Мають різну довжину. Так, одні представлені у вигляді світла, інші - у вигляді тих, що приносять тепло, треті - це ціла група невидимих для людського погляду променів (радіохвиль, ультрафіолетових, рентгенівських).
Радіохвилі з коротким діапазоном і видиме світло найкраще проходять крізь атмосферу Землі. та рентгенівські поглинаються повітряною оболонкою. На межі інтенсивність випромінювання Сонця є постійною величиною і становить 1,35 кВт/м2.
Сонце є єдиним і тепла на планеті. Розсіяне та пряме випромінювання – основні види сонячної радіації. Промені, що проходять через існуючі шари атмосфери, незначною мірою нагрівають їх. Сонячна радіація, що досягає поверхні Землі, не розсіюється і не поглинається в повітряній оболонці, називається прямою. Інтенсивність цього випромінювання біля залежить від місцевості: до полюсів від земного екватора потік зменшується, інтенсивність знижується, особливо зі збільшенням хмарності і зниження прозорості у атмосфері.
У зв'язку з тим, що в повітрі містяться дрібні пилуваті частинки, крапельки води, частинки солей, кристали, окремі промені, що надходять від світила, наштовхуючись на ці перешкоди, розсіюються. Така сонячна радіація зветься розсіяною. У неї перетворюється близько 25% всього потоку поглинених променів. У безхмарний день розсіяне випромінювання становить 0,07 кВт/м2, у хмарну погоду - 0,5 кВт/м2. Зі зменшенням висоти сонцестояння, збільшенням хмарності, зниженням прозорості атмосфери збільшується частка цієї радіації. Як показують дослідження, у низьких широтах частка розсіяного випромінювання значно нижча, ніж у помірних і високих широтах. Навколишнє природне освітлення в похмурий день повністю забезпечується цими променями.
Сумарна сонячна радіація складається з усього розсіяного та прямого випромінювання, що досягло Землі. Кількість її залежить від різних факторів, у тому числі від тривалості дня, прозорості кута падіння променів та хмарності в атмосфері. Так, у тропічних широтахрічні показники загального випромінювання становлять близько 200 ккал/см2, у полярній зоні - близько 50 ккал/см2.
У незначному обсязі сонячна радіація поглинається домішками та молекулами газів атмосфери. При цьому випромінювання, що потрапляє на Землю, поглинається частково поверхнею планети, частково відбивається, йдучи в атмосферу назад.
Існує величина, що характеризує відношення відбитого випромінювання до падаючого на поверхню Землі - альбедо. Виражається цей показник у відсотках. Слід зазначити, що величина альбедо охоплює досить широкий діапазон залежить від території. Так, для степу та лісу цей показник становить близько 13%, а на свіжому сніговому покриві зростає до 90%. Відзначається суттєва залежність альбедо поверхні води від кута падіння променів. При прямій сонячній радіації та великій висотістояння Сонця значення цього показника - близько 3-4%, за низького стояння - практично 100%. Для розсіяного випромінювання альбедо становить близько 8-10%. У цьому практично відсутня залежність від висоти сонцестояння.
Як відомо, світло Сонця є джерелом на Землі життя, безпосередньо впливаючи на людський організм, тепловий стан, обмінні процеси, функціональну активність систем та органів та інше.
Від висоти сонцестояння залежить і інтенсивність ультрафіолетового випромінювання, що досягає поверхні. При висоті стояння Сонця менше 25%, УФ-радіація, найбільш біологічно активна, Землі не досягає.
лекція 2.
СОНЯЧНА РАДІАЦІЯ.
План:
1.Значення сонячної радіації життя на Землі.
2. Види сонячної радіації.
3. Спектральний склад сонячної радіації.
4. Поглинання та розсіювання радіації.
5.ФАР (фотосинтетично активна радіація).
6. Радіаційний баланс.
1. Основним джерелом енергії Землі для живого (рослин, тварин і людини) є енергія сонця.
Сонце є газовою кулею радіусом 695300км. Радіус Сонця в 109 разів більший за радіус Землі (екваторіальний 6378,2 км, полярний 6356,8 км). Сонце складається в основному з водню (64%) та гелію (32%). Перед інших припадає лише 4% його маси.
Сонячна енергія є основною умовою існування біосфери та одним із головних кліматоутворюючих факторів. За рахунок енергії Сонця повітряні маси в атмосфері безперервно переміщуються, що забезпечує сталість газового складу атмосфери. Під впливом сонячної радіації випаровується дуже багато води із поверхні водойм , грунту, рослин. Водяна пара, що переноситься вітром з океанів і морів на материки, є основним джерелом опадів для суші.
Сонячна енергія - неодмінна умова існування зелених рослин, що перетворюють у процесі фотосинтезу сонячну енергію на високоенергетичні органічні речовини.
