Nejaký fyzikálny základ pre efektívne skladovanie solárnej energie v solárnom soľnom jazierku. Radiačná bilancia Zeme a osvetlenie morskej hladiny Vplyv znečistenia atmosféry na slnečnú energiu

PREDNÁŠKA 2.

SLNEČNÉ ŽIARENIE.

Plán:

1. Význam slnečného žiarenia pre život na Zemi.

2. Druhy slnečného žiarenia.

3. Spektrálne zloženie slnečného žiarenia.

4. Absorpcia a rozptyl žiarenia.

5.PAR (fotosynteticky aktívne žiarenie).

6. Radiačná bilancia.

1. Hlavným zdrojom energie na Zemi pre všetko živé (rastliny, zvieratá a ľudí) je energia slnka.

Slnko je plynová guľa s polomerom 695 300 km. Polomer Slnka je 109-krát väčší ako polomer Zeme (rovníkový 6378,2 km, polárny 6356,8 km). Slnko sa skladá predovšetkým z vodíka (64 %) a hélia (32 %). Zvyšok tvorí len 4 % jeho hmotnosti.

Slnečná energia je hlavnou podmienkou existencie biosféry a jedným z hlavných faktorov tvoriacich klímu. Vplyvom energie Slnka sa vzduchové hmoty v atmosfére neustále pohybujú, čo zabezpečuje stálosť plynného zloženia atmosféry. Pod vplyvom slnečného žiarenia sa z povrchu nádrží, pôdy a rastlín vyparuje obrovské množstvo vody. Vodná para prenášaná vetrom z oceánov a morí na kontinenty je hlavným zdrojom zrážok pre pevninu.

Slnečná energia je nevyhnutnou podmienkou existencie zelených rastlín, ktoré procesom fotosyntézy premieňajú slnečnú energiu na vysokoenergetické organické látky.

Rast a vývoj rastlín je proces asimilácie a spracovania slnečnej energie, preto je poľnohospodárska výroba možná len vtedy, ak sa slnečná energia dostane na povrch Zeme. Ruský vedec napísal: „Dajte najlepšiemu kuchárovi toľko čerstvého vzduchu, slnečného svetla, celú rieku čistej vody, koľko chce, požiadajte ho, aby z toho všetkého pripravil cukor, škrob, tuky a obilniny, a rozhodne, že sa smejete. pri ňom. Ale to, čo sa človeku zdá úplne fantastické, sa nerušene odohráva v zelených listoch rastlín pod vplyvom energie Slnka.“ Odhaduje sa, že 1 m2. Meter listov vyprodukuje gram cukru za hodinu. Vzhľadom na to, že Zem je obklopená súvislou vrstvou atmosféry, slnečné lúče pred dopadom na zemský povrch prechádzajú celou hrúbkou atmosféry, ktorá ich čiastočne odráža a čiastočne rozptyľuje, t.j. množstvo a kvalita slnečného žiarenia dopadajúceho na zemský povrch. Živé organizmy citlivo reagujú na zmeny intenzity osvetlenia vytváraného slnečným žiarením. Kvôli rôznym reakciám na intenzitu svetla sa všetky formy vegetácie delia na svetlomilné a tieňovzdorné. Nedostatočné osvetlenie v plodinách spôsobuje napríklad zlú diferenciáciu pletív slamy obilných plodín. V dôsledku toho klesá pevnosť a elasticita tkanív, čo často vedie k poliehaniu plodín. V hustých porastoch kukurice je v dôsledku nízkeho slnečného žiarenia oslabená tvorba klasov na rastlinách.

Slnečné žiarenie ovplyvňuje chemické zloženie poľnohospodárskych produktov. Napríklad obsah cukru v repe a ovocí, obsah bielkovín v pšeničných zrnách priamo závisí od počtu slnečných dní. Množstvo oleja v slnečnicových a ľanových semienkach sa zvyšuje aj so zvyšujúcim sa slnečným žiarením.

Osvetlenie nadzemných častí rastlín výrazne ovplyvňuje vstrebávanie živín koreňmi. V podmienkach slabého osvetlenia sa spomaľuje prenos asimilátov ku koreňom a v dôsledku toho sú inhibované biosyntetické procesy prebiehajúce v rastlinných bunkách.

Osvetlenie ovplyvňuje aj výskyt, šírenie a rozvoj chorôb rastlín. Infekčné obdobie pozostáva z dvoch fáz, ktoré sa líšia svojou reakciou na svetelný faktor. Prvý z nich – samotné klíčenie spór a prienik infekčného princípu do tkanív postihnutej kultúry – vo väčšine prípadov nezávisí od prítomnosti a intenzity svetla. Druhý - po vyklíčení spór - je najaktívnejší pri zvýšenom osvetlení.

Pozitívny vplyv svetla ovplyvňuje aj rýchlosť vývoja patogénu v hostiteľskej rastline. To sa prejavuje najmä pri hrdzavých hubách. Čím viac svetla, tým kratšia je inkubačná doba lineárnej hrdze pšenice, žltej hrdze jačmeňa, hrdze ľanu a fazule atď. A to zvyšuje počet generácií huby a zvyšuje intenzitu poškodenia. V intenzívnych svetelných podmienkach sa u tohto patogénu zvyšuje plodnosť

Niektoré choroby sa najaktívnejšie vyvíjajú pri nedostatočnom osvetlení, čo spôsobuje oslabenie rastlín a zníženie ich odolnosti voči chorobám (patogény rôznych druhov hniloby, najmä zeleninových plodín).

Trvanie svetla a rastliny. Rytmus slnečného žiarenia (striedanie svetlých a tmavých častí dňa) je najstabilnejším environmentálnym faktorom, ktorý sa z roka na rok opakuje. Fyziológovia ako výsledok dlhoročného výskumu stanovili závislosť prechodu rastlín na generatívny vývoj od určitého pomeru dĺžky dňa a noci. V tomto ohľade možno plodiny rozdeliť do skupín podľa ich fotoperiodickej reakcie: krátky deň ktorých vývoj je oneskorený, keď je dĺžka dňa viac ako 10 hodín. Krátky deň podporuje iniciáciu kvetu, zatiaľ čo dlhý deň tomu bráni. Medzi takéto plodiny patrí sója, ryža, proso, cirok, kukurica atď.;

dlhý deň do 12-13 hod., vyžadujúce pre svoj rozvoj dlhodobé osvetlenie. Ich vývoj sa zrýchľuje, keď je dĺžka dňa asi 20 hodín. Medzi tieto plodiny patrí raž, ovos, pšenica, ľan, hrach, špenát, ďatelina atď.;

dĺžka dňa neutrálna, ktorých vývoj nezávisí od dĺžky dňa, napríklad paradajka, pohánka, strukoviny, rebarbora.

