и особенно облаками и возвращается к ней в виде дополнительного потока рассеянной радиации.

Озоновый слой — естественный щит Земли, оберегающий ее от «жесткой» солнечной радиации. Благодаря ему возможно существование жизни на Земле. В настоящее время ученые обеспокоены сокращением озонового слоя. Известны озоновые «дыры» над Антарктидой.