Зростання та розвиток рослин є процес засвоєння та переробки сонячної енергії, тому сільськогосподарське виробництво можливе лише за умови надходження сонячної енергії на поверхню Землі. Російський учений писав: «Дайте найкращому кухареві скільки завгодно свіжого повітря, сонячного світла, цілу річку чистої водиПопросіть, щоб з усього цього він приготував вам цукор, крохмаль, жири та зерно, і він вирішить, що ви над ним смієтеся. Але те, що здається абсолютно фантастичною людині, безперешкодно відбувається в зеленому листі рослин під дією енергії Сонця». Підраховано, що 1 кв. метр листя за годину продукує грам цукру. У зв'язку з тим, що Земля оточена суцільною оболонкою атмосфери, сонячні промені, як досягти поверхні землі, проходять всю товщу атмосфери, яка частково відбиває їх, частково розсіює, т. е. змінює кількість і якість сонячного світла, що надходить поверхню землі. Живі організми чуйно реагують зміну інтенсивності освітленості, створюваної сонячним випромінюванням. Внаслідок різної реакції на інтенсивність освітленості всі форми рослинності ділять на світлолюбні та тіневитривалі. Недостатня освітленість у посівах обумовлює, наприклад, слабку диференціацію тканин соломини зернових культур. В результаті зменшуються міцність та еластичність тканин, що часто призводить до вилягання посівів. У загущених посівах кукурудзи через слабку освітленість сонячною радіацією послаблюється утворення качанів на рослинах.
Сонячна радіаціявпливає на хімічний складсільськогосподарської продукції. Наприклад, цукристість буряків та плодів, вміст білка в зерні пшениці безпосередньо залежать від кількості сонячних днів. Кількість олії в насінні соняшника, льону також зростає зі збільшенням приходу сонячної радіації.
Освітленість надземної частини рослин суттєво впливає на поглинання корінням поживних речовин. При слабкій освітленості уповільнюється переведення асимілятів у коріння, і в результаті гальмуються біосинтетичні процеси, що відбуваються в клітинах рослин.
Освітленість впливає і на появу, поширення та розвиток хвороб рослин. Період зараження складається з двох фаз, що різняться між собою по реакції на світловий фактор. Перша їх - власне проростання суперечка і проникнення заразного початку тканини уражуваної культури - найчастіше залежить від наявності і інтенсивності світла. Друга – після проростання суперечка – найбільш активно проходить при підвищеній освітленості.
Позитивна дія світла позначається також на швидкості розвитку патогену у рослині-хазяїні. Особливо чітко це проявляється у іржових грибів. Чим більше світла, тим коротший інкубаційний період у лінійної іржі пшениці, жовтої іржі ячменю, іржі льону та квасолі тощо. А це збільшує кількість генерацій гриба та підвищує інтенсивність ураження. У разі інтенсивного висвітлення цього патогену зростає плодючість
Деякі захворювання найбільш активно розвиваються при недостатньому освітленні, що викликає ослаблення рослин і зниження їх стійкості до хвороб (збудникам різного роду гнил, особливо овочевих культур).
Тривалість освітлення та рослини. Ритм сонячної радіації (чергування світлої та темної частини доби) є найбільш стійким і повторюваним рік у рік фактором зовнішнього середовища. Внаслідок багаторічних досліджень фізіологами встановлено залежність переходу рослин до генеративного розвитку від певного співвідношення довжини дня та ночі. У зв'язку з цим культури з фотоперіодичної реакції можна класифікувати за групами: короткого дня,розвиток яких затримується за тривалості дня більше 10ч. Короткий день сприяє закладці квіток, а довгий день перешкоджає цьому. До таких культур належать соя, рис, просо, сорго, кукурудза та ін;
довгого дня до 12-13год.,що вимагають свого розвитку тривалого висвітлення. Їх розвиток прискорюється, коли тривалість дня становить близько 20 год. До цих культур відносяться жито, овес, пшениця, льон, горох, шпинат, конюшина та ін;
нейтральні по відношенню до довжини дня, розвиток яких залежить від тривалості дня, наприклад томат, гречка, бобові, ревінь.
Встановлено, що для початку цвітіння рослин потрібне переважання в променистому потоці певного спектрального складу. Рослини короткого дня швидше розвиваються, коли максимум випромінювання посідає синьо-фіолетові промені, а рослини довгого дня - на червоні. Тривалість світлої частини доби (астрономічна довжина дня) залежить від пори року та географічної широти. На екваторі тривалість дня протягом року дорівнює 12 год ± 30 хв. При просуванні від екватора до полюсів після весняного рівнодення (21.03) довжина дня збільшується на північ і зменшується на південь. Після осіннього рівнодення (23.09) розподіл тривалості дня зворотний. У Північній півкулі на 22.06 припадає найдовший день, тривалість якого на північ від Полярного кола 24 год. Найкоротший день у Північній півкулі 22.12, а за Полярним колом у зимові місяці Сонце взагалі не піднімається над горизонтом. У середніх широтах, наприклад у Москві, тривалість дня протягом року змінюється від 7 до 17,5 год.
2. Види сонячної радіації.
Сонячна радіація складається з трьох складових: прямої сонячної радіації, розсіяної та сумарної.
