Типи сонячної радіації. Спектральний склад радіації

Сліпучий сонячний диск у всі часи розбурхував уми людей, служив благодатною темою для легенд та міфів. Ще з давніх-давен люди здогадувалися про його вплив на Землю. Як близькі були наші далекі пращури до істини. Саме променистої енергії Сонця ми завдячуємо існуванням життя Землі.

Що ж є радіоактивне випромінювання нашого світила і як воно впливає на земні процеси?

Що таке сонячна радіація

Сонячна радіація - це сукупність сонячної матерії та енергії, що надходить Землю. Енергія поширюється у вигляді електромагнітних хвиль зі швидкістю 300 тисяч кілометрів на секунду, проходить через атмосферу та досягає Землі за 8 хвилин. Діапазон хвиль, що у цьому «марафоні», дуже широкий - від радіохвиль до рентгенівських променів, включаючи видиму частину спектра. Земна поверхня перебуває під впливом як прямих, і розсіяних земної атмосферою, сонячних променів. Саме розсіянням в атмосфері синьо-блакитних променів пояснюється блакитність неба у ясний день. Жовто-жовтогарячий колір сонячного диска обумовлений тим, що відповідні йому хвилі проходять майже без розсіювання.

Із запізненням на 2–3 доби землі досягає «сонячний вітер», що є продовженням сонячної корони і складається з ядер атомів легких елементів (водню та гелію), а також електронів. Цілком природно, що сонячна радіація має сильний вплив на організм людини.

Вплив сонячної радіації на організм людини

Електромагнітний спектр сонячної радіації складається з інфрачервоної, видимої та ультрафіолетової частин. Оскільки їхні кванти мають різну енергію, то вони надають різноманітну дію на людину.

освітлення у приміщенні

Надзвичайно велике та гігієнічне значення сонячної радіації. Оскільки видиме світло є вирішальним чинником отримання інформації про світ, у приміщенні необхідно забезпечувати достатній рівень освітленості. Його регламентування проводиться відповідно до СНиП, які для сонячної радіації складаються з урахуванням світло-кліматичних особливостей різних географічних зон та враховуються під час проектування та будівництва різних об'єктів.

Навіть поверхневий аналіз електромагнітного спектра сонячного випромінювання доводить, наскільки великий вплив цього виду радіації на організм людини.

Розподіл сонячного випромінювання територією Землі

Далеко не все випромінювання, що йде від Сонця, досягає поверхні землі. І причин для цього є чимало. Земля стійко відбиває атаку тих променів, які згубні її біосфери. Цю функцію виконує озоновий щит нашої планети, не пропускаючи найагресивнішу частину ультрафіолетового випромінювання. Атмосферний фільтр у вигляді водяної пари, вуглекислого газу, зважених у повітрі пилових частинок – значною мірою відбиває, розсіює та поглинає сонячне випромінювання.

Та його частина, яка здолала всі ці перепони, падає на поверхню землі під різними кутами, що залежать від широти місцевості. Поживне сонячне тепло розподіляється територією нашої планети нерівномірно. У міру зміни висоти стояння сонця протягом року над горизонтом змінюється маса повітря, якою пролягає шлях сонячних променів. Усе це впливає розподіл інтенсивності сонячного випромінювання територією планети. Загальна тенденція така - цей параметр збільшується від полюса до екватора, оскільки що більше кут падіння променів, то більше вписувалося тепла потрапляє на одиницю площі.

Карти сонячної радіації дозволяють мати картину розподілу інтенсивності сонячного випромінювання територією Землі.

Вплив сонячної радіації на клімат Землі

Вирішальний вплив на клімат Землі має інфрачервона складова сонячної радіації.

Зрозуміло, що це відбувається лише тоді, коли Сонце перебуває над горизонтом. Цей вплив залежить від віддаленості нашої планети від Сонця, яке змінюється протягом року. Орбіта Землі є еліпс, всередині якого і знаходиться Сонце. Здійснюючи свій річний шлях навколо Сонця, Земля віддаляється від свого світила, то наближається до нього.

Крім зміни відстані, кількість радіації, що надходить на землю, визначається нахилом земної осі до площини орбіти (66,5°) і зміною пір року, що викликається нею. Влітку вона більша, ніж узимку. На екваторі цього чинника немає, але зі зростанням широти місця спостереження, розрив між літом і взимку стає значним.

У процесах, що відбуваються на Сонці, мають місце всілякі катаклізми. Їх вплив частково нівелюється величезними відстанями, захисними властивостями земної атмосфери та магнітним полем Землі.

Як захиститись від сонячної радіації

Інфрачервона складова сонячного випромінювання - це омріяне тепло, на яке жителі середніх і північних широт з нетерпінням чекають на всі інші сезони року. Сонячною радіацією як оздоровчим фактором користуються як здорові, так і хворі.

Однак, не можна забувати, що тепло так само, як і ультрафіолет, відноситься до дуже сильних подразників. Зловживання їх дією може призвести до опіку, загального перегріву організму, і навіть загострення хронічних захворювань. Приймаючи сонячні ванни, слід дотримуватись перевірених життям правил. Особливо обережно слід засмагати у ясні сонячні дні. Грудним дітям та літнім людям, хворим з хронічною формою туберкульозу та проблемами із серцево-судинною системою, слід задовольнятися розсіяним сонячним випромінюванням у тіні. Цього ультрафіолету цілком достатньо для задоволення потреб організму.

Навіть молодим людям, які не мають особливих проблем зі здоров'ям, слід передбачити захист від сонячної радіації.

