Суммарная радиация- это сумма прямой (на горизонтальную поверхность) и рассеянной радиации:
Состав суммарной радиации т. е. соотношение между прямой и рассеянной радиацией, меняется в зависимости от высоты солнца, прозрачности атмосферы и облачности.
1. До восхода солнца суммарная радиация состоит полностью, а при малых высотах солнца-преимущественно из рассеянной радиации.
2. Чем прозрачнее атмосфера, тем меньше доля рассеянной радиации в составе суммарной.
3. В зависимости от формы, высоты и количества облаков доля рассеянной радиации увеличивается в разной степени. Когда солнце закрыто плотными облаками, суммарная радиация состоит только из рассеянной. При таких облаках рассеянная радиация лишь частично восполняет уменьшение прямой, поэтому увеличение количества и плотности облаков в среднем сопровождается уменьшением суммарной радиации. Но при небольшой или тонкой облачности, когда солнце совсем открыто или не полностью закрыто облаками, суммарная радиация за счет увеличения рассеянной может оказаться больше, чем при ясном небе,
Отражение солнечной радиации от земной поверхности
Суммарная радиация, приходящая на какую-либо поверхность, частично поглощается ею и частично отражается. Отношение количества солнечной радиации, отраженной данной поверхностью, к приходящей суммарной радиации называют отражательной способностью или альбедо: A=R K /Q
где Rк- поток отраженной радиации. Обычно альбедо выражают в долях единицы или в процентах.
Альбедо земной поверхности зависит от ее свойств и состояния: цвета, влажности, шероховатости, наличия и характера растительного покрова. Темные и шероховатые почвы отражают меньше, чем светлые и гладкие. Влажные почвы отражают меньше, чем сухие, так как они темнее. Следовательно, с возрастанием влажности почвы увеличивается поглощаемая ею доля суммарной радиации. Это оказывает большое влияние, например, на тепловой режим орошаемых полей.
Наибольшей отражательной способностью обладает свежевыпавший снег. В отдельных случаях альбедо снега достигает 87,%, а в Арктике и Антарктике-даже 98%. Слежавшийся, подтаявший и более загрязненный снег отражает гораздо меньше. Альбедо различных почв и растительного покрова различается сравнительно мало.
Альбедо естественных поверхностей несколько изменяется в течение суток, причем наибольшие альбедо отмечаются утром и вечером, а в дневные часы альбедо немного уменьшается. Объясняется это зависимостью спектрального состава суммарной радиации от высоты солнца и неодинаковой отражательной способностью одной и той же поверхности для разных длин волн. При малой высоте солнца в составе суммарной радиации увеличена доля рассеянной, а последняя отражается от шероховатой поверхности сильнее, чем прямая.
Альбедо водных поверхностей в среднем меньше, чем альбедо поверхности суши. Объясняется это тем, что солнечные лучи значительно глубже проникают в прозрачные для них верхние слои воды, чем в почву. В воде они рассеиваются и поглощаются. В связи с этим на альбедо воды влияет степень ее мутности: для загрязненной и мутной воды альбедо заметно возрастает по сравнению с чистой водой. Очень велика отражательная способность облаков: в среднем их альбедо составляет примерно 80 %.
Зная альбедо поверхности и суммарную радиацию, можно определить количество коротковолновой радиации, поглощенной данной поверхностью. Величина 1-А представляет собой коэффициент поглощения коротковолновой радиации данной поверхностью. Он показывает, какая часть суммарной радиации, приходящей на данную поверхность, ею поглощается.
Измерения альбедо больших областей земной поверхности и облаков осуществляются с искусственных спутников Земли. Сведения об альбедо облаков позволяют оценить их вертикальную протяженность, а знание альбедо моря дает возможность рассчитать высоту волн.
Из формулы Бугэ видно, что при неизменной прозрачности атмосферы интенсивность прямой солнечной радиации зависит от оптической массы атмосферы, т.е. в конечном счете от высоты солнца. Поэтому в течение дня солнечная радиация должна сначала быстро, потом медленнее нарастать от восхода солнца до полудня и сначала медленно, потом быстро убывать от полудня до захода солнца.