Zistilo sa, že na to, aby rastliny začali kvitnúť, je potrebná prevaha určitého spektrálneho zloženia v toku žiarenia. Rastliny krátkeho dňa sa vyvíjajú rýchlejšie, keď maximum žiarenia dopadá na modrofialové lúče, a rastliny dlhého dňa - na červené. Trvanie denného svetla (astronomická dĺžka dňa) závisí od ročného obdobia a zemepisnej šírky. Na rovníku je dĺžka dňa počas celého roka 12 hodín ± 30 minút. Keď sa po jarnej rovnodennosti (21.03.) pohybujete od rovníka k pólom, dĺžka dňa sa zvyšuje na sever a znižuje na juh. Po jesennej rovnodennosti (23. septembra) je distribúcia dĺžky dňa obrátená. Na severnej pologuli je najdlhším dňom 22. jún, ktorého trvanie je 24 hodín severne od polárneho kruhu Najkratším dňom na severnej pologuli je 22. december a za polárnym kruhom v zimných mesiacoch Slnko nevychádza. nad horizontom vôbec. V stredných zemepisných šírkach, napríklad v Moskve, sa dĺžka dňa počas celého roka pohybuje od 7 do 17,5 hodiny.

2. Druhy slnečného žiarenia.

Slnečné žiarenie sa skladá z troch zložiek: priame slnečné žiarenie, difúzne a celkové.

PRIAMY SLNEČNÉ ŽIARENIES –žiarenie prichádzajúce zo Slnka do atmosféry a následne na zemský povrch vo forme zväzku rovnobežných lúčov. Jeho intenzita sa meria v kalóriách na cm2 za minútu. Závisí to od výšky slnka a stavu atmosféry (oblačnosť, prach, vodná para). Ročné množstvo priameho slnečného žiarenia na vodorovnom povrchu územia Stavropol je 65-76 kcal/cm2/min. Na hladine mora, pri vysokej polohe Slnka (leto, poludnie) a dobrej priehľadnosti je priame slnečné žiarenie 1,5 kcal/cm2/min. Toto je časť spektra s krátkou vlnovou dĺžkou. Keď tok priameho slnečného žiarenia prechádza atmosférou, oslabuje sa v dôsledku absorpcie (asi 15%) a rozptylu (asi 25%) energie plynmi, aerosólmi a oblakmi.

Tok priameho slnečného žiarenia dopadajúceho na vodorovný povrch sa nazýva insolácia S= S hriech ho– vertikálna zložka priameho slnečného žiarenia.

S – množstvo tepla prijatého povrchom kolmým na lúč ,

ho – výška Slnka, teda uhol, ktorý zviera slnečný lúč s vodorovným povrchom .

Na hranici atmosféry je intenzita slnečného žiareniaTakže= 1,98 kcal/cm2/min. – podľa medzinárodnej dohody z roku 1958. A nazýva sa to slnečná konštanta. Takto by to vyzeralo na povrchu, keby bola atmosféra absolútne priehľadná.

Ryža. 2.1. Dráha slnečného lúča v atmosfére v rôznych výškach Slnka

ROZPTYLOVÉ ŽIARENIED – V dôsledku rozptylu atmosférou sa časť slnečného žiarenia vracia späť do vesmíru, no značná časť z neho prichádza na Zem vo forme rozptýleného žiarenia. Maximálne rozptýlené žiarenie + 1 kcal/cm2/min. Pozoruje sa, keď je jasná obloha a vysoká oblačnosť. Pri zamračenej oblohe je spektrum rozptýleného žiarenia podobné spektru slnečného žiarenia. Toto je časť spektra s krátkou vlnovou dĺžkou. Vlnová dĺžka 0,17-4 mikrónov.

CELKOVÉ ŽIARENIEQ- pozostáva z difúzneho a priameho žiarenia na vodorovný povrch. Q= S+ D.

Pomer medzi priamym a difúznym žiarením v zložení celkového žiarenia závisí od výšky Slnka, oblačnosti a znečistenia ovzdušia a nadmorskej výšky povrchu. S rastúcou výškou Slnka sa podiel rozptýleného žiarenia na bezoblačnej oblohe znižuje. Čím je atmosféra priehľadnejšia a čím je Slnko vyššie, tým je podiel rozptýleného žiarenia nižší. Pri súvislých hustých oblakoch sa celkové žiarenie skladá výlučne z rozptýleného žiarenia. V zime vplyvom odrazu žiarenia od snehovej pokrývky a jej sekundárneho rozptylu v atmosfére citeľne stúpa podiel rozptýleného žiarenia na celkovom žiarení.

Svetlo a teplo prijímané rastlinami zo Slnka sú výsledkom celkového slnečného žiarenia. Preto majú pre poľnohospodárstvo veľký význam údaje o množstve žiarenia prijatého povrchom za deň, mesiac, vegetačné obdobie, rok.

Odrazené slnečné žiarenie. Albedo. Celkové žiarenie, ktoré dopadá na zemský povrch, čiastočne sa od neho odráža, vytvára odrazené slnečné žiarenie (RK), smerujúce od zemského povrchu do atmosféry. Hodnota odrazeného žiarenia do značnej miery závisí od vlastností a stavu odrazového povrchu: farba, drsnosť, vlhkosť atď. Odrazivosť akéhokoľvek povrchu možno charakterizovať hodnotou jeho albeda (Ak), ktorá sa chápe ako pomer odrazeného slnečného žiarenia na celk. Albedo sa zvyčajne vyjadruje v percentách:

Pozorovania ukazujú, že albedo rôznych povrchov sa pohybuje v relatívne úzkych medziach (10...30%), s výnimkou snehu a vody.

Albedo závisí od pôdnej vlhkosti, s nárastom klesá, čo je dôležité v procese zmeny tepelného režimu zavlažovaných polí. V dôsledku poklesu albeda pri zvlhčení pôdy sa absorbované žiarenie zvyšuje. Albedo rôznych povrchov má dobre definovanú dennú a ročnú variáciu v dôsledku závislosti albeda od výšky Slnka. Najnižšia hodnota albeda sa pozoruje okolo poludňajších hodín a počas celého roka - v lete.