Наразі з'явився рух, активісти якого виступають проти засмаги. І недаремно. Засмагла шкіра, безперечно, красива. Але меланін, що виробляється організмом (що ми називаємо засмагою) - це його захисна реакція на вплив сонячного випромінювання. Користі від засмаги немає!Є навіть відомості, що засмага вкорочує життя, оскільки радіація має кумулятивну властивість - вона накопичується протягом усього життя.

Якщо справа так серйозна, слід скрупульозно дотримуватися правил, що наказують як захиститися від сонячної радіації:

• строго обмежувати час для засмаги і робити це лише в безпечний годинник;
• перебуваючи на активному сонці, слід носити крислатий капелюх, закритий одяг, сонцезахисні окуляри та парасольку;
• використовувати лише якісний сонцезахисний крем.

Чи у всі пори року сонячна радіація небезпечна для людини? Кількість сонячного випромінювання, що надходить на землю, пов'язана зі зміною пір року. На середніх широтах влітку воно на 25% більше, ніж узимку. На екваторі цієї різниці немає, але зі зростанням широти місця спостереження - ця різниця зростає. Це відбувається через те, що наша планета по відношенню до сонця нахилена під кутом 23,3 градуса. Взимку воно знаходиться низько над горизонтом і освітлює землю лише ковзними променями, які менше прогрівають поверхню, що освітлюється. Таке положення променів викликає їх розподіл більшої поверхні, що знижує їх інтенсивність порівняно з літнім прямовисним падінням. Крім того, наявність гострого кута при проходженні променів через атмосферу, «подовжує» їхній шлях, змушуючи втрачати більшу кількість тепла. Ця обставина знижує вплив сонячної радіації взимку.

Сонце – зірка, яка є для нашої планети джерелом тепла та світла. Вона «керує» кліматом, зміною пори року і станом усієї біосфери Землі. І тільки знання законів цього могутнього впливу дозволить використовувати цей цілющий дар на благо здоров'я людей.

Найважливішим джерелом, від якого поверхня Землі та атмосфера одержують теплову енергію, є Сонце. Воно посилає у світовий простір колосальну кількість променистої енергії: теплової, світлової, ультрафіолетової. Електромагнітні хвилі, що випромінюються Сонцем, поширюються зі швидкістю 300 000 км/с.

Від величини кута падіння сонячних променів залежить нагрівання земної поверхні. Всі сонячні промені приходять на поверхню Землі паралельно один одному, але так як Земля має кулясту форму, сонячні промені падають на різні ділянки поверхні під різними кутами. Коли Сонце в зеніті, його промені падають прямовисно і Земля нагрівається сильніше.

Вся сукупність променистої енергії, що посилається Сонцем, називається сонячною радіацією,зазвичай вона виявляється у калоріях на одиницю поверхні на рік.

Сонячна радіація визначає температурний режим повітряної тропосфери Землі.

Необхідно зауважити, що загальна кількість сонячного випромінювання більш ніж у два мільярди разів перевищує кількість енергії, яку отримує Земля.

Радіація, що досягає земної поверхні, складається з прямої та розсіяної.

Радіація, що приходить на Землю безпосередньо від Сонця у вигляді прямих сонячних променів при безхмарному небі, називається прямий.Вона несе найбільшу кількість тепла та світла. Якби наша планета не мала атмосфери, земна поверхня отримувала тільки пряму радіацію.

Однак, проходячи через атмосферу, приблизно четверта частина сонячної радіації розсіюється молекулами газів та домішками, відхиляється від прямого шляху. Деяка їхня частина досягає поверхні Землі, утворюючи розсіяну сонячну радіацію.Завдяки розсіяній радіації світло проникає й у місця, куди прямі сонячні промені (пряма радіація) не проникають. Ця радіація створює денне світло і надає кольору небу.

Сумарна сонячна радіація

Усі сонячні промені, що надходять на Землю, становлять сумарну сонячну радіацію,тобто сукупність прямої та розсіяної радіації (рис. 1).

Рис. 1. Сумарна сонячна радіація протягом року

Розподіл сонячної радіації по земній поверхні

Сонячна радіація розподіляється землі нерівномірно. Це залежить:

1. від щільності та вологості повітря - що вони вище, тим менше радіації отримує земна поверхня;

2. від географічної широти території — кількість радіації зростає від полюсів до екватора. Кількість прямої сонячної радіації залежить від довжини шляху, що проходить сонячне проміння в атмосфері. Коли Сонце перебуває у зеніті (кут падіння променів 90°), його промені потрапляють Землю найкоротшим шляхом і інтенсивно віддають свою енергію малої площі. На Землі це відбувається у смузі між 23° з. ш. та 23° пд. ш., тобто між тропіками. У міру віддалення від цієї зони на південь чи північ довжина шляху сонячних променів збільшується, т. е. зменшується кут їх падіння на земну поверхню. Промені починають падати на Землю під меншим кутом, ніби ковзаючи, наближаючись у районі полюсів до дотичної лінії. В результаті той же потік енергії розподіляється на велику площу, тому збільшується кількість відбитої енергії. Таким чином, в районі екватора, де сонячні промені падають на земну поверхню під кутом 90°, кількість отримуваної земної поверхнею прямої сонячної радіації вище, а в міру пересування до полюсів ця кількість різко скорочується. Крім того, від широти місцевості залежить і тривалість дня у різні пори року, що також визначає величину сонячної радіації, що надходить на земну поверхню;

3. від річного та добового руху Землі - у середніх та високих широтах надходження сонячної радіації сильно змінюється по порах року, що пов'язано зі зміною південної висоти Сонця та тривалості дня;

4. від характеру земної поверхні — що світліша поверхня, то більше вписувалося сонячних променів вона відбиває. Здатність поверхні відбивати радіацію називається альбедо(Від лат. Білизна). Особливо сильно відбиває радіацію сніг (90%), слабкіший пісок (35%), ще слабкіший чорнозем (4%).