ПРЯМА СОНЯЧНА РАДІАЦІЯS –радіація, що надходить від Сонця в атмосферу і потім на земну поверхню у вигляді пучка паралельних променів. Її інтенсивність вимірюється у калоріях на см2 на хвилину. Вона залежить від висоти сонця та стану атмосфери (хмарність, пил, водяна пара). Річна сума прямої сонячної радіації на горизонтальну поверхню території Ставропольського краю становить 65-76 ккал/см2/хв. На рівні моря при високому становищіСонця (літо, полудень) та гарної прозорості пряма сонячна радіація становить 1,5 ккал/см2/хв. Це короткохвильова частина спектра. При проходженні потоку прямої сонячної радіації через атмосферу відбувається його ослаблення, викликане поглинанням (близько 15%) та розсіюванням (близько 25%) енергії газами, аерозолями, хмарами.
Потік прямої сонячної радіації, що падає на горизонтальну поверхню, називають інсоляцією. S= S sin ho- Вертикальна складова прямої сонячної радіації.
S – кількість тепла, що отримується перпендикулярною до променя поверхнею ,
ho – висота Сонця, тобто кут, утворений сонячним променем з горизонтальною поверхнею .
На межі атмосфери інтенсивність сонячної радіації становитьSo= 1,98 ккал/см2/хв. - За міжнародною угодою 1958р. І називається сонячною постійною. Такою вона була б у поверхні, якби атмосфера була абсолютно прозорою.
Мал. 2.1. Шлях сонячного променя в атмосфері за різної висоти Сонця
РОСІЯНА РАДІАЦІЯD – частина сонячної радіації внаслідок розсіювання атмосферою йде назад у космос, але значна її частина надходить Землю як розсіяної радіації. Максимум розсіяної радіації + 1 ккал/см2/хв. Відзначається при чистому небі, якщо у ньому високі хмари. При похмурому небі спектр розсіяної радіації схожий на сонячний. Це короткохвильова частина спектра. Довжина хвилі 0,17-4мк.
СУМАРНА РАДІАЦІЯQ- складається з розсіяної та прямої радіації на горизонтальну поверхню. Q= S+ D.
Співвідношення між прямою та розсіяною радіацією у складі сумарної радіації залежить від висоти Сонця, хмарності та забрудненості атмосфери, висоти поверхні над рівнем моря. Зі збільшенням висоти Сонця частка розсіяної радіації при безхмарному небі зменшується. Чим прозоріша атмосфера і чим вище Сонце, тим менша частка розсіяної радіації. При суцільній хмарності сумарна радіація повністю складається з розсіяної радіації. Взимку внаслідок відбиття радіації від снігового покриву та її вторинного розсіювання в атмосфері частка розсіяної радіації у складі сумарної помітно зростає.
Світло і тепло, які отримують рослини від Сонця, - результат дії сумарної сонячної радіації. Тому велике значення для сільського господарства мають дані про суми радіації, які отримують поверхню за добу, місяць, вегетаційний період, рік.
Відображена сонячна радіація. Альбедо. Сумарна радіація, що дійшла до земної поверхні, Частково відбиваючись від неї, створює відбиту сонячну радіацію (RK), спрямовану від земної поверхні в атмосферу. Значення відбитої радіації значною мірою залежить від властивостей і стану поверхні, що відбиває: кольору, шорсткості, вологості та ін. Відбивну здатність будь-якої поверхні можна характеризувати величиною її альбедо (Ак), під яким розуміють відношення відбитої сонячної радіації до сумарної. Альбедо зазвичай виражають у відсотках:
Спостереження показують, що альбедо різних поверхонь змінюється у порівняно вузьких межах (10...30 %), виняток становлять сніг та вода.
Альбедо залежить від вологості ґрунту, із зростанням якого воно зменшується, що має важливе значення в процесі зміни теплового режиму зрошуваних полів. Внаслідок зменшення альбедо при зволоженні ґрунту збільшується поглинається радіація. Альбедо різних поверхонь має добре виражений денний та річний хід, зумовлений залежністю альбедо від висоти Сонця. Найменше значення альбедо спостерігають близько опівдні, а протягом року - влітку.
Власне випромінювання Землі та зустрічне випромінювання атмосфери. Ефективне випромінювання.Земна поверхня як фізичне тіло, що має температуру вище абсолютного нуля(-273 °С), є джерелом випромінювання, яке називають власним випромінюванням Землі (Е3). Воно спрямоване в атмосферу і майже повністю поглинається водяною парою, крапельками води та вуглекислим газом, що містяться у повітрі. Випромінювання Землі залежить від температури її поверхні.
Атмосфера, поглинаючи невелику кількість сонячної радіації та практично всю енергію, що випромінюється земною поверхнею, нагрівається і, у свою чергу, також випромінює енергію. Близько 30% атмосферної радіації йде в космічний простір, а близько 70% приходить до Землі і називається зустрічним випромінюванням атмосфери (Еа).
Кількість енергії, що випромінюється атмосферою, прямо пропорційна її температурі, вмісту вуглекислого газу, озону та хмарності.
Поверхня Землі поглинає це зустрічне випромінювання майже повністю (на 90...99%). Таким чином, воно є для земної поверхні важливим джерелом тепла на додаток до сонячної радіації, що поглинається. Цей вплив атмосфери на тепловий режим Землі називають парниковим або оранжерейним ефектом внаслідок зовнішньої аналогії з дією скла у парниках та оранжереях. Скло добре пропускає сонячні промені, що нагрівають грунт і рослини, але затримує теплове випромінювання грунту, що нагрівся, і рослин.