Vlastné žiarenie Zeme a protižiarenie z atmosféry. Efektívne žiarenie. Zemský povrch ako fyzické teleso s teplotou nad absolútnou nulou (-273 °C) je zdrojom žiarenia, ktoré sa nazýva vlastné žiarenie Zeme (E3). Smeruje do atmosféry a je takmer úplne absorbovaný vodnou parou, kvapôčkami vody a oxidom uhličitým obsiahnutým vo vzduchu. Žiarenie Zeme závisí od jej povrchovej teploty.

Atmosféra, pohlcujúca malé množstvo slnečného žiarenia a takmer všetku energiu vyžarovanú zemským povrchom, sa zahrieva a následne aj vyžaruje energiu. Asi 30 % atmosférického žiarenia ide do vesmíru a asi 70 % prichádza na povrch Zeme a nazýva sa protiatmosférické žiarenie (Ea).

Množstvo energie emitovanej atmosférou je priamo úmerné jej teplote, oxidu uhličitého, ozónu a oblačnosti.

Zemský povrch absorbuje toto protižiarenie takmer úplne (90...99%). Je teda dôležitým zdrojom tepla pre zemský povrch okrem absorbovaného slnečného žiarenia. Tento vplyv atmosféry na tepelný režim Zeme sa nazýva skleníkový alebo skleníkový efekt kvôli vonkajšej analógii s účinkom skla v skleníkoch a skleníkoch. Sklo dobre prepúšťa slnečné lúče, ohrieva pôdu a rastliny, ale oneskoruje tepelné žiarenie zohriatej pôdy a rastlín.

Rozdiel medzi vlastným žiarením zemského povrchu a protižiarením atmosféry sa nazýva efektívne žiarenie: Eeff.

Eef= E3-EA

Za jasných a polooblačných nocí je efektívne žiarenie oveľa väčšie ako za zamračených nocí, a preto je nočné ochladzovanie zemského povrchu väčšie. Cez deň ju pokrýva absorbované celkové žiarenie, v dôsledku čoho stúpa povrchová teplota. Zároveň sa zvyšuje aj efektívne žiarenie. Zemský povrch v stredných zemepisných šírkach stráca efektívnym žiarením 70...140 W/m2, čo je približne polovičné množstvo tepla, ktoré prijíma absorpciou slnečného žiarenia.

3. Spektrálne zloženie žiarenia.

Slnko ako zdroj žiarenia má množstvo vyžarovaných vĺn. Toky energie žiarenia podľa vlnovej dĺžky sa konvenčne delia na krátke vlny (X < 4 мкм) и длинноволновую (А. >4 µm) žiarenia. Spektrum slnečného žiarenia na hranici zemskej atmosféry leží prakticky medzi vlnovými dĺžkami 0,17 až 4 mikróny a spektrum pozemského a atmosférického žiarenia - od 4 do 120 mikrónov. V dôsledku toho toky slnečného žiarenia (S, D, RK) patria medzi krátkovlnné žiarenie a žiarenie Zeme (3 £) a atmosféry (Ea) patrí medzi dlhovlnné žiarenie.

Spektrum slnečného žiarenia možno rozdeliť do troch kvalitatívne odlišných častí: ultrafialové (Y< 0,40 мкм), ви­димую (0,40 мкм < Y < 0,75 um) a infračervené (0,76 um < Y < 4 um). Pred ultrafialovou časťou spektra slnečného žiarenia leží röntgenové žiarenie a za infračervenou časťou je rádiové vyžarovanie Slnka. Na hornej hranici atmosféry predstavuje ultrafialová časť spektra asi 7 % energie slnečného žiarenia, 46 % viditeľného a 47 % infračerveného žiarenia.

Žiarenie vyžarované Zemou a atmosférou sa nazýva vzdialené infračervené žiarenie.

Biologický účinok rôznych druhov žiarenia na rastliny je rôzny. Ultrafialové žiarenie spomaľuje rastové procesy, ale urýchľuje prechod štádií tvorby reprodukčných orgánov v rastlinách.

Význam infračerveného žiarenia, ktorý je aktívne absorbovaný vodou z listov a stoniek rastlín, je jeho tepelný účinok, ktorý výrazne ovplyvňuje rast a vývoj rastlín.

Ďaleké infračervené žiarenie má na rastliny iba tepelný účinok. Jeho vplyv na rast a vývoj rastlín je nevýznamný.

Viditeľná časť slnečného spektra po prvé, vytvára osvetlenie. Po druhé, takzvané fyziologické žiarenie (A, = 0,35...0,75 μm), ktoré je absorbované listovými pigmentmi, sa takmer zhoduje s oblasťou viditeľného žiarenia (čiastočne zachytáva oblasť ultrafialového žiarenia). Jeho energia má dôležitý regulačný a energetický význam v živote rastlín. V rámci tejto časti spektra sa rozlišuje oblasť fotosynteticky aktívneho žiarenia.

4. Absorpcia a rozptyl žiarenia v atmosfére.

Keď slnečné žiarenie prechádza zemskou atmosférou, dochádza k jeho zoslabovaniu v dôsledku absorpcie a rozptylu atmosférickými plynmi a aerosólmi. Zároveň sa mení aj jeho spektrálne zloženie. Pri rôznych výškach Slnka a rôznych výškach pozorovacieho bodu nad zemským povrchom nie je dĺžka dráhy, ktorú prejde slnečný lúč v atmosfére, rovnaká. S klesajúcou nadmorskou výškou ultrafialová časť žiarenia klesá obzvlášť výrazne, viditeľná časť klesá o niečo menej a infračervená časť klesá len mierne.

K rozptylu žiarenia v atmosfére dochádza najmä v dôsledku neustálych fluktuácií (kolísaní) hustoty vzduchu v každom bode atmosféry, ktoré sú spôsobené tvorbou a deštrukciou určitých „zhlukov“ (zhlukov) molekúl atmosférického plynu. Slnečné žiarenie rozptyľujú aj aerosólové častice. Intenzitu rozptylu charakterizuje koeficient rozptylu.

K = pridať vzorec.

Intenzita rozptylu závisí od počtu rozptylujúcich častíc na jednotku objemu, od ich veľkosti a charakteru, ako aj od vlnových dĺžok samotného rozptýleného žiarenia.