Земна поверхня поглинає сонячну радіацію (поглинена радіація),нагрівається і сама випромінює тепло в атмосферу (Відбита радіація).Нижні шари атмосфери значною мірою затримують земне випромінювання. Поглинена земною поверхнею радіація витрачається на нагрівання ґрунту, повітря, води.

Та частина сумарної радіації, яка залишається після відображення та теплового випромінювання земної поверхні, називається радіаційним балансом.Радіаційний баланс земної поверхні змінюється протягом доби та по сезонах року, проте в середньому за рік має позитивне значення усюди, за винятком крижаних пустель Гренландії та Антарктиди. Максимальних значень радіаційний баланс досягає в низьких широтах (між 20° пн. ш. і 20° пд. ш.) — понад 42*10 2 Дж/м 2 , на широті близько 60° обох півкуль він знижується до 8*10 2 13*10 2 Дж/м2.

Сонячні промені віддають атмосфері до 20% своєї енергії, яка розподіляється по всій товщі повітря, і тому нагрівання повітря, що викликається ними, відносно невелике. Сонце нагріває поверхню Землі, яка передає тепло атмосферному повітрю за рахунок конвекції(Від лат. convectio- доставка), тобто вертикального переміщення нагрітого біля земної поверхні повітря, на місце якого опускається холодніше повітря. Саме так атмосфера отримує більшу частину тепла — у середньому втричі більше, ніж безпосередньо від Сонця.

Присутність у вуглекислого газу та водяної пари не дозволяє теплу, відбитому від земної поверхні, безперешкодно йти у космічний простір. Вони створюють парниковий ефект,завдяки якому перепад температури Землі протягом доби вбирається у 15 °З. За відсутності в атмосфері вуглекислого газу земна поверхня остигала за ніч на 40-50 °С.

Внаслідок зростання масштабів господарської діяльності людини — спалювання вугілля та нафти на ТЕС, викидів промисловими підприємствами, збільшення автомобільних викидів — вміст вуглекислого газу в атмосфері підвищується, що веде до посилення парникового ефекту та загрожує глобальною зміною клімату.

Сонячні промені, пройшовши атмосферу, потрапляють на поверхню Землі та нагрівають її, а та, у свою чергу, віддає тепло атмосфері. Цим пояснюється характерна риса тропосфери: зниження температури повітря з висотою. Але трапляються випадки, коли вищі шари атмосфери виявляються теплішими, ніж нижчі. Таке явище зветься температурної інверсії(Від латів. inversio - перевертання).

Сонце - джерело світла і тепла, якого потребує все живе на Землі. Але крім фотонів світла, воно випромінює жорстку іонізуючу радіацію, що складається з ядер та протонів гелію. Чому так відбувається?

Причини виникнення сонячного випромінювання

Сонячна радіація утворюється в денний час під час хромосферних спалахів - гігантських вибухів, що відбуваються в атмосфері Сонця. Частина сонячної речовини викидається в космічний простір, утворюючи космічні промені, що головним чином складаються з протонів і невеликої кількості ядер гелію. Ці заряджені частинки через 15-20 хвилин після того, як сонячний спалах стає видимим, досягають поверхні землі.

Повітря відсікає первинне космічне випромінювання, породжуючи каскадну ядерну зливу, яка згасає зі зниженням висоти. При цьому народжуються нові частки - півонії, які розпадаються та перетворюються на мюони. Вони проникають у нижні шари атмосфери та потрапляють на землю, зариваючись углиб до 1500 метрів. Саме мюони відповідають за утворення вторинного космічного випромінювання та природної радіації, що впливає на людину.

Спектр сонячного випромінювання

Спектр сонячного випромінювання включає як короткохвильові, так і довгохвильові області:

• гамма-промені;
• рентгенівське випромінювання;
• УФ-радіацію;
• видиме світло;
• інфрачервону радіацію.

Понад 95% випромінювання Сонця посідає область «оптичного вікна» - видимої ділянки спектра з прилеглими областями ультрафіолетових та інфрачервоних хвиль. У міру проходження через шари атмосфери дія сонячних променів послаблюється – вся іонізуюча радіація, рентгенівські промені та майже 98% ультрафіолету затримуються земною атмосферою. Практично без втрат до землі доходить видиме світло та інфрачервоне випромінювання, хоча вони частково поглинаються молекулами газів і частинками пилу, що знаходяться в повітрі.

У зв'язку з цим сонячне випромінювання не призводить до помітного підвищення радіоактивного випромінювання на поверхні Землі. Вклад Сонця разом із космічними променями у формування загальної річної дози опромінення становить лише 0,3 мЗв/год. Але це усереднене значення, насправді рівень падаючого на випромінювання різний і залежить від географічного положення місцевості.

Де сонячне іонізуюче опромінення сильніше?

Найбільша потужність космічних променів фіксується на полюсах, а найменше – на екваторі. Пов'язано це з тим, що магнітне поле Землі відхиляє до полюсів заряджені частинки, що падають із космосу. Крім цього, випромінювання посилюється з висотою – на висоті 10 кілометрів над рівнем моря його показник зростає у 20-25 разів. Активному впливу більш високих доз сонячної радіації піддаються жителі високогір'їв, оскільки атмосфера в горах тонше і легше прострілюється потоками гамма-квантів, що йдуть від сонця, і елементарних частинок.