Но прозрачность атмосферы в течение дня меняется в некоторых пределах. Поэтому кривая дневного хода радиации даже в совершенно безоблачный день обнаруживает некоторые неправильности. Однако в средних выводах нерегулярности отдельных суточных кривых сглаживаются, и изменение радиации в течение дня представляется более равномерным.
Различия в интенсивности радиации в полдень, в первую очередь, связаны с различиями в полуденной высоте солнца, которая зимой меньше, чем летом. Минимальная интенсивность в умеренных широтах приходится на декабрь, когда высота солнца меньше всего. Но максимальная интенсивность приходится не на летние месяцы, а на весенние. Дело в том, что весной воздух наименее замутнен продуктами конденсации и мало запылен. Летом запыление возрастает, а также увеличивается содержание водяного пара в атмосфере, что несколько уменьшает интенсивность радиации.
Максимальные значения интенсивности радиации очень мало растут с убыванием географической широты, несмотря на рост высоты солнца. Это объясняется увеличением влагосодержания, а отчасти и запылением воздуха в южных широтах. На экваторе максимальные значения радиации не очень превышают летние максимумы умеренных широт. В сухом воздухе субтропических пустынь (Сахара) наблюдались, однако, значения до 1,58 кал/(см2·мин).
С высотой над уровнем моря максимальные значения радиации возрастают вследствие уменьшения оптической массы атмосферы при той же высоте солнца. На каждые 100 м высоты интенсивность радиации в тропосфере увеличивается на 0,01-0,02 кал/(см2·мин).Мы уже говорили, что максимальные значения интенсивности радиации, наблюдающиеся в горах, достигают 1,7 кал/(см2·мин)и более.
Интенсивность рассеянной радиации, измеряемая, как сказано выше, для единицы горизонтальной поверхности, также меняется в течение дня.
Она возрастает до полудня по мере возрастания высоты солнца и убывает после полудня. Зависит она и от прозрачности атмосферы; однако уменьшение прозрачности, т.е. увеличение числа помутняющих частиц в атмосфере, не уменьшает, а увеличивает рассеянную радиацию. Кроме того, рассеянная радиация в очень широких пределах меняется в зависимости от облачности; радиация, отраженная облаками, также частично рассеивается, в связи с чем общая интенсивность рассеянной радиации возрастает. По той же причине отражение радиации снежным покровом увеличивает рассеянную радиацию.
В безоблачные дни рассеянная радиация невелика. Даже при высоком солнце, т.е. в полуденные часы летом, ее интенсивность в отсутствии облаков не превышает 0,1 кал/(см2·мин).Облачность увеличивает эту величину в 3 - 4 раза.
Рассеянная радиация может, таким образом, существенно дополнять прямую солнечную радиацию, особенно при низком солнце.
Рассеянная радиация не только увеличивает нагревание земной поверхности. Она увеличивает и освещенностьна земной поверхности. Особенно существенно, иногда до 40%, увеличивается общая освещенность, если на небе есть облака, не закрывающие солнечный диск.
Всю солнечную радиацию, приходящую к земной поверхности, прямую и рассеянную вместе, называют суммарной радиацией . Под интенсивностью суммарной радиации будем понимать приток ее энергии за одну минуту на один квадратный сантиметр горизонтальнойповерхности, помещенной под открытым небом и незатененной от прямых солнечных лучей. Таким образом, интенсивность суммарной радиации равна
sin h + I , (55)
где I – интенсивность прямой радиации, i - интенсивность рассеянной радиации, h – высота солнца.
При безоблачном небе суммарная радиация имеет суточный ход с максимумом около полудня и годовой ход с максимумом летом. Частичная облачность, не закрывающая солнечный диск, увеличивает суммарную радиацию по сравнению с безоблачным небом; полная облачность, напротив, ее уменьшает. В среднем облачность уменьшает суммарную радиацию. Поэтому летом приход суммарной радиации в дополуденные часы в среднем больше, чем в послеполуденные. По той же причине в первую половину года он больше, чем во вторую.
Полуденные значения суммарной радиации в летние месяцы под Москвой при безоблачном небе в среднем 1,12 кал/(см2·мин),при солнце и облаках – 1,15, при сплошной облачности – 0,37 кал/(см2·мин).