Різниця між власним випромінюванням поверхні Землі та зустрічним випромінюванням атмосфери називають ефективним випромінюванням: Ееф.
Ееф =Е3-Еа
У ясні та малохмарні ночі ефективне випромінювання набагато більше, ніж у похмурі, тому більше і нічне охолодження земної поверхні. Вдень воно перекривається поглиненою сумарною радіацією, внаслідок чого температура поверхні підвищується. У цьому зростає й ефективне випромінювання. Земна поверхня в середніх широтах втрачає за рахунок ефективного випромінювання 70...140 Вт/м2, що становить приблизно половину кількості тепла, яку вона отримує від поглинання сонячної радіації.
3. Спектральний склад радіації.
Сонце, як джерело випромінювання, має різноманіття хвиль, що випускаються. Потоки променистої енергії по довжині хвиль умовно поділяють на короткохвильову (X < 4 мкм) и длинноволновую (А. >4 мкм) радіацію.Спектр сонячної радіації на межі земної атмосфери практично полягає між довжинами хвиль 0,17 та 4 мкм, а земного та атмосферного випромінювання – від 4 до 120 мкм. Отже, потоки сонячного випромінювання(S, D, RK) відносяться до короткохвильової радіації, а випромінювання Землі (£3) та атмосфери (Еа) – до довгохвильової.
Спектр сонячної радіації можна розділити на три якісно різні частини: ультрафіолетову (Y< 0,40 мкм), видимую (0,40 мкм < Y < 0,75 мкм) та інфрачервону (0,76 мкм) < Y < 4 мкм). До ультрафіолетової частини спектру сонячної радіації лежить рентгенівське випромінювання, а за інфрачервоною – радіовипромінювання Сонця. На верхній межі атмосфери на ультрафіолетову частину спектра припадає близько 7 % енергії сонячного випромінювання, 46 – на видиму та 47 % – на інфрачервону.
Радіацію, що випромінюється Землею та атмосферою, називають далекою інфрачервоною радіацією.
Біологічна дія різних видіврадіації на рослини по-різному. Ультрафіолетова радіаціяуповільнює ростові процеси, але прискорює проходження етапів формування репродуктивних органів рослин.
Значення інфрачервоної радіації, яка активно поглинається водою листя та стебел рослин, полягає у її тепловому ефекті, що суттєво впливає на ріст та розвиток рослин.
Далека інфрачервона радіаціясправляє лише теплову дію на рослини. Її вплив на зростання та розвиток рослин несуттєво.
Видима частина сонячного спектру, по-перше, створює освітленість. По-друге, з областю видимої радіації майже збігається (захоплюючи частково область ультрафіолетової радіації) так звана фізіологічна радіація (А = 0,35...0,75 мкм), яка поглинається пігментами листа. Її енергія має важливе регуляторно-енергетичне значення у житті рослин. У межах цієї ділянки спектра виділяється область фотосинтетично активної радіації.
4. Поглинання та розсіювання радіації в атмосфері.
Проходячи через земну атмосферу, сонячна радіація послаблюється внаслідок поглинання та розсіювання атмосферними газами та аерозолями . У цьому змінюється та її спектральний склад. При різній висоті сонця і висоті пункту спостережень над земної поверхнею довжина шляху, прохідного сонячним променем у атмосфері, неоднакова. При зменшенні висоти особливо сильно зменшується ультрафіолетова частина радіації, дещо менша – видима і лише незначно – інфрачервона.
Розсіювання радіації в атмосфері відбувається головним чином внаслідок безперервних коливань (флуктацій) густини повітря в кожній точці атмосфери, викликаних утворенням та руйнуванням деяких «скупчень» (згустків) молекул атмосферного газу. Сонячну радіацію розсіюють також частинки аерозолю. Інтенсивність розсіювання характеризується коефіцієнтом розсіювання.
До = додати формулу.
Інтенсивність розсіювання залежить від кількостей розсіюючих частинок в одиниці обсягу, від їх розміру і природи, а також від довжин хвиль радіації, що розсіюється.
Промені розсіюються тим сильніше, що менше довжина хвилі. Наприклад фіолетові промені розсіюються в 14 разів сильніше за червоні, цим пояснюється блакитний колір неба. Як зазначалося вище (див. Розд. 2.2), пряма сонячна радіація, проходячи через атмосферу, частково розсіюється. У чистому та сухому повітрі інтенсивність коефіцієнта молекулярного розсіювання підпорядковується закону Релея:
к= с/Y4 ,
де З - коефіцієнт, що залежить від числа молекул газу в одиниці об'єму; X - довжина хвилі, що розсіюється.
Оскільки довжина далеких хвиль червоного світла майже вдвічі більша за довжину хвиль фіолетового світла, перші розсіюються молекулами повітря в 14 разів менше, ніж другі. Так як первісна енергія (до розсіювання) фіолетових променів менше, ніж синіх і блакитних, максимум енергії в розсіяному світлі (розсіяної сонячної радіації) зміщується на синьо-блакитні промені, що і обумовлює блакитний колір неба. Таким чином, розсіяна радіація багатша фотосинтетично активними променями, ніж пряма.