Важливо. Серйозного впливу радіаційний рівень до 0,3 мЗв/год не чинить, але при дозі 1,2 мкЗ/год рекомендується залишити район, а в разі крайньої необхідності знаходиться на його території не більше півроку. При перевищенні свідчень удвічі слід обмежити перебування у цій місцевості до трьох місяців.

Якщо над рівнем моря річна доза космічного опромінення становить 0,3 мЗв/рік, то за підвищення висоти через кожні сто метрів цей показник збільшується на 0,03 мЗв/рік. Після проведення невеликих розрахунків можна зробити висновок, що тижнева відпустка в горах на висоті 2000 метрів дасть опромінення 1мЗв/рік та забезпечить майже половину загальної річної норми (2,4 мЗв/рік).

Виходить, що жителі гір отримують річну дозу радіації, яка в рази перевищує норму, і повинні частіше хворіти на лейкоз і рак, ніж люди, що живуть на рівнинах. Насправді це не так. Навпаки, у гірських районах фіксується нижча смертність від цих захворювань, а частина населення – довгожителі. Це підтверджує той факт, що тривале перебування у місцях високої радіаційної активності не має негативного впливу на організм людини.

Сонячні спалахи - висока радіаційна небезпека

Спалахи на Сонці - велика небезпека для людини і всього живого на Землі, оскільки щільність потоку сонячного випромінювання може перевищувати звичайний рівень космічного випромінювання в тисячу разів. Так, видатний радянський вчений А. Л. Чижевський пов'язав періоди утворення сонячних плям з епідеміями тифу (1883-1917 р) та холери (1823-1923 р) у Росії. На підставі зроблених графіків він ще в 1930 передбачив виникнення великої пандемії холери в 1960-1962 роках, яка і почалася в Індонезії в 1961 році, потім швидко поширилася на інші країни Азії, Африки та Європи.

Сьогодні отримано безліч даних, що свідчать про зв'язок одинадцятирічних циклів сонячної активності зі спалахами захворювань, а також з масовими міграціями та сезонами бурхливого розмноження комах, ссавців та вірусів. Гематологи встановили збільшення кількості інфарктів та інсультів у періоди максимальної сонячної активності. Така статистика пов'язана з тим, що в цей час у людей підвищується згортання крові, а так як у хворих із захворюваннями серця компенсаторна діяльність пригнічена, виникають збої в його роботі аж до некрозів серцевої тканини та крововиливів у мозок.

Великі сонячні спалахи відбуваються не так часто – раз на 4 роки. У цей час збільшується кількість і розмір плям, у сонячній короні утворюються потужні коронарні промені, що складаються з протонів та невеликої кількості альфа-часток. Найпотужніший їхній потік астрологи зареєстрували у 1956 році, коли щільність космічного випромінювання на поверхні землі збільшилась у 4 рази. Ще одним наслідком подібної сонячної активності стало полярне сяйво, зафіксоване у Москві та Підмосков'ї у 2000 році.

Як убезпечити себе?

Звичайно, підвищене радіаційне тло в горах - не привід відмовлятися від поїздок у гори. Щоправда, варто подумати про заходи безпеки та вирушити у подорож разом із портативним радіометром, який допоможе контролювати рівень радіації та за необхідності обмежити час перебування у небезпечних районах. У місцевості, де показання лічильника показують величину іонізуючого опромінення в 7 мкЗв/год, не варто перебувати більше одного місяця.

Джерела тепла. У житті атмосфери вирішальне значення має теплова енергія. Найголовнішим джерелом цієї енергії є Сонце. Що ж до теплового випромінювання Місяця, планет і зірок, воно для Землі настільки мізерно, що його не можна брати до уваги. Значно більше теплової енергії дає внутрішнє тепло Землі. За обчисленнями геофізиків, постійний приплив тепла з надр Землі підвищує температуру земної поверхні на 0°,1. Але подібний приплив тепла все ж настільки малий, що приймати його до уваги також немає жодної необхідності. Таким чином, єдиним джерелом теплової енергії на поверхні Землі можна вважати лише Сонце.

Сонячна радіація. Сонце, що має температуру фотосфери (випромінюючої поверхні) близько 6000 °, випромінює енергію в простір у всіх напрямках. Частина цієї енергії як величезного пучка паралельних сонячних променів потрапляє Землю. Сонячна енергія, що дійшла поверхні Землі у вигляді прямих променів Сонця, носить назву прямий сонячної радіації.Не вся сонячна радіація, спрямовану Землю, сягає земної поверхні, оскільки сонячні промені, проходячи через потужний шар атмосфери, частково поглинаються нею, частково розсіюються молекулами і зваженими частинками повітря, деяка частина відбивається хмарами. Та частина сонячної енергії, що розсіюється в атмосфері, називається розсіяною радіацією.Розсіяна сонячна радіація поширюється у атмосфері і потрапляє до Землі. Нами цей вид радіації сприймається як рівномірне денне світло, коли Сонце повністю закрите хмарами або щойно зникло за горизонтом.

Пряма та розсіяна сонячна радіація, досягнувши поверхні Землі, не повністю поглинається нею. Частина сонячної радіації відбивається від земної поверхні у атмосферу і перебуває там як потоку променів, так званої відбитої сонячної радіації.