Čím je vlnová dĺžka kratšia, tým silnejšie sú lúče rozptýlené. Napríklad fialové lúče sú rozptýlené 14-krát silnejšie ako červené, čo vysvetľuje modrú farbu oblohy. Ako je uvedené vyššie (pozri časť 2.2), priame slnečné žiarenie prechádzajúce atmosférou je čiastočne rozptýlené. V čistom a suchom vzduchu sa intenzita koeficientu molekulárneho rozptylu riadi Rayleighov zákon:

k= c/Y4 ,

kde C je koeficient závislý od počtu molekúl plynu na jednotku objemu; X je dĺžka rozptýlenej vlny.

Keďže vzdialené vlnové dĺžky červeného svetla sú takmer dvojnásobkom vlnovej dĺžky fialového svetla, prvé z nich sú rozptýlené molekulami vzduchu 14-krát menej ako to druhé. Keďže počiatočná energia (pred rozptylom) fialových lúčov je menšia ako u modrých a azúrových, maximum energie v rozptýlenom svetle (rozptýlené slnečné žiarenie) sa presúva do modro-modrých lúčov, ktoré určujú modrú farbu oblohy. Rozptýlené žiarenie je teda bohatšie na fotosynteticky aktívne lúče ako priame žiarenie.

Vo vzduchu obsahujúcom nečistoty (malé kvapôčky vody, ľadové kryštály, prachové častice atď.) je rozptyl rovnaký pre všetky oblasti viditeľného žiarenia. Preto obloha získa belavý odtieň (objaví sa opar). Prvky oblakov (veľké kvapky a kryštály) slnečné lúče vôbec nerozptyľujú, ale difúzne odrážajú. Výsledkom je, že oblaky osvetlené Slnkom vyzerajú biele.

5. PAR (fotosynteticky aktívne žiarenie)

Fotosynteticky aktívne žiarenie. V procese fotosyntézy sa nevyužíva celé spektrum slnečného žiarenia, ale iba jeho

časť nachádzajúca sa v rozsahu vlnových dĺžok 0,38...0,71 µm - fotosynteticky aktívneho žiarenia (PAR).

Je známe, že viditeľné žiarenie, vnímané ľudským okom ako biele, pozostáva z farebných lúčov: červenej, oranžovej, žltej, zelenej, modrej, indigovej a fialovej.

Absorpcia energie slnečného žiarenia listami rastlín je selektívna. Listy najintenzívnejšie absorbujú modrofialové (X = 0,48...0,40 µm) a oranžovo-červené (X = 0,68 µm) lúče, menej - žltozelené (A. = 0,58...0,50 µm) a výrazne červené ( A. > 0,69 um) lúčov.

Pri zemskom povrchu maximum energie v spektre priameho slnečného žiarenia, keď je Slnko vysoko, dopadá do oblasti žltozelených lúčov (slnečný kotúč je žltý). Keď sa Slnko nachádza blízko horizontu, ďaleko červené lúče majú maximálnu energiu (slnečný disk je červený). Preto energia priameho slnečného žiarenia len málo prispieva k procesu fotosyntézy.

Keďže PAR je jedným z najdôležitejších faktorov v produktivite poľnohospodárskych rastlín, informácie o množstve prichádzajúcich PAR, berúc do úvahy jej rozloženie na území a v čase, majú veľký praktický význam.

Intenzitu fázovaného poľa možno merať, ale to si vyžaduje špeciálne filtre, ktoré prepúšťajú len vlny v rozsahu 0,38...0,71 mikrónov. Takéto zariadenia existujú, ale v sieti aktinometrických staníc sa nepoužívajú, merajú intenzitu integrálneho spektra slnečného žiarenia. Hodnotu PAR možno vypočítať z údajov o príchode priameho, difúzneho alebo celkového žiarenia pomocou koeficientov navrhnutých X. G. Toomingom a:

Qfar = 0,43 S"+0,57 D);

boli zostavené mapy rozdelenia mesačných a ročných súm Fara na území Ruska.

Na charakterizáciu stupňa využitia PAR plodinami sa používa koeficient využitia PAR:

KPIfar= (sumaQ/ svetlomety/množstvoQ/ svetlomety) 100%,

Kde súčetQ/ svetlomety- množstvo PAR vynaložené na fotosyntézu počas vegetačného obdobia rastlín; súčetQ/ svetlomety- množstvo PAR prijaté za plodiny počas tohto obdobia;

Plodiny podľa ich priemerných hodnôt KPIFAr sú rozdelené do skupín (podľa): zvyčajne pozorovaných - 0,5...1,5%; dobrý - 1,5...3,0; záznam - 3,5...5,0; teoreticky možné - 6,0...8,0%.

6. ROVNOVÁHA ŽIARENIA ZEME

Rozdiel medzi prichádzajúcimi a odchádzajúcimi tokmi žiarivej energie sa nazýva radiačná bilancia zemského povrchu (B).

Vstupnú časť radiačnej bilancie zemského povrchu počas dňa tvorí priame slnečné a rozptýlené žiarenie, ako aj atmosférické žiarenie. Výdajovou časťou bilancie je žiarenie zemského povrchu a odrazené slnečné žiarenie:

B= S / + D+ Ea-E3-Rk

Rovnica môže byť napísaná v inom tvare: B = Q- RK - Eph.

Pre nočný čas má rovnica radiačnej bilancie nasledujúci tvar:

B = Ea - E3 alebo B = -Eeff.

Ak je prítok žiarenia väčší ako odtok, potom je bilancia žiarenia kladná a aktívny povrch* sa zahrieva. Keď je bilancia záporná, ochladzuje sa. V lete je radiačná bilancia cez deň pozitívna a v noci negatívna. Prechod nulou nastáva ráno približne 1 hodinu po východe slnka a večer 1...2 hodiny pred západom slnka.

Ročná radiačná bilancia v oblastiach so stabilnou snehovou pokrývkou má záporné hodnoty v chladnom období a kladné hodnoty v teplom období.

Radiačná bilancia zemského povrchu výrazne ovplyvňuje rozloženie teploty v pôde a povrchovej vrstve atmosféry, ako aj procesy vyparovania a topenia snehu, tvorbu hmiel a mrazov, zmeny vlastností vzdušných hmôt (ich transformácia).

Znalosť radiačného režimu poľnohospodárskej pôdy umožňuje vypočítať množstvo žiarenia absorbovaného plodinami a pôdou v závislosti od výšky Slnka, štruktúry plodiny a fázy vývoja rastlín. Údaje o režime sú potrebné aj na posúdenie rôznych spôsobov regulácie teploty, vlhkosti pôdy, výparu, od ktorých závisí rast a vývoj rastlín, tvorba úrody, jej množstvo a kvalita.

