big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Радиационный баланс

Количество тепла, получаемого от Солнца земной поверхностью, зависит прежде всего от угла падения солнечных лучей. Чем отвеснее падают солнечные лучи, т. е. чем больше высота солнца над горизонтом, тем меньше путь солнечных лучей в атмосфере (рис. 8) и тем большее количество энергии приходится

Прохождение солнечных лучей через атмосферу

на единицу площади. И, наоборот, чем меньше угол падения, тем больше путь солнечных лучей в атмосфере и тем меньше энергии приходится на единицу площади.

Максимальное количество солнечной радиации поступает на единицу горизонтальной поверхности земли, перпендикулярной солнечным лучам, тогда, когда солнце находится в зените, т. е. когда угол падения солнечных лучей равен 90°.

Для изучения процессов, вызванных притоком солнечной энергии, необходимо знать, какое количество ее получает Земля вместе с атмосферой и гидросферой, как распределяется эта энергия по земному шару и как она расходуется. Но Земля не только получает солнечное тепло, она и отдает его путем излучения. Разность между приходом и расходом лучистой энергии Солнца называется радиационным балансом.

Потеря тепла земной поверхностью путем излучения в значительной степени компенсируется излучением атмосферы, направленным сверху вниз. Однако вследствие того, что температура земной поверхности выше температуры атмосферы, земное излучение всегда больше излучения атмосферы. Иначе говоря, земная поверхность всегда теряет некоторое количество тепла. Разность между величиной земного излучения и величиной поглощенного подстилающей поверхностью противоизлучения атмосферы называется эффективным излучением. Земное излучение измеряется в калориях на квадратный сантиметр в минуту (кал/см2мин).

Величина радиационного баланса земной поверхности определяется уравнением:

R=Q(1-a)-I

где Q — суммарная солнечная радиация, приходящаяся на единицу горизонтальной поверхности; а — отражательная способность земной поверхности для коротковолновой радиации; I — эффективное излучение, равное разности собственного излучения земной поверхности и противоизлучения атмосферы.

Температура земной поверхности и влажность воздуха оказывают значительное влияние на величину эффективного излучения, поэтому величина эффективного излучения днем больше, чем ночью, летом больше, чем зимой. В тех районах Земли, где часто наблюдается облачность, эффективное излучение земной поверхности меньше, чем там, где преобладает ясная погода. Потеря тепла поверхностью значительно уменьшается благодаря поглощательной способности атмосферы. При отсутствии атмосферы между приходом солнечного тепла и излучением поверхности земли установилось бы иное равновесие, чем оно существует в настоящее время.

Изучение особенностей радиационного баланса в различных частях земного шара является одной из важнейших задач метеорологии. Еще в конце прошлого века (1884) выдающийся географ и климатолог А. И. Воейков писал о необходимости ведения «приходо-расходной книги солнечного тепла, получаемого земным шаром с его воздушной и водяной оболочкой. Нам нужно знать: сколько получается солнечного тепла у верхних границ атмосферы; сколько его идет на нагревание атмосферы, на изменение состояния примешанного к ней водяного пара; затем — какое количество достигает поверхности суши и вод, какое идет на нагревание различных тел, какое на изменение их состояния (из твердого в жидкое и из жидкого в газообразное); на химические реакции, особенно сопряженные с органической жизнью; затем нужно знать, сколько тепла Земля теряет посредством излучения в небесное пространство и как идет эта потеря».

С тех пор изучено многое. Изобретены специальные приборы для измерения радиационного баланса, называемые балансомерами, составлены карты радиационного баланса земной поверхности и др.

Возвращаясь к вопросу о количестве притока солнечной энергии к Земле, рассмотрим рассчитанные суммы солнечной радиации для летнего и зимнего солнцестояния при отсутствии

атмосферы. Такие данные приведены в таблице 2. Из этой таблицы следует,- что при отсутствии атмосферы в дни летнего солнцестояния Арктика получала бы наибольшее количество солнечного тепла — 1110 кал/см2сут, т. е. больше, чем экваториальная зона, где суточная сумма тепла составляла бы всего лишь 814 кал/см2.

Расчеты показывают, что при так называемой идеальной атмосфере (абсолютно сухой и чистой) поверхность земли в высоких и даже средних широтах летом получала бы больше тепла, чем в экваториальной зоне. Согласно расчетам в последних числах июня при отсутствии облаков и при средней прозрачности атмосферы на Северный полюс поступало бы около 670 кал/см2сут, на широту 550—630 кал/см2сут, а в экваториальную зону лишь около 500 кал/см2сут.