Склад сонячної радіації дуже складний, що пов'язано з дуже високою температурою випромінюючої поверхні Сонця. Умовно за довжиною хвиль спектр сонячної радіації ділять на три частини: ультрафіолетову (η<0,4<μ видимую глазом (η від 0,4μ до 0,76μ) та інфрачервону частину (η> 0,76μ). Крім температури сонячної фотосфери, на склад сонячної радіації біля земної поверхні впливає поглинання і розсіювання частини сонячних променів при їх проходженні через повітряну оболонку Землі. У зв'язку з цим склад сонячної радіації на верхній межі атмосфери і поверхні Землі буде неоднаковий. З теоретичних розрахунків і спостережень встановлено, що у межі атмосфери частку ультрафіолетової радіації припадає 5%, на видимі промені - 52% і інфрачервоні - 43%. У земної поверхні (при висоті Сонця 40°) ультрафіолетові промені становлять лише 1%, видимі - 40%, а інфрачервоні - 59%.

Інтенсивність сонячної радіації. Під інтенсивністю прямої сонячної радіації розуміють кількість тепла в калоріях, одержуваного за 1 хв. від променистої енергії Сонця поверхнею в 1 см 2 ,розташованої перпендикулярно до сонячних променів.

Для вимірювання інтенсивності прямої сонячної радіації застосовуються спеціальні прилади - актинометри та піргеліометри; величина розсіяної радіації визначається піранометром. Автоматична реєстрація тривалості дії сонячної радіації провадиться актинографами та геліографами. Спектральна інтенсивність сонячної радіації визначається спектроболографом.

На межі атмосфери, де виключено поглинаючу та розсіювальну дію повітряної оболонки Землі, інтенсивність прямої сонячної радіації дорівнює приблизно 2 кална 1 см 2поверхні за 1 хв. Ця величина носить назву сонячної постійної.Інтенсивність сонячної радіації в 2 кална 1 см 2за 1 хв. дає таку велику кількість тепла протягом року, що його вистачило б, щоб розплавити шар льоду в 35 мзавтовшки, якби такий шар покривав всю земну поверхню.

Численні вимірювання інтенсивності сонячної радіації дають підстави вважати, що кількість сонячної енергії, що приходить до верхньої межі атмосфери Землі, зазнає коливань у розмірі кількох відсотків. Коливання бувають періодичні та неперіодичні, пов'язані, мабуть, з процесами, що відбуваються на Сонці.

Крім того, деяка зміна в інтенсивності сонячної радіації відбувається протягом року завдяки тому, що Земля в річному своєму обертанні рухається не по колу, а еліпсом, в одному з фокусів якого знаходиться Сонце. У зв'язку з цим змінюється відстань Землі до Сонця і, отже, відбувається коливання інтенсивності сонячної радіації. Найбільша інтенсивність спостерігається близько 3 січня, коли Земля знаходиться ближче від Сонця, а найменша близько 5 липня, коли Земля віддалена від Сонця на максимальну відстань.

Коливання інтенсивності сонячної радіації з цієї причини дуже невелике і може становити лише теоретичний інтерес. (Кількість енергії при максимальній відстані відноситься до кількості енергії при мінімальній відстані, як 100: 107, тобто різниця зовсім мізерна.)

Умови опромінення поверхні земної кулі. Вже тільки куляста форма Землі призводить до того, що промениста енергія Сонця розподіляється на земної поверхні дуже нерівномірно. Так, у дні весняного та осіннього рівнодення (21 березня та 23 вересня) тільки на екваторі опівдні кут падіння променів буде 90° (рис. 30), а в міру наближення до полюсів він зменшуватиметься від 90 до 0°. Таким чином,

якщо на екваторі кількість отриманої радіації прийняти за 1, то на 60-й паралелі вона виразиться в 0,5, а на полюсі дорівнюватиме 0.

Земна куля, крім того, має добовий та річний рух, причому земна вісь нахилена до площини орбіти на 66°,5. В силу цього нахилу між площиною екватора і площиною орбіти утворюється кут 23°30 г. Ця обставина призводить до того, що кути падіння сонячних променів для тих самих широт будуть змінюватися в межах 47° (23,5+23,5) .

Залежно від пори року змінюється як кут падіння променів, але й тривалість освітлення. Якщо у тропічних країнах у всі пори року тривалість дня й ночі приблизно однакова, то полярних країнах, навпаки, вона дуже різна. Приміром, на 70° з. ш. влітку Сонце не заходить 65 діб, на 80 ° пн. ш.- 134, але в полюсі -186. Внаслідок цього на Північному полюсі радіація в день літнього сонцестояння (22 червня) на 36% більше, ніж на екваторі. Що ж до всього літнього півріччя, то загальна кількість тепла і світла, одержуваного полюсом, лише на 17% менше, ніж на екваторі. Таким чином, у літній час у полярних країнах тривалість освітлення значною мірою компенсує той недолік радіації, який є наслідком малого кута падіння променів. У зимове півріччя картина зовсім інша: кількість радіації на тому ж Північному полюсі буде 0. У результаті за рік середня кількість радіації на полюсі виявляється в 2,4 менше, ніж на екваторі. З усього сказаного випливає, що кількість сонячної енергії, яку отримує Земля шляхом радіації, визначається кутом падіння променів та тривалістю опромінення.

Земна поверхня за відсутності атмосфери на різних широтах за добу отримувала б таку кількість тепла, виражену в калоріях на 1 см 2(Див. таблицю на стор. 92).

Наведений у таблиці розподіл радіації по земній поверхні прийнято називати солярний клімат.Повторюємо, що такий розподіл радіації маємо тільки біля верхньої межі атмосфери.

Ослаблення сонячної радіації у атмосфері. Досі ми говорили про умови розподілу сонячного тепла земною поверхнею, не зважаючи на атмосферу. Тим часом атмосфера у разі має велике значення. Сонячна радіація, проходячи через атмосферу, відчуває розсіювання та, крім того, поглинання. Обидва ці процеси разом послаблюють сонячну радіацію значною мірою.