У повітрі, що містить домішки (дрібні крапельки води, кристалики льоду, порошинки тощо), розсіювання однаково для всіх ділянок видимої радіації. Тому небо набуває білуватий відтінок (з'являється серпанок). Хмарні елементи (великі крапельки і кристали) взагалі не розсіюють сонячні промені, а дифузно їх відбивають. В результаті хмари, освітлені сонцем, мають білий колір.
5. ФАР (фотосинтетично-активна радіація)
Фотосинтетично активна радіація. У процесі фотосинтезу використовується не весь спектр сонячної радіації, а лише його
частина, що знаходиться в інтервалі довжин хвиль 0,38...0,71 мкм, - фотосинтетично активна радіація (ФАР)
Відомо, що видима радіація, яка сприймається оком людини як білий колір, складається з кольорових променів: червоних, помаранчевих, жовтих, зелених, блакитних, синіх та фіолетових.
Засвоєння енергії сонячної радіації листям рослин селективно (виборчо). Найбільш інтенсивно листя поглинає синьо-фіолетові (X = 0,48...0,40 мкм) та оранжево-червоні (X = 0,68 мкм) промені, менш - жовто-зелені (А. = 0,58... 0,50 мкм) та далекі червоні (А. > 0,69 мкм) промені.
У земної поверхні максимум енергії в спектрі прямої сонячної радіації, коли Сонце знаходиться високо, посідає область жовто-зелених променів (диск Сонця жовтий). Коли Сонце розташовується біля горизонту, максимальну енергію мають далекі червоні промені (червоний сонячний диск). Тому енергія прямого сонячного світла мало бере участь у процесі фотосинтезу.
Так як ФАР є одним з найважливіших факторівпродуктивності сільськогосподарських рослин, інформація про кількість ФАР, що надходить, облік її розподілу по території і в часі мають велике практичне значення.
Інтенсивність ФАР можна виміряти, але для цього необхідні спеціальні світлофільтри, що пропускають лише хвилі в діапазоні 0,38...0,71 мкм. Такі прилади є, але в мережі актинометрических станцій їх застосовують, а вимірюють інтенсивність інтегрального спектра сонячної радіації. Значення ФАР можна розрахувати за даними про прихід прямої, розсіяної або сумарної радіації за допомогою коефіцієнтів, запропонованих X. Г. Тоомінгом і:
Qфар = 0,43 S+0,57 D);
складено карти розподілу місячних та річних сум Фар на території Росії.
Для характеристики ступеня використання посівами ФАР застосовують коефіцієнт корисного використання ФАР:
КПІфар = (сумаQ/ фар/сумаQ/ фар) 100%,
де сумаQ/ фар- сума ФАР, що витрачається на фотосинтез за період вегетації рослин; сумаQ/ фар- сума ФАР, що надходить на посіви цей період;
Посіви за їхніми середніми значеннями КПІФАр поділяють на групи: зазвичай спостерігаються - 0,5...1,5 %; добрі-1,5...3,0; рекордні – 3,5...5,0; теоретично можливі – 6,0...8,0 %.
6. РАДІАЦІЙНИЙ БАЛАНС ЗЕМНОЇ ПОВЕРХНІ
Різниця між потоками, що приходять і потоками променистої енергії називають радіаційним балансом земної поверхні (В).
Прибуткова частина радіаційного балансу земної поверхні вдень складається з прямої сонячної та розсіяної радіації, а також випромінювання атмосфери. Витратною частиною балансу є випромінювання земної поверхні та відбита сонячна радіація:
B= S / + D+ Ea- Е3-Rk
Рівняння можна записати і в іншому вигляді: B = Q- RK - Ееф.
Для нічного часу рівняння радіаційного балансу має такий вигляд:
В = Еа - Е3, або В = -Ееф.
Якщо прихід радіації більше, ніж витрата, то позитивний радіаційний баланс і діяльна поверхня* нагрівається. За негативного балансу вона охолоджується. Влітку радіаційний баланс вдень позитивний, а вночі негативний. Перехід через нуль відбувається вранці приблизно через 1 годину після сходу Сонця, а ввечері за 1...2 години до заходу Сонця.
Річний радіаційний баланс у районах, де встановлюється стійкий сніговий покрив, у холодну пору року має негативні значення, у теплу – позитивні.
Радіаційний баланс земної поверхні суттєво впливає на розподіл температури в ґрунті та приземному шарі атмосфери, а також на процеси випаровування та сніготанення, утворення туманів та заморозків, зміна властивостей повітряних мас(їх трансформацію).
Знання радіаційного режиму сільськогосподарських угідь дозволяє розраховувати кількість радіації, поглиненої посівами та ґрунтом залежно від висоти Сонця, структури посіву, фази розвитку рослин. Дані про режим необхідні і для оцінки різних прийомів регулювання температури та вологості ґрунту, випаровування, від яких залежать зростання та розвиток рослин, формування врожаю, його кількість та якість.
Ефективними агрономічними прийомами впливу на радіаційний, а отже, і на тепловий режим діяльної поверхні є мульчування (покриття ґрунту тонким шаром торф'яної крихти, перепрілим гноєм, тирсою та ін.), укриття ґрунту поліетиленовою плівкою, зрошення. Все це змінює відбивну та поглинальну здатність діяльної поверхні.