В экваториальной зоне количество солнечного тепла не испытывает больших сезонных изменений (табл. 2). Суточные суммы его колеблются в пределах 814—869 кал/см2. В то же время в средних широтах от лета к зиме, оно уменьшается в несколько раз, а на Северном полюсе поступление тепла в период сентябрь-март вовсе прекращается.

Такое распределение солнечной радиации объясняется тем, что в Полярном бассейне летом солнце круглые сутки не заходит за горизонт, а зимой не появляется над горизонтом, в то время как в экваториальной зоне продолжительность светлого времени суток в течение года не испытывает заметных колебаний и равна приблизительно 12 часам. Поэтому в течение года низкие широты получают больше тепла, чем средние и высокие широты.

Чтобы выяснить, в какой степени количество энергии, поступающей на перпендикулярную солнечным лучам поверхность, зависит от угла их падения, обратимся к таблице 3. В этой таблице приводятся теоретически вычисленные данные о количестве солнечной радиации, приходящейся на перпендикулярную абсолютно черную поверхность, в зависимости от высоты солнца над горизонтом при полном отсутствии атмосферы (солнечная постоянная) и при прохождении солнечных лучей через идеальную атмосферу, а также данные, полученные непосредственно из наблюдений при наличии реальной атмосферы при средней прозрачности ее.

Как видно из таблицы 3, по сравнению с солнечной постоянной интенсивность радиации даже при условии идеальной атмосферы заметно меньше и, конечно, она еще меньше при наличии реальной атмосферы. При высоте солнца, равной 20°, интенсивность солнечной радиации по сравнению с солнечной постоянной в реальной атмосфере уменьшается почти вдвое, а при высоте солнца 60° — на 30%. Резкое уменьшение интенсивности солнечной радиации в реальной атмосфере происходит главным образом из-за содержания в ней водяного пара и пыли, обладающих большой поглощательной способностью.

Так обстоит дело с приходом солнечного тепла на перпендикулярную лучам поверхность.

В таблице 4 приведены примеры поступления солнечной радиации за сутки в различных точках Земли в середине лета и величины годовых сумм ее в тех же точках (по Н. П. Русину). Из таблицы следует, например, что на станции «Восток», находящейся близко к центру Южного материка, где небо безоблачное и прозрачное, летом за сутки поступает тепла в 2—2,5 раза больше, чем в умеренных и низких широтах Земли. В действительности же годовая сумма солнечной энергии на единицу горизонтальной поверхности в низких и средних широтах составляет большую величину, чем в высоких широтах. Это объясняется углом падения солнечных лучей. Так, при падении лучей солнца

под углом 30° количество радиации, поступающей на 1 см2 горизонтальной поверхности, по сравнению с перпендикулярным падением лучей уменьшается в 2 раза, а при высоте солнца 5° — почти в 12 раз. Поэтому поток солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность, быстро убывает от экватора к полюсам.

Количество солнечного тепла, получаемого различными участками земной поверхности, меняется в течение года в зависимости от положения Земли по отношению к Солнцу. В дни весеннего и осеннего равноденствия в полдень на экваторе солнце бывает в зените, а на полюсах — на горизонте. В день летнего солнцестояния в северном полушарии высота солнца на экваторе 66,5°, на северном тропике 90°, а на Северном полюсе лишь 23,5°. В это время в Арктике солнце не заходит за горизонт и вступает в силу полярный день, а Антарктика погружается в полярную ночь.

В день зимнего солнцестояния в Арктике солнце находится за горизонтом (полярная ночь), а в Антарктике наблюдается полярный день. Однако как на Северном, так и на Южном полюсе в полярный день лучи солнца падают под наименьшим углом.

Продолжительность периода с полярным днем, как и с полярной ночью, равна приблизительно половине года. Поэтому в низких широтах Земли, где высота солнца в течение всего года наибольшая, значительно теплее, чем в средних и особенно высоких широтах северного и южного полушарий. Этим же объясняется наибольший нагрев земной поверхности в полдень, когда солнечные лучи падают на нее под наибольшим углом. Однако годовой ход температуры воздуха зависит от физико-географических условий района, адвекции и т. п.

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.