Сонячні промені, проходячи через атмосферу, передусім відчувають розсіювання (дифузію). Розсіювання створюється тим, що промені світла, заломлюючись і відбиваючись від молекул повітря і частинок твердих і рідких тіл, що знаходяться в повітрі, відхиляються від прямого шляху досправді «розсіюються».

Розсіювання сильно послаблює сонячну радіацію. При збільшенні кількості водяної пари і особливо пилових частинок розсіювання збільшується і радіація послаблюється. У великих містах і пустельних областях, де найбільша запиленість повітря, розсіювання послаблює силу радіації на 30-45%. Завдяки розсіюванню виходить те денне світло, яке освітлює предмети, якщо навіть на них безпосередньо сонячні промені не падають. Розсіювання обумовлює і колір неба.

Зупинимося тепер на здатності атмосфери поглинати променисту енергію Сонця. Основні гази, що входять до складу атмосфери, поглинають променисту енергію порівняно мало. Домішки ж (водяна пара, озон, вуглекислий газ і пил), навпаки, відрізняються великою поглинальною здатністю.

У тропосфері найбільшу домішку становлять водяні пари. Вони особливо сильно поглинають інфрачервоні (довгохвильові), тобто переважно теплові промені. І чим більше водяної пари в атмосфері, тим природніше більше і більше. поглинання. Кількість водяної пари в атмосфері схильна до великих змін. У природних умовах воно змінюється від 0,01 до 4% (за обсягом).

Дуже великою поглинальною здатністю відрізняється озон. Значна домішка озону, як говорилося, перебуває у нижніх шарах стратосфери (над тропопаузою). Озон поглинає ультрафіолетові (короткохвильові) промені майже повністю.

Великою поглинальною здатністю відрізняється також і вуглекислий газ. Він поглинає головним чином довгохвильові, тобто переважно теплові промені.

Пил, що знаходиться у повітрі, також поглинає деяку кількість сонячної радіації. Нагріваючись під впливом сонячних променів, вона може помітно підвищити температуру повітря.

Із загальної кількості сонячної енергії, яка приходить до Землі, атмосфера поглинає лише близько 15%.

Ослаблення сонячної радіації шляхом розсіювання та поглинання атмосферою для різних широт Землі дуже по-різному. Ця відмінність залежить насамперед від кута падіння променів. При зенітному положенні Сонця промені, падаючи вертикально, перетинають атмосферу найкоротшим шляхом. Зі зменшенням кута падіння шлях променів подовжується та ослаблення сонячної радіації стає більш значним. Останнє добре видно за кресленням (рис. 31) та прикладеною таблицею (у таблиці величина шляху сонячного променя при зенітному положенні Сонця прийнята за одиницю).

Залежно від кута падіння променів змінюється як кількість променів, але й їх якість. У період, коли Сонце знаходиться в зеніті (над головою), на ультрафіолетові промені припадає 4%,

видимі – 44% та інфрачервоні – 52%. При становищі Сонця у горизонту ультрафіолетових променів немає, видимих ​​28% і інфрачервоних 72%.

Складність впливу атмосфери на сонячну радіацію посилюється ще тим, що її пропускна здатність дуже сильно змінюється залежно від пори року та стану погоди. Так, якби небо весь час залишалося безхмарним, то річний хід припливу сонячної радіації на різних широтах можна було б графічно висловити так (рис. ,32). З креслення ясно видно, що при безхмарному небі в Москві в травні, червні та липні тепла від сонячної радіації виходило б більше, ніж на екваторі. Так само у другу половину травня, у червні та першій половині липня на Північному полюсі тепла виходило б більше, ніж на екваторі та в Москві. Повторюємо, що так було б за безхмарного неба. Але насправді це не виходить, тому що хмарність значною мірою послаблює сонячну радіацію. Наведемо приклад, зображений на графіку (рис. 33). На графіку видно, як багато сонячної радіації не доходить до Землі: значна частина її затримується атмосферою і хмарами.

Однак слід сказати, що тепло, поглинене хмарами, частиною йде на нагрівання атмосфери, а частиною непрямим чином досягає і земної поверхні.

Добовий та річний хід інтенсивності солнічної радіації. Інтенсивність прямої сонячної радіації біля Землі залежить від висоти Сонця над горизонтом і від стану атмосфери (від її запиленості). Якби. прозорість атмосфери протягом доби була постійна, то максимальна інтенсивність сонячної радіації спостерігалася б опівдні, а мінімальна - при сході та заході Сонця. У цьому випадку графік перебігу добової інтенсивності сонячної радіації був би симетричним щодо півдня.

Вміст пилу, водяної пари та інших домішок в атмосфері постійно змінюється. У зв'язку з цим змінюється прозорість повітря та порушується симетричність графіка ходу інтенсивності сонячної радіації. Нерідко, особливо в літній період, у полуденний час, коли відбувається посилене нагрівання земної поверхні, виникають потужні висхідні струми повітря, збільшується кількість водяної пари та пилу в атмосфері. Це призводить до значного послаблення сонячної радіації опівдні; максимум інтенсивності радіації в цьому випадку спостерігається в дополудні або післяполудні години. Річний хід інтенсивності сонячної радіації також пов'язаний із змінами висоти Сонця над горизонтом протягом року та зі станом прозорості атмосфери у різні сезони. У країнах північної півкулі найбільша висота Сонця над обрієм буває у червні місяці. Але в цей час спостерігається і найбільша запиленість атмосфери. Тому максимальна інтенсивність зазвичай припадає не на середину літа, а на весняні місяці, коли Сонце досить високо піднімається над горизонтом, а атмосфера після зими залишається порівняно чистою. Для ілюстрації річного ходу інтенсивності сонячної радіації у північній півкулі наводимо дані середньомісячних південних величин інтенсивності радіації у Павловську.