Падая на земную поверхность, суммарная радиация в большей своей части поглощается в верхнем, тонком слое почвы или воды и переходит в тепло, а частично отражается. Величина отражения солнечной радиации земной поверхностью зависит от характера этой поверхности. Отношение количества отраженной радиации к общему количеству радиации, падающей на данную поверхность, называется альбедо поверхности . Это отношение выражается в процентах.
Итак, из общего потока суммарной радиации I sinh + i отражается от земной поверхности часть его (I sinh + i )А, где А - альбедо поверхности. Остальная часть суммарной радиации (I sinh + i ) (1- А) поглощается земной поверхностью и идет на нагревание верхних слоев почвы и воды. Эту часть называют поглощенной радиацией.
Альбедо поверхности почвы в общем заключается в пределах 10 - 30%; в случае влажного чернозема оно снижается до 5%, а в случае сухого светлого песка может повышаться до 40%. С возрастанием влажности почвы альбедо снижается. Альбедо растительного покрова – леса, луга, поля – заключается в пределах 10 – 25%. Для свежевыпавшего снега альбедо 80 – 90%, для давно лежащего снега – около 50% и ниже. Альбедо гладкой водной поверхности для прямой радиации меняется от нескольких процентов при высоком солнце до 70% – при низком солнце; оно зависит также от волнения. Для рассеянной радиации альбедо водных поверхностей 5 – 10%. В среднем альбедо поверхности мирового океана 5 – 20%. Альбедо верхней поверхности облаков – от нескольких процентов до 70 – 80% в зависимости от типа и мощности облачного покрова; в среднем же оно 50 – 60%. Приведенные числа относятся к отражению солнечной радиации не только видимой, но во всем ее спектре. Кроме того, фотометрическими средствами измеряют альбедо только для видимойрадиации, которое, конечно, может несколько отличаться по величине от альбедо для всего потока радиации.
Преобладающая часть радиации, отраженной земной поверхностью и верхней поверхностью облаков, уходит за пределы атмосферы в мировое пространство. Также уходит в мировое пространство часть рассеянной радиации, около одной трети ее. Отношение этой уходящей в космос отраженной и рассеянной солнечной радиации к общему количеству солнечной радиации, поступающему в атмосферу, носит название планетарного альбедо Земли или просто альбедо Земли.
Планетарное альбедо Земли оценивается в 35 – 40%; по-видимому, оно ближе к 35%. Основную часть планетарного альбедо Земли составляет отражение солнечной радиации облаками.
Количество поступающей к земной поверхности прямой солнечной радиации (S) в условиях безоблачного неба зависит от высоты солнца и прозрачности . В таблице для трех широтных зон приведено распределении месячных сумм прямой радиации при безоблачном небе (возможных сумм) в виде осредненных значений для центральных месяцев сезонов и года.
Повышенный приход прямой радиации в Азиатской части обусловлен более высокой прозрачностью атмосферы в этом регионе. Высокие значения прямой радиации летом в северных районах России объясняются сочетанием высокой прозрачности атмосферы и большой продолжительностью дня
Снижает приход прямой радиации и может существенно изменить ее суточный и годовой ход. Однако при средних условиях облачности астрономический фактор является преобладающим и, следовательно, максимум прямой радиации наблюдается при наибольшей высоте солнца.
В большей части континентальных районов России в весенне-летние месяцы прямая радиация в дополуденные часы больше, чем в послеполуденные. Это связано с развитием конвективной облачности в послеполуденные часы и с уменьшением прозрачности атмосферы в это время суток по сравнению с утренними часами. Зимой соотношение до- и послеполуденных значений радиации обратное - дополуденные значения прямой радиации меньше в связи с утренним максимумом облачности и уменьшением ее во вторую половину дня. Разница между до- и послеполуденными значениями прямой радиации может достигать 25–35%.
В годовом ходе максимум прямой радиации приходится на июнь-июль за исключением районов Дальнего Востока, где происходит его смещение на май, а на юге Приморья в сентябре отмечается вторичный максимум.
Максимальная месячная сумма прямой радиации составляет на территории России 45–65% от возможной при безоблачном небе и даже на юге Европейской части она достигает лишь 70%. Минимальные значения отмечаются в декабре и январе.