Efektívnymi agrotechnickými technikami na ovplyvnenie žiarenia a následne aj tepelného režimu aktívneho povrchu je mulčovanie (pokrytie pôdy tenkou vrstvou rašelinovej drte, hnilého hnoja, pilín a pod.), zakrytie pôdy plastovou fóliou a závlaha. . To všetko mení odrazivosť a absorpčnú schopnosť aktívneho povrchu.

* Aktívny povrch - povrch pôdy, vody alebo vegetácie, ktorý priamo absorbuje slnečné a atmosférické žiarenie a uvoľňuje žiarenie do atmosféry, čím reguluje tepelný režim priľahlých vrstiev vzduchu a podložných vrstiev pôdy, vody, vegetácie.

), obráťme sa na obrázok 1 - ktorý ukazuje paralelný a postupný pohyb slnečného tepla do horúcu soľanku slnečné soľné jazierko. Rovnako ako prebiehajúce zmeny hodnôt rôznych druhov slnečného žiarenia a ich celková hodnota pozdĺž tejto dráhy.

Obrázok 1 – Histogram zmien intenzity slnečného žiarenia (energie) na ceste k horúcej soľanke solárneho soľného jazierka.

Pre posúdenie efektívnosti aktívneho využívania rôznych druhov slnečného žiarenia určíme, ktoré z prírodných, umelých a prevádzkových faktorov majú pozitívny a ktorý negatívny vplyv na koncentráciu (zvýšenie príkonu) slnečného žiarenia do jazierka. a jeho akumulácia horúcou soľankou.

Zem a atmosféra dostanú 1,3∙10 24 cal tepla zo Slnka za rok. Meria sa intenzitou, t.j. množstvo energie žiarenia (v kalóriách), ktoré pochádza zo Slnka za jednotku času na plochu kolmú na slnečné lúče.

Žiarivá energia Slnka sa na Zem dostáva vo forme priameho a difúzneho žiarenia, t.j. celkom Je absorbovaný zemským povrchom a nie je úplne premenený na teplo, časť sa stráca vo forme odrazeného žiarenia.

Priame a rozptýlené (celkové), odrazené a absorbované žiarenie patrí do krátkovlnnej časti spektra. Spolu s krátkovlnným žiarením sa na zemský povrch dostáva dlhovlnné žiarenie z atmosféry (protivlna), zemský povrch zasa vyžaruje dlhovlnné žiarenie (vnútorné).

Priame slnečné žiarenie označuje hlavný prírodný faktor dodávania energie na vodnú hladinu solárneho soľného jazierka.

Slnečné žiarenie prichádzajúce na aktívny povrch vo forme zväzku rovnobežných lúčov vyžarujúcich priamo zo slnečného disku sa nazýva priame slnečné žiarenie.

Priame slnečné žiarenie patrí do krátkovlnnej časti spektra (s vlnovými dĺžkami od 0,17 do 4 mikrónov; v skutočnosti na zemský povrch dopadajú lúče s vlnovou dĺžkou 0,29 mikrónov)

Slnečné spektrum možno rozdeliť do troch hlavných oblastí:

Ultrafialové žiarenie (λ< 0,4 мкм) - 9 % интенсивности.

Krátkovlnná ultrafialová oblasť (λ< 0,29 мкм) практически полностью отсутствует на уровне моря вследствие поглощения О 2 , О 3 , О, N 2 и их ионами.

V blízkosti ultrafialového rozsahu (0,29 mikrónov<λ < 0,4 мкм) достигает Земли малой долей излучения, но вполне достаточной для загара;

Viditeľné žiarenie (0,4 µm< λ < 0,7 мкм) - 45 % интенсивности.

Čistá atmosféra takmer úplne prepúšťa viditeľné žiarenie a stáva sa „oknom“ otvoreným pre prechod tohto typu slnečnej energie na Zem. Prítomnosť aerosólov a znečistenie ovzdušia môže spôsobiť významnú absorpciu žiarenia v tomto spektre;

Infračervené žiarenie (λ> 0,7 µm) - 46 % intenzita. Blízke infračervené (0,7 µm< < 2,5 мкм). На этот диапазон спектра приходится почти половина интенсивности солнечного излучения. Более 20 % солнечной энергии поглощается в атмосфере, в основном парами воды и СО 2 (диоксидом углерода). Концентрация СО 2 в атмосфере относительно постоянна и составляет 0,03 %, а концентрация паров воды меняется очень сильно - почти до 4 %.

Pri vlnových dĺžkach väčších ako 2,5 mikrónu je slabé mimozemské žiarenie intenzívne absorbované CO 2 a vodou, takže len malá časť z tohto rozsahu slnečnej energie sa dostane na zemský povrch.

Ďaleká infračervená oblasť (λ>12 µm) slnečného žiarenia prakticky nedosahuje Zem.

Z hľadiska využitia slnečnej energie na Zemi treba brať do úvahy len žiarenie v rozsahu vlnových dĺžok 0,29 – 2,5 µm

Väčšina slnečnej energie mimo atmosféry je v rozsahu vlnových dĺžok 0,2–4 µm, zatiaľ čo na povrchu Zeme je to v rozmedzí 0,29–2,5 µm.

Pozrime sa, ako sa prerozdeľujú vo všeobecnosti , toky energie, ktoré Slnko dáva Zemi. Zoberme si 100 konvenčných jednotiek solárnej energie (1,36 kW/m2) dopadajúcich na Zem a sledujme ich dráhy v atmosfére. Jedno percento (13,6 W/m2), krátkeho ultrafialového žiarenia zo slnečného spektra, je absorbované molekulami v exosfére a termosfére a zahrieva ich. Ďalšie tri percentá (40,8 W/m2) blízkeho ultrafialového žiarenia absorbuje stratosférický ozón. Infračervený chvost slnečného spektra (4% alebo 54,4 W/m2) zostáva v horných vrstvách troposféry, obsahujúci vodnú paru (vyše nie je prakticky žiadna vodná para).