Сума тепла сонячної радіації. Поверхня Землі протягом дня безперервно отримує тепло від прямої та розсіяної сонячної радіації або тільки від розсіяної радіації (при похмурій погоді). Визначають добову величину тепла на підставі актинометричних спостережень: з урахуванням кількості прямої та розсіяної радіації, що надійшла на земну поверхню. Визначивши суму тепла кожну добу, обчислюють і кількість тепла, одержуваного земної поверхнею протягом місяця чи протягом року.

Добова кількість тепла, що отримується земною поверхнею від сонячної радіації, залежить від інтенсивності радіації та від тривалості її дії протягом доби. У зв'язку з цим мінімум припливу тепла посідає зиму, а максимум на літо. У географічному розподілі сумарної радіації по земній кулі спостерігається її збільшення із зменшенням широти місцевості. Це положення підтверджується наступною таблицею.

Роль прямої та розсіяної радіації в річній кількості тепла, що отримується земною поверхнею на різних широтах земної кулі, неоднакова. У високих широтах у річній сумі тепла переважає розсіяна радіація. Зі зменшенням широти переважне значення переходить до прямої сонячної радіації. Так, наприклад, у бухті Тихої розсіяна сонячна радіація дає 70% річної суми тепла, а пряма радіація лише 30%. У Ташкенті навпаки пряма сонячна радіація дає 70%, розсіяна тільки 30%.

Відбивна здатність Землі. Альбедо. Як зазначалося, поверхню Землі поглинає лише частина сонячної енергії, що до неї у вигляді прямої і розсіяної радіації. Інша частина відбивається в атмосферу. Відношення величини сонячної радіації, відбитої даною поверхнею, до величини потоку променистої енергії, що падає на цю поверхню, називається альбедо. Альбедо виявляється у відсотках і характеризує відбивну здатність даної ділянки поверхні.

Альбедо залежить від характеру поверхні (властивості ґрунту, наявності снігу, рослинності, води тощо) і від величини кута падіння променів Сонця на поверхню Землі. Так, наприклад, якщо промені падають на земну поверхню під кутом 45°, то:

З наведених прикладів видно, що здатність, що відображає, у різних предметів неоднакова. Вона найбільша біля снігу і найменше біля води. Проте взяті нами приклади стосуються лише тих випадків, коли висота Сонця над горизонтом дорівнює 45°. При зменшенні цього кута відбиває здатність збільшується. Так, наприклад, по висоті Сонця в 90° вода відображає тільки 2%, при 50° - 4%, при 20°-12%, при 5° - 35-70% (залежно від стану водної поверхні).

У середньому при безхмарному небі поверхня земної кулі відбиває 8% сонячної радіації. З іншого боку, 9% відбиває атмосфера. Таким чином, земна куля в цілому при безхмарному небі відбиває 17% падаючої на неї променистої енергії Сонця. Якщо ж небо вкрите хмарами, від них відбивається 78% радіації. Якщо взяти природні умови, виходячи з того співвідношення між безхмарним небом і небом, покритим хмарами, яке спостерігається насправді, відбивна здатність Землі в цілому дорівнює 43%.

Земна та атмосферна радіація. Земля, отримуючи сонячну енергію, нагрівається і стає джерелом випромінювання тепла у світовий простір. Однак промені, що випускаються земною поверхнею, різко відрізняються від сонячних променів. Земля випромінює лише довгохвильові (λ 8-14 μ) невидимі інфрачервоні (теплові) промені. Енергія, що випромінюється земною поверхнею, називається земною радіацією.Випромінювання Землі відбувається в. вдень і вночі. Інтенсивність випромінювання тим більша, чим вища температура випромінюючого тіла. Земне випромінювання визначається тих самих одиницях, як і сонячне, т. е. у калоріях з 1 см 2поверхні за 1 хв. Спостереження показали, що величина земного випромінювання невелика. Зазвичай вона досягає 15-18 сотих калорій. Але, безперервно діючи, вона може дати значний тепловий ефект.

Найбільш сильне земне випромінювання виходить при безхмарному небі та гарній прозорості атмосфери. Хмарність (особливо низькі хмари) значно зменшує земне випромінювання та часто доводить його до нуля. Тут можна сказати, що атмосфера разом із хмарами є гарним «ковдрою», що оберігає Землю від надмірного охолодження. Частини атмосфери подібно до ділянок земної поверхні випромінюють енергію відповідно до їх температури. Ця енергія зветься атмосферної радіаціїІнтенсивність атмосферної радіації залежить від температури випромінюючої ділянки атмосфери, а також кількості водяної пари і вуглекислого газу, що містяться в повітрі. Атмосферна радіація відноситься до трупи довгохвильової. Поширюється вона у атмосфері у всіх напрямах; деяка кількість її досягає земної поверхні та поглинається нею, інша частина йде у міжпланетний простір.

Про приході та витраті енергії Сонця на Землі. Земна поверхня, з одного боку, отримує сонячну енергію у вигляді прямої та розсіяної радіації, а з іншого боку, втрачає частину цієї енергії у вигляді земної радіації. В результаті приходу і витрати сонячної енергії виходить якийсь результат. В одних випадках цей результат може бути позитивним, в інших негативним. Наведемо приклади того і іншого.

8 січня. Безхмарний день. На 1 см 2земної поверхні надійшло за добу 20 калпрямий сонячної радіації та 12 калрозсіяної радіації; всього, таким чином, отримано 32 кал.За цей же час через випромінювання 1 см?земної поверхні втратив 202 кал.В результаті, висловлюючись мовою бухгалтерії, в балансі є втрата 170 кал(від'ємний баланс).