Вклад прямой радиации в суммарный приход при действительных условиях облачности достигает максимума в летние месяцы и составляет в среднем 50–60%. Исключением является Приморский край, где наибольший вклад прямой радиации приходится на осенние и зимние месяцы.
Распределение прямой радиации при средних (действительных) условиях облачности по территории России в значительной степени зависит от . Это приводит к заметному нарушению зонального распределения радиации в отдельные месяцы. Особенно это проявляется в весенний период. Так, в апреле отмечается два максимума - один в южных районах и Амурской области, второй - на северо-востоке Якутии и на Колыме, что также является результатом сочетания высокой прозрачности атмосферы, большой повторяемости ясного неба и продолжительности дня.
Приведенные на картах данные относятся к действительным условиям облачности.
Буду благодарен, если Вы поделитесь этой статьей в социальных сетях:
Поиск по сайту.
Если бы атмосфера пропускала к поверхности земли все солнечные лучи, то климат любого пункта Земли зависел бы только от географической широты. Так и полагали в древности. Однако при прохождении солнечных лучей через земную атмосферу происходит, как мы уже видели, их ослабление вследствие одновременных процессов поглощения и рассеивания. Особенно много поглощают и рассеивают капли воды и кристаллы льда, из которых состоят облака.
Та часть солнечной радиации, которая поступает на поверхность земли после рассеяния ее атмосферой и облаками, называется рассеянной радиацией. Та часть солнечной радиации, которая проходит через атмосферу не рассеиваясь, называется прямой радиацией.
Радиация рассеивается не только облаками, но и при ясном небе - молекулами, газов и частицами пыли. Соотношение между прямой и рассеянной радиацией изменяется в широких пределах. Если при ясном небе и вертикальном падении солнечных лучей доля рассеянной радиации составляет 0,1% прямой, то
при пасмурном небе рассеянная радиация может быть больше прямой.
В тех частях земли, где преобладает ясная погода, например в Средней Азии, основным источником нагревания земной поверхности является прямая солнечная радиация. Там же, где преобладает облачная погода, как, например, на севере и северо-западе Европейской территории СССР, существенное значение приобретает рассеянная солнечная радиация. Бухта Тихая, расположенная на севере, получает рассеянной радиации почти в полтора раза больше, чем прямой (табл. 5). В Ташкенте, наоборот, рассеянная радиация составляет менее 1 / 3 прямой радиации. Прямая солнечная радиация в Якутске больше, чем в Ленинграде. Объясняется это тем, что в Ленинграде больше пасмурных дней и меньше прозрачность воздуха.
Альбедо земной поверхности. Земная поверхность обладает способностью отражать падающие на нее лучи. Количество поглощенной и отраженной радиации зависит от свойств поверхности земли. Отношение количества отраженной от поверхности тела лучистой энергии к количеству падающей лучистой энергии называется альбедо. Альбедо характеризует отражательную способность поверхности тела. Когда, например, говорят, что альбедо свежевыпавшего снега равно 80-85%, это означает, что 80-85% всей падающей на снежную поверхность радиации отражается от нее.
Альбедо снега и льда зависит от их чистоты. В промышленных городах в связи с осаждением на снег различных примесей, преимущественно копоти, альбедо меньше. Наоборот, в арктических областях альбедо снега иногда достигает 94%. Так как альбедо снега по сравнению с альбедо других видов поверхности земли наиболее высокое, то при снежном покрове прогревание земной поверхности происходит слабо. Альбедо травяной растительности и песка значительно меньше. Альбедо травяной растительности равно 26%, а песка 30%. Это означает, что трава поглощает 74% солнечной энергии, а пески - 70%. Поглощенная радиация идет на испарение, рост растений и нагревание.
Наибольшей поглощательной способностью обладает вода. Моря и океаны поглощают около 95% поступающей на их поверхность солнечной энергии, т. е. альбедо воды равно 5% (рис. 9). Правда, альбедо воды находится в зависимости от угла падения солнечных лучей (В. В. Шулейкин). При отвесном падении лучей от поверхности чистой воды отражается лишь 2% радиации, а при низком стоянии солнца - почти вся.