* Діяльна поверхня - поверхня ґрунту, води або рослинності, яка безпосередньо поглинає сонячну та атмосферну радіацію та віддає випромінювання в атмосферу, чим регулює термічний режим прилеглих шарів повітря та нижчих шарів ґрунту, води, рослинності.
СОНЯЧНА РАДІАЦІЯ
СОНЯЧНА РАДІАЦІЯ- електромагнітне та корпускулярне випромінювання Сонця. Електромагнітна радіація поширюється як електромагнітних хвиль зі швидкістю світла і проникає у земну атмосферу . До земної поверхні сонячна радіація доходить у вигляді прямої та розсіяної радіації.
Сонячна радіація - головне джерело енергії для всіх фізико-географічних процесів, що відбуваються на земній поверхні та в атмосфері (див. Інсоляція). Сонячна радіація зазвичай вимірюється з її теплової дії і виявляється у калоріях на одиницю поверхні за одиницю часу. Усього Земля отримує від Сонця менше однієї двомільярдної його випромінювання.
Спектральний діапазон електромагнітного випромінювання Сонця дуже широкий - від радіохвиль до рентгенівських променів - проте максимум його інтенсивності посідає видиму (жовто-зелену) частину спектра.
Існує також корпускулярна частина сонячної радіації, що складається з протонів, що рухаються від Сонця зі швидкостями 300-1500 км/с (сонячний вітер). Під час сонячних спалахів утворюються також частинки великих енергій (переважно протони та електрони), що утворюють сонячну компоненту космічних променів.
Енергетичний внесок корпускулярної складової сонячної радіації у її загальну інтенсивність невеликий у порівнянні з електромагнітною. Тому в ряді додатків термін «сонячна радіація» використовують у вузькому значенні, маючи на увазі лише її електромагнітну частину.
Кількість сонячної радіації залежить від висоти сонця, пори року, прозорості атмосфери. Для вимірювання сонячної радіації служать актинометри та піргеліометри. Інтенсивність сонячної радіації зазвичай вимірюється з її теплової дії і виявляється у калоріях на одиницю поверхні за одиницю часу.
Сонячна радіація сильно впливає на Землю тільки вдень, безумовно, коли Сонце знаходиться над горизонтом. Також сонячна радіація дуже сильна поблизу полюсів, у період полярних днів, коли Сонце навіть опівночі перебуває над обрієм. Проте взимку в тих самих місцях Сонце взагалі не піднімається над горизонтом, і тому не впливає на регіон. Сонячна радіація не блокується хмарами, і тому все одно надходить на Землю (при безпосередньому знаходженні Сонця над горизонтом). Сонячна радіація - це поєднання яскраво-жовтого кольору Сонця та тепла, тепло проходить і крізь хмари. Сонячна радіація передається Землю у вигляді випромінювання, а чи не методом теплопровідності.
Сума радіації, отриманої небесним тілом, залежить від відстані між планетою та зіркою - при збільшенні відстані вдвічі кількість радіації, що надходить від зірки на планету, зменшується вчетверо (пропорційно квадрату відстані між планетою та зіркою). Таким чином, навіть невеликі зміни відстані між планетою і зіркою (залежить від ексцентристету орбіти) призводять до значної зміни кількості радіації, що надходить на планету. Ексцентристет земної орбіти теж не є постійним - протягом тисячоліть він змінюється, періодично утворюючи те практично ідеальне коло, іноді ж ексцентристет досягає 5% (нині він дорівнює 1,67%), тобто в перигелії Земля отримує в даний час в 1,033 більше сонячної радіації, ніж у афелії, а за найбільшого ексцентриститу - більш ніж 1,1 разу. Однак набагато сильніше кількість сонячної радіації, що надходить, залежить від змін пір року - в даний час загальна кількість сонячної радіації, що надходить на Землю, залишається практично незмінною, але на широтах 65 С.Ш (широта північних міст Росії, Канади) влітку кількість сонячної радіації, що надходить більш ніж на 25% більше, ніж узимку. Це відбувається через те, що Земля по відношенню до Сонця нахилена під кутом 23,3 градуса. Зимові та літні зміни взаємно компенсуються, проте за зростанням широти місця спостереження все більше стає розрив між зимою і влітку, так, на екваторі різниці між зимою і влітку немає. За Полярним колом влітку надходження сонячної радіації дуже високо, а взимку дуже мало. Це формує клімат Землі. Крім того, періодичні зміни ексцентристету орбіти Землі можуть призводити до виникнення різних геологічних епох: наприклад,
Енергія, випромінювана Сонцем, зветься сонячної радіації. Поступаючи на Землю, сонячна радіація здебільшого перетворюється на тепло.
Сонячна радіація є практично єдиним джерелом енергії для Землі та атмосфери. У порівнянні з сонячною енергією значення інших джерел енергії для Землі дуже мало. Наприклад, температура Землі загалом із глибиною зростає (приблизно 1 про З кожні 35 м). Завдяки цьому поверхня Землі отримує деяку кількість тепла із внутрішніх частин. Підраховано, що в середньому 1см 2 земної поверхні одержує із внутрішніх частин Землі близько 220 Дж на рік. Ця кількість у 5000 разів менша від тепла, що отримується від Сонця. Деяка кількість тепла Земля отримує від зірок і планет, але й вона у багато разів (приблизно в 30 млн.) менше тепла, що надходить від Сонця.