Zvyšných 92 podielov slnečnej energie (1,25 kW/m2) spadá do „priehľadného okna“ atmosféry 0,29 mikrónu< < 2,5 мкм. Они проникают в плотные приземные слои воздуха. Значительная часть их (45 единиц или 612 Вт/м 2), преимущественно в синей видимой части спектра, рассеиваются воздухом, придавая голубой цвет небу. Прямые солнечные лучи - оставшиеся 47 процентов (639,2 Вт/м 2) начального светового потока - достигают поверхности. Она отражает примерно 7 процентов (95,2 Вт/м 2) из этих 47 % (639,2 Вт/м 2) и этот свет по пути в космос отдает ещё 3 единицы (40,8 Вт/м 2) диффузному рассеянному свету неба. Štyridsať podielov energie slnečných lúčov a ďalších 8 z atmosféry (spolu 48 alebo 652,8 W/m2) je absorbovaných zemským povrchom, pričom ohrieva pevninu a oceán.

Svetelný výkon rozptýlený v atmosfére (spolu 48 podielov alebo 652,8 W/m2) je ňou čiastočne absorbovaný (10 podielov alebo 136 W/m2) a zvyšok je distribuovaný medzi zemský povrch a vesmír. Do vesmíru ide viac, ako sa dostane na povrch, 30 akcií (408 W/m2) hore, 8 akcií (108,8 W/m2) dole.

Toto bolo opísané ako všeobecné spriemerované, obraz prerozdelenia slnečnej energie v zemskej atmosfére. Nedovoľuje však riešiť konkrétne problémy využívania slnečnej energie na uspokojenie potrieb človeka v konkrétnej oblasti jeho bydliska a práce a tu je dôvod.

Zemská atmosféra lepšie odráža šikmé slnečné lúče, takže hodinové slnečné žiarenie na rovníku a v stredných zemepisných šírkach je oveľa väčšie ako vo vysokých zemepisných šírkach.

Hodnoty slnečnej nadmorskej výšky (nadmorské výšky) 90, 30, 20 a 12 ⁰ (vzdušná (optická) hmotnosť (m) atmosféry zodpovedá 1, 2, 3 a 5) pri bezoblačnej atmosfére zodpovedá na intenzitu približne 900, 750, 600 a 400 W/m2 (pri 42° - m = 1,5 a pri 15° - m = 4). Celková energia dopadajúceho žiarenia v skutočnosti prekračuje uvedené hodnoty, pretože zahŕňa nielen priamu zložku, ale aj rozptýlenú zložku intenzity žiarenia na vodorovnom povrchu za týchto podmienok, rozptýlenú pri vzduchových hmotách 1, 2, 3 a 5, rovnajúce sa 110, 90, 70 a 50 W/m2 (s koeficientom 0,3 – 0,7 pre vertikálnu rovinu, keďže je viditeľná len polovica oblohy). Okrem toho v oblastiach oblohy blízko Slnka existuje „cirkumsolárne halo“ v okruhu ≈ 5⁰.

Tabuľka 1 zobrazuje údaje o slnečnom žiarení pre rôzne oblasti Zeme.

Tabuľka 1 – Insolácia priamej zložky podľa regiónov pre čisté ovzdušie

Z tabuľky 1 je zrejmé, že denné množstvo slnečného žiarenia nie je maximálne na rovníku, ale blízko 40⁰. Táto skutočnosť je aj dôsledkom sklonu zemskej osi k rovine jej obežnej dráhy. Počas letného slnovratu je Slnko v trópoch takmer celý deň nad hlavou a dĺžka denného svetla je 13,5 hodiny, čo je viac ako na rovníku v deň rovnodennosti. S rastúcou zemepisnou šírkou sa dĺžka dňa predlžuje a hoci intenzita slnečného žiarenia klesá, maximálna hodnota denného slnečného žiarenia sa vyskytuje v zemepisnej šírke okolo 40⁰ a zostáva takmer konštantná (pre podmienky bezoblačnej oblohy) až po polárny kruh.

Je potrebné zdôrazniť, že údaje v tabuľke 1 platia len pre čisté ovzdušie. S prihliadnutím na oblačnosť a znečistenie ovzdušia priemyselným odpadom, ktoré je typické pre mnohé krajiny sveta, by sa hodnoty uvedené v tabuľke mali znížiť aspoň o polovicu. Napríklad pre Anglicko v 70. rokoch 20. storočia, pred začiatkom boja o ochranu životného prostredia, bolo ročné množstvo slnečného žiarenia len 900 kWh/m2 namiesto 1700 kWh/m2.

Prvé údaje o priehľadnosti atmosféry na jazere Bajkal získal V.V. Bufal v roku 1964 Ukázalo sa, že hodnoty priameho slnečného žiarenia nad Bajkalom sú v priemere o 13 % vyššie ako v Irkutsku. Priemerný koeficient spektrálnej priehľadnosti atmosféry na severnom Bajkalu v lete je 0,949, 0,906, 0,883 pre červený, zelený a modrý filter. V lete je atmosféra opticky nestabilnejšia ako v zime a táto nestabilita sa od popoludnia do popoludnia výrazne líši. V závislosti od ročného priebehu útlmu vodnou parou a aerosólmi sa mení aj ich podiel na celkovom útlme slnečného žiarenia. V chladnej časti roka hrajú hlavnú úlohu aerosóly, v teplej časti vodné pary. Bajkalská panva a jazero Bajkal sa vyznačujú pomerne vysokou integrálnou transparentnosťou atmosféry. Pri optickej hmotnosti m = 2 sa priemerné hodnoty koeficientu priehľadnosti pohybujú od 0,73 (leto) do 0,83 (zima). Zároveň sú veľké najmä denné zmeny integrálnej priehľadnosti atmosféry na poludnie - od 0,67 do 0,77.

Aerosóly výrazne znižujú tok priameho slnečného žiarenia do vodnej plochy jazierka a pohlcujú hlavne žiarenie z viditeľného spektra s vlnovou dĺžkou, ktorá ľahko prechádza čerstvou vrstvou jazierka, a to pre akumuláciu slnečnej energie pri jazierku má veľký význam.(Vrstva vody s hrúbkou 1 cm je prakticky nepriepustná pre infračervené žiarenie s vlnovou dĺžkou viac ako 1 mikrón). Preto sa ako tepelne ochranný filter používa voda s hrúbkou niekoľkých centimetrov. Pre sklo je hranica dlhovlnného prenosu infračerveného žiarenia 2,7 mikrónu.

Priehľadnosť atmosféry znižuje aj veľké množstvo prachových častíc, voľne transportovaných cez step.