6 липня. Небо майже безхмарно. Від прямої сонячної радіації отримано 630 кал,від розсіяної радіації 46 кал.Усього, отже, земна поверхня отримала на 1 см 2 676 кал.Шляхом земного випромінювання втрачено 173 кал.У балансі прибуток на 503 кал(Баланс позитивний).

З наведених прикладів, окрім усього іншого, цілком зрозуміло, чому в помірних широтах взимку холодно, а влітку тепло.

Використання сонячної радіації для технічних та побутових цілей. Сонячна радіація є невичерпним природним джерелом енергії. Про величину сонячної енергії Землі можна судити з такого прикладу: якщо, наприклад, використовувати тепло сонячної радіації, падаючої лише з 1/10 частина площі СРСР, можна отримати енергію, рівну роботі 30 тис. Дніпрогесів.

Люди здавна прагнули використати дарову енергію сонячної радіації для потреб. До теперішнього часу створено багато різних геліотехнічних установок, що працюють на використанні сонячної радіації та отримали велике застосування у промисловості та для задоволення побутових потреб населення. У південних районах СРСР у промисловості та в комунальному господарстві на основі широкого використання сонячної радіації працюють сонячні водонагрівачі, кип'ятильники, опріснювачі солоної води, геліосушарки (для сушіння фруктів), кухні, лазні, теплиці, апарати для лікувальних цілей. Широко використовується сонячна радіація на курортах для лікування та зміцнення здоров'я людей.

Сонячна радіація-енергія сонячного випромінювання, що надходить на Землю, у вигляді потоку електромагнітних хвиль.

Сонце поширює довкола себе потужне електромагнітне випромінювання. Всього одна двомільярдна частка його потрапляє у верхні шари атмосфери Землі, але вона становить 2500000000 мільярдів калорій за хвилину.

Далеко не весь енергетичний потік досягає поверхні Землі - більша його частина відкидається планетою назад, у світовий простір. Земля відбиває атаку тих променів, які згубні для живої речовини, що заселила планету. Головний "захисник" життя-озон, що утворюється у верхніх шарах атмосфери, на висоті від 10 до 30 км. Озоновий «екран» поглинає значну частину теплового випромінювання земної поверхні, а потім повертає тепло на Землю, створюючи так званий парниковий ефект. Зі збільшенням інтенсивності сонячної радіації зростає і кількість озону в атмосфері, посилюється його дія.

На подальшому шляху до Землі сонячні промені зустрічають перешкоди у вигляді водяної пари, що наповнюють атмосферу, молекул вуглекислого газу і частинок пилу, зваженого в повітрі. Атмосферний "фільтр" поглинає значну частину променів, розсіює їх, відбиває. Особливо велика відбивна здатність хмар. В результаті безпосередньо земна поверхня отримує лише 2/3 тієї радіації, що пропускається озоновим екраном. Але і з цієї частини багато що відображається відповідно до відбивної здатності різних поверхонь (найбільш інтенсивно відбиває сніг).

«Бухгалтерія» сонячної радіації для всієї земної кулі складається в такий спосіб. На верхній межі атмосфери кожен квадратний сантиметр поверхні пластинки, поміщеної перпендикулярно до сонячних променів, отримуватиме за хвилину 2 калорії. Цю величину називають сонячною постійною.

На всю поверхню землі сягає трохи більше 100 000 калорій на 1 см2 за хвилину. Ця радіація поглинається рослинністю, ґрунтом, поверхнею морів та океанів. Вона перетворюється на тепло, яке витрачається на прогрівання шарів атмосфери, рух водних і повітряних мас, створення всього великого розмаїття форм життя нашій величезної планеті.

Сонячна радіація надходить на поверхню Землі різними шляхами: прямо від Сонця, якщо воно не закрите хмарами (пряма радіація); від небесного склепіння та хмар, що розсіюють прямі сонячні промені (розсіяне, або дифузна); від атмосфери, що нагрілася в результаті поглинання радіації (теплова, або довгохвильова). Пряма та розсіяна радіація приходить лише вдень. Разом вони становлять сумарну, чи інтегральну, радіацію. Та сонячна радіація, яка залишається після втрати на відбиття від поверхні, називається поглиненою. Сонячну радіацію вимірюють за допомогою приладів. Вони називаються актинометричними. (Від грецького слова «актинос»-промінь).

В останні роки все більша увага приділяється проблемі використання сонячної енергії у народному господарстві. Насправді Сонце заливає Землю цілим океаном енергії, який практично невичерпний. Людству необхідно навчитися збирати цю енергію та перетворювати на інші форми, зручні для використання. Дослідженням цієї проблеми в нашій країні займається створений в Ашгабаді Інститут сонячної енергії.

Вже розроблено різні види геліоустановок («геліос» - по-грецьки сонце). Завдання їх-підвищити щільність розсіяної навколо сонячної енергії. Підсилити концентрацію сонячної енергії можна лише за допомогою великих дзеркал, що фокусують промені. Параболоїдні дзеркала підвищують у фокусі температуру до 3600°С. За цієї температури плавляться практично всі метали; Сонячна плавка забезпечує виняткову чистоту сплавів, за нею майбутнє.

У різних країнах вже працюють сонячні опріснювачі, водонагрівачі, сушарі. Створено компактні зразки «сонячних кухонь» для тих, хто живе в пустелі, для чабанів, будівельників, геологів. Повністю на енергії сонячної радіації працюють штучні супутники, космічні кораблі та лабораторії, що запускаються з Землі.