Кількість енергії, що посилається Сонцем на Землю, величезна. Так, потужність потоку сонячної радіації, що надходить на площу в 10 км 2 , становить літній безхмарний (з урахуванням ослаблення атмосфери) 7-9 кВт. Це більше, ніж потужність Красноярської ГЕС. Кількість променистої енергії, що надходить від Сонця за 1 секунду на площу 15-15 км (це менше площі Ленінграда) в близькополудневі години влітку, перевищує потужність всіх електростанцій СРСР, що розпався (166 млн кВт).
Малюнок 1 - Сонце - джерело радіації
> Види сонячної радіації
У атмосфері сонячна радіація шляху до землі частково поглинається, а частково розсіюється і відбивається від хмар і земної поверхні. В атмосфері спостерігається три види сонячної радіації: пряма, розсіяна та сумарна.
Пряма сонячна радіація- Радіація, що надходить до земної поверхні безпосередньо від диска Сонця. Сонячна радіація поширюється від Сонця в усіх напрямках. Але відстань від Землі до Сонця така велика, що пряма радіація падає на будь-яку поверхню на Землі у вигляді пучка паралельних променів, що виходить як би з нескінченності. Навіть весь земну кулюв цілому такий малий у порівнянні з відстанню до Сонця, що всю сонячну радіацію, що падає на нього, без помітної похибки можна вважати пучком паралельних променів.
На верхню межу атмосфери приходить лише пряма радіація. Близько 30% радіації, що падає на Землю, відображається в космічний простір. Кисень, азот, озон, діоксид вуглецю, водяні пари (хмари) та аерозольні частинки поглинають 23% прямої сонячної радіації в атмосфері. Озон поглинає ультрафіолетову та видиму радіацію. Незважаючи на те, що його вміст у повітрі дуже мало, він поглинає всю ультрафіолетову частину радіації (приблизно 3%). Таким чином, біля земної поверхні її взагалі не спостерігається, що дуже важливо для життя на Землі.
Пряма сонячна радіація по дорозі крізь атмосферу також розсіюється. Частка (крапля, кристал або молекула) повітря, що знаходиться на шляху електромагнітної хвилі, безперервно «витягує» енергію з падаючої хвилі і перевипромінює її по всіх напрямках, стаючи випромінювачем енергії.
Близько 25 % енергії загального потоку сонячної радіації, проходячи через атмосферу, розсіюється молекулами атмосферних газів та аерозолем і перетворюється на атмосферу на розсіяну сонячну радіацію. Таким чином розсіяна сонячна радіація- Сонячна радіація, що зазнала розсіювання в атмосфері. Розсіяна радіація приходить до земної поверхні немає від сонячного диска, як від усього небесного склепіння. Розсіяна радіація відмінна від прямої за спектральним складом, так як промені різних довжин хвиль розсіюються різною мірою.
Так як першоджерелом розсіяної радіації є пряма сонячна радіація, потік розсіяної залежить від тих факторів, які впливають на потік прямої радіації. Зокрема, потік розсіяної радіації зростає зі збільшенням висоти Сонця і навпаки. Він зростає також із збільшенням у атмосфері кількості розсіюючих частинок, тобто. зі зниженням прозорості атмосфери, і зменшується з висотою над рівнем моря у зв'язку зі зменшення кількості частинок, що розсіюють, у вищележачих шарах атмосфери. Дуже великий вплив на розсіяну радіацію надають хмарність і сніговий покрив, які за рахунок розсіювання і відображення прямої і розсіяної радіації, що падає на них, і повторного розсіювання їх в атмосфері можуть у кілька разів збільшити розсіяну сонячну радіацію.
Розсіяна радіація суттєво доповнює пряму сонячну радіацію та значно збільшує надходження сонячної енергії на земну поверхню. Особливо велика її роль у зимовий час у високих широтах та інших районах з підвищеною хмарністю, де частка розсіяної радіації може перевищувати частку прямої. Наприклад, у річній сумі сонячної енергії частку розсіяної радіації посідає Архангельську - 56 %, у Санкт-Петербурзі - 51 %.
Сумарна сонячна радіація- це сума потоків прямої та розсіяної радіацій, що надходять на горизонтальну поверхню. До сходу та після заходу Сонця, а також вдень при суцільній хмарності сумарна радіація повністю, а при малих висотах Сонця переважно складається з розсіяної радіації. При безхмарному або малохмарному небі зі збільшенням висоти Сонця частка прямої радіації у складі сумарної швидко зростає і вдень потік її багаторазово перевищує потік розсіяної радіації. Хмарність в середньому послаблює сумарну радіацію (на 20-30 %), проте при частковій хмарності, що не закриває сонячного диска, її потік може бути більшим, ніж при безхмарному небі. Істотно збільшує потік сумарної радіації сніговий покрив рахунок збільшення потоку розсіяної радіації.
Сумарна радіація, падаючи на земну поверхню, здебільшого поглинається верхнім шаром ґрунту або товстішим шаром води (поглинена радіація) і переходить у тепло, а частково відбивається (відбита радіація).