Elektromagnetické žiarenie vyžarujú všetky ohrievané telesá a čím je teleso chladnejšie, tým je intenzita žiarenia nižšia a čím ďalej do dlhovlnnej oblasti sa posúva maximum jeho spektra. Existuje veľmi jednoduchý vzťah λmax×Τ=c¹[ c¹= 0,2898 cm∙deg. (Vina)], pomocou ktorého je ľahké určiť, kde sa nachádza maximálne vyžarovanie telesa s teplotou T (⁰K). Napríklad ľudské telo s teplotou 37 + 273 = 310 ⁰K vyžaruje infračervené lúče s maximom blízkym hodnote λmax = 9,3 μm. A steny napríklad solárnej sušičky s teplotou 90 ⁰C budú vyžarovať infračervené lúče s maximom blízkym hodnote λmax = 8 µm.

Viditeľné slnečné žiarenie (0,4 µm< λ < 0,7 мкм) имеет 45 % интенсивности потому, что температура поверхности Солнца 5780 ⁰К.

Veľkým pokrokom bol prechod od elektrickej žiarovky s uhlíkovým vláknom k ​​modernej žiarovke s volfrámovým vláknom. Ide o to, že uhlíkové vlákno môže byť privedené na teplotu 2100 ⁰K a volfrámové vlákno - až 2500 ⁰K. Prečo je týchto 400 ⁰K tak dôležitých? Ide o to, že účelom žiarovky nie je zohrievať, ale poskytovať svetlo. Následne je potrebné dosiahnuť takú polohu, aby maximum krivky dopadlo na viditeľnú štúdiu. Ideálne by bolo mať vlákno, ktoré by odolalo teplote povrchu Slnka. Ale aj prechod z 2100 na 2500 ⁰K zvyšuje podiel energie pripísateľnej viditeľnému žiareniu z 0,5 na 1,6 %.

Každý môže cítiť infračervené lúče vychádzajúce z tela zahriateho len na 60 - 70 ⁰C umiestnením dlane zospodu (aby sa eliminovala tepelná konvekcia).

Príchod priameho slnečného žiarenia do vodnej plochy jazierka zodpovedá jeho príchodu na horizontálnu ožarovaciu plochu. Vyššie uvedené zároveň ukazuje neistotu kvantitatívnych charakteristík príchodu v konkrétnom časovom bode, sezónne aj denné. Jedinou konštantnou charakteristikou je výška Slnka (optická hmotnosť atmosféry).

Akumulácia slnečného žiarenia zemským povrchom a jazierkom sa výrazne líšia.

Prírodné povrchy Zeme majú rôzne reflexné (absorpčné) schopnosti. Tmavé povrchy (černozem, rašeliniská) teda majú nízku hodnotu albeda okolo 10 %. ( Povrchové albedo- ide o pomer toku žiarenia odrazeného týmto povrchom do okolitého priestoru k toku, ktorý naň dopadá).

Svetlé plochy (biely piesok) majú veľké albedo, 35 – 40 %. Albedo povrchov s trávnatým porastom sa pohybuje od 15 do 25 %. Albedo korún listnatých lesov v lete je 14 – 17 % a ihličnatého lesa 12 – 15 %. Albedo povrchu klesá s rastúcou slnečnou výškou.

Albedo vodných plôch sa pohybuje od 3 do 45 % v závislosti od výšky Slnka a miery vzrušenia.

Keď je vodná hladina pokojná, albedo závisí len od výšky Slnka (obrázok 2).

Obrázok 2 – Závislosť odrazu slnečného žiarenia pre pokojnú vodnú hladinu od výšky Slnka.

Vstup slnečného žiarenia a jeho prechod cez vodnú vrstvu má svoje vlastné charakteristiky.

Vo všeobecnosti sú optické vlastnosti vody (jej roztokov) vo viditeľnej oblasti slnečného žiarenia prezentované na obrázku 3.

F0 - tok (výkon) dopadajúceho žiarenia,

Photr je tok žiarenia odrazený vodnou hladinou,

Fpogl je tok žiarenia absorbovaný vodnou hmotou,

Fpr je tok žiarenia prenášaného cez vodnú hmotu.

Odrazivosť tela Fotr/F0

Absorpčný koeficient Fpogl/F0

Koeficient priepustnosti Fpr/F0.

Obrázok 3 – Optické vlastnosti vody (jej roztokov) vo viditeľnej oblasti slnečného žiarenia

Na plochom rozhraní dvoch médií vzduch - voda sa pozorujú javy odrazu a lomu svetla.

Keď sa svetlo odráža, dopadajúci lúč, odrazený lúč a kolmica na odrazový povrch, obnovené v bode dopadu lúča, ležia v rovnakej rovine a uhol odrazu sa rovná uhlu dopadu. V prípade lomu ležia dopadajúci lúč, kolmica rekonštruovaná v bode dopadu lúča na rozhranie medzi dvoma prostrediami a lomený lúč v rovnakej rovine. Uhol dopadu α ​​a uhol lomu β (obrázok 4) sú vo vzťahu sin α /sin β=n2|n1, kde n2 je absolútny index lomu druhého prostredia, n1 - prvého. Pretože pre vzduch n1≈1 bude mať vzorec tvar sin α /sin β=n2

Obrázok 4 – Lom lúčov pri prechode zo vzduchu do vody

Keď lúče prechádzajú zo vzduchu do vody, blížia sa k „kolmici dopadu“; napríklad lúč dopadajúci na vodu pod uhlom ku kolmici k povrchu vody do nej vstupuje pod uhlom, ktorý je menší ako (obrázok 4, a). Keď však dopadajúci lúč, kĺžuci sa po povrchu vody, dopadá na vodnú hladinu takmer v pravom uhle k kolmici, napríklad pod uhlom 89 ° alebo menej, potom vstupuje do vody pod uhlom menším ako priamku, a to pod uhlom iba 48,5°. Pri väčšom uhle k kolmici ako 48,5 ° lúč nemôže vstúpiť do vody: toto je „limitný“ uhol pre vodu (obrázok 4, b).

V dôsledku toho sú lúče dopadajúce na vodu vo všetkých možných uhloch stlačené pod vodou do pomerne tesného kužeľa s uhlom otvorenia 48,5 ⁰ + 48,5 ⁰ = 97 ⁰ (obrázok 4, c).

Okrem toho lom vody závisí od jej teploty (tabuľka 2), tieto zmeny sú však také nevýznamné, že nemôžu byť zaujímavé pre inžiniersku prax na zvažovanú tému.

Tabuľka 2 - Index lomuvoda pri rôznych teplotách t

	n			n			n

Sledujme teraz cestu lúčov idúcich späť (z bodu P) - z vody do vzduchu (obrázok 5). Podľa zákonov optiky budú dráhy rovnaké a všetky lúče obsiahnuté v spomínanom 97-stupňovom kuželi budú vystupovať do vzduchu pod rôznymi uhlami rozmiestnenými po celom 180-stupňovom priestore nad vodou. Podvodné lúče nachádzajúce sa mimo spomínaného uhla (97 stupňov) nebudú vychádzať spod vody, ale budú sa úplne odrážať od jej povrchu, ako od zrkadla.

Obrázok 5 – Lom lúčov pri prechode z vody do vzduchu

Ak n2< n1(вторая среда оптически менее плотная), то α < β. Наибольшему значению β = 90 ⁰ соответствует угол падения α0 , определяемый равенством sinα0=n2/n1. При угле падения α >α0 je tam len odrazený lúč, nie je tam žiadny lomený lúč ( fenomén totálnej vnútornej reflexie).

Akýkoľvek podvodný lúč, ktorý narazí na hladinu vody pod uhlom väčším ako je „maximum“ (t. j. väčší ako 48,5⁰), sa neláme, ale odráža: podlieha „ totálny vnútorný odraz" Odraz sa v tomto prípade nazýva úplný, pretože sa tu odrážajú všetky dopadajúce lúče, zatiaľ čo aj najlepšie leštené strieborné zrkadlo odráža len časť dopadajúcich lúčov a zvyšok pohltí. Voda za týchto podmienok je ideálnym zrkadlom. V tomto prípade hovoríme o viditeľnom svetle. Všeobecne povedané, index lomu vody, podobne ako iných látok, závisí od vlnovej dĺžky (tento jav sa nazýva disperzia). V dôsledku toho hraničný uhol, pri ktorom dochádza k úplnému vnútornému odrazu, nie je rovnaký pre rôzne vlnové dĺžky, ale pre viditeľné svetlo sa pri odraze na hranici vody a vzduchu tento uhol mení o menej ako 1°.

Vzhľadom na to, že pri väčšom uhle ku kolmici ako 48,5⁰ nemôže slnečný lúč vstúpiť do vody: toto je „obmedzujúci“ uhol pre vodu (obrázok 4, b), potom sa hmotnosť vody príliš nemení. celý rozsah slnečných výšok nevýznamne ako vzduch - je vždy menší .

Keďže je však hustota vody 800-krát väčšia ako hustota vzduchu, absorpcia slnečného žiarenia vodou sa výrazne zmení.

Okrem toho, ak svetelné žiarenie prechádza cez priehľadné médium, potom spektrum takéhoto svetla má určité charakteristiky. Určité línie v ňom sú značne oslabené, t.j. vlny zodpovedajúcej dĺžky sú silne absorbované uvažovaným médiom. Takéto spektrá sa nazývajú absorpčné spektrá. Typ absorpčného spektra závisí od danej látky.

Vzhľadom k tomu, soľný roztok slnečné soľné jazierko môžu obsahovať rôzne koncentrácie chloridu sodného a horečnatého a ich pomery, potom nemá zmysel jednoznačne hovoriť o absorpčných spektrách. Aj keď existuje veľa výskumov a údajov o tejto problematike.

Napríklad štúdie uskutočnené v ZSSR (Ju. Usmanov) na identifikáciu priepustnosti žiarenia rôznych vlnových dĺžok pre vodu a roztoky chloridu horečnatého rôznych koncentrácií priniesli nasledujúce výsledky (obrázok 6). A B.J.Brinkworth ukazuje grafickú závislosť absorpcie slnečného žiarenia a monochromatickej hustoty toku slnečného žiarenia (žiarenia) v závislosti od vlnových dĺžok (obrázok 7).

Obrázok 7 – Absorpcia slnečného žiarenia vo vode

Obrázok 6 – Závislosť prietoku roztoku chloridu horečnatého od koncentrácie

V dôsledku toho bude kvantitatívny prísun priameho slnečného žiarenia do horúcej soľanky z jazierka po vstupe do vody závisieť od: monochromatickej hustoty toku slnečného žiarenia (žiarenia); z výšky Slnka. A tiež od albeda hladiny jazierka, od čistoty vrchnej vrstvy solárneho soľného jazierka, pozostávajúceho zo sladkej vody, s hrúbkou zvyčajne 0,1 - 0,3 m, kde sa miešanie nedá potlačiť, zloženie, koncentrácia a hrúbka roztoku v gradientovej vrstve (izolačná vrstva s rastúcou koncentráciou soľanky smerom nadol), na čistote vody a soľanky.

Z obrázkov 6 a 7 vyplýva, že voda má najväčšiu priepustnosť vo viditeľnej oblasti slnečného spektra. To je veľmi priaznivý faktor pre prechod slnečného žiarenia cez hornú čerstvú vrstvu solárneho soľného jazierka.

Zoznam referencií

1 Osadchiy G.B. Solárna energia, jej deriváty a technológie na ich využitie (Úvod do obnoviteľnej energie) / G.B. Osadchy. Omsk: IPK Maksheeva E.A., 2010. 572 s.

2 Twidell J. Obnoviteľné zdroje energie / J. Twydell, A . Ware. M.: Energoatomizdat, 1990. 392 s.

3 Duffy J. A. Tepelné procesy využívajúce slnečnú energiu / J. A. Duffy, W. A. ​​​​Beckman. M.: Mir, 1977. 420 s.

4 Klimatické zdroje Bajkalu a jeho povodia /N. P. Ladeyshchikov, Novosibirsk, Nauka, 1976, 318 s.

5 Pikin S. A. Tekuté kryštály / S. A. Pikin, L. M. Blinov. M.: Nauka, 1982. 208 s.

6 Kitaygorodsky A.I. Fyzika pre každého: Fotóny a jadrá / A.I. M.: Nauka, 1984. 208 s.

Slnečná energia dosahuje hornú hranicu atmosféry rovnajúcu sa 100 %.

Ultrafialové žiarenie, ktoré tvorí 3 % zo 100 % prichádzajúceho slnečného žiarenia, je väčšinou absorbované ozónovou vrstvou v hornej časti atmosféry.

Asi 40 % zo zostávajúcich 97 % interaguje s oblakmi – z toho 24 % sa odráža späť do vesmíru, 2 % sú pohltené oblakmi a 14 % je rozptýlených