Всі види сонячних променів досягають земної поверхні трьома шляхами - у вигляді прямої, відбитої та розсіяної сонячної радіації.
Пряма сонячна радіація- Це промені, що йдуть безпосередньо від сонця. Її інтенсивність (ефективність) залежить від висоти стояння сонця над горизонтом: максимум спостерігається опівдні, а мінімум – вранці та ввечері; від пори року: максимум – влітку, мінімум – взимку; від висоти місцевості над рівнем моря (у горах вище, ніж рівнині); стану атмосфери (забрудненість повітря зменшує її). Від висоти стояння сонця над горизонтом залежить і спектр сонячної радіації (чим нижче сонце над горизонтом, тим менше ультрафіолетових променів).
Відображена сонячна радіація- це промені сонця, які відображені земною або водною поверхнею. Вона виражається відсотковим ставленням відбитих променів до сумарному потоку і називається альбедо. Величина альбедо залежить від характеру поверхонь, що відбивають. При організації та проведенні сонячних ванн необхідно знати та враховувати альбедо поверхонь, на яких проводяться сонячні ванни. Деякі з них характеризуються вибірковою здатністю, що відображає. Сніг повністю відбиває інфрачервоні промені, а ультрафіолетові - меншою мірою.
Розсіяна сонячна радіаціяутворюється внаслідок розсіювання сонячних променів в атмосфері. Молекули повітря і зважені у ньому частинки (найдрібніші крапельки води, кристалики льоду тощо. п.), звані аерозолями, відбивають частина променів. В результаті багаторазових відображень частина їх все ж таки досягає земної поверхні; це розсіяне сонячне проміння. Розсіюються в основному ультрафіолетові, фіолетові та блакитні промені, що визначає блакитний колір неба в ясну погоду. Питома вага розсіяних променів велика у високих широтах (у північних районах). Там сонце стоїть низько над горизонтом, тому шлях променів до земної поверхні довший. На довгому шляху промені зустрічають більше перешкод і більшою мірою розсіюються.
(http://new-med-blog.livejournal.com/204
Сумарна сонячна радіація- вся пряма та розсіяна сонячна радіація, що надходить на земну поверхню. Сумарна сонячна радіація характеризується інтенсивністю. При безхмарному небі сумарна сонячна радіація має максимальне значення близько полудня, а протягом року – влітку.
Радіаційний баланс
Радіаційний баланс земної поверхні - різниця між сумарною сонячною радіацією, поглиненою земною поверхнею, та її ефективним випромінюванням. Для земної поверхні
- прибуткова частина є поглинена пряма та розсіяна сонячна радіація, а також поглинене зустрічне випромінювання атмосфери;
- Витратна частина складається зі втрати тепла за рахунок власного випромінювання земної поверхні.
Радіаційний баланс може бути позитивним(вдень, влітку) та негативним(вночі, взимку); вимірюється у кВт/кв.м/хв.
Радіаційний баланс земної поверхні – найважливіший компонент теплового балансу земної поверхні; один з основних кліматоутворюючих факторів.
Тепловий баланс земної поверхні- алгебраїчна сума всіх видів приходу та витрати тепла на поверхню суші та океану. Характер теплового балансу та його енергетичний рівень визначають особливості та інтенсивність більшості екзогенних процесів. Основними складовими теплового балансу океану є:
- Радіаційний баланс;
- Витрата тепла на випаровування;
- турбулентний теплообмін між поверхнею океану та атмосферою;
- Вертикальний турбулентний теплообмін поверхні океану з нижчими шарами; і
- Горизонтальна океанічна адвекція.
(http://www.glossary.ru/cgi-bin/gl_sch2.c gi?RQgkog.outt:p!hgrgtx!nlstup!vuilw)tux yo)
Вимірювання сонячної радіації.
Для вимірювання сонячної радіації служать актинометри та піргеліометри. Інтенсивність сонячної радіації зазвичай вимірюється з її теплової дії і виявляється у калоріях на одиницю поверхні за одиницю часу.
(http://www.ecosystema.ru/07referats/slo vgeo/967.htm)
Вимірювання інтенсивності сонячної радіації проводиться піранометр Янішевського в комплекті з гальванометром або потенціометром.
При вимірах сумарної сонячної радіації піранометр встановлюють без тіньового екрану, при вимірах розсіяної радіації з тіньовим екраном. Пряма сонячна радіація обчислюється як різницю між сумарною та розсіяною радіацією.
При визначенні інтенсивності падаючої сонячної радіації на огородження піранометр встановлюють на нього так, щоб поверхня приладу, що сприймається, була строго паралельна поверхні огородження. За відсутності автоматичного запису радіації виміри слід проводити через 30 хв у проміжку між сходом та заходом сонця.
Радіація, що падає на поверхню огорожі, повністю не поглинається. Залежно від фактури та фарбування огорожі деяка частина променів відбивається. Ставлення відбитої радіації до падаючої, виражене у відсотках, називається альбедо поверхніта вимірюється альбедометром П.К. Калитина у комплекті з гальванометром або потенціометром.
Для більшої точності спостереження слід проводити при ясному небі та інтенсивному сонячному опроміненні огорожі.
(http://www.constructioncheck.ru/default.a spx?textpage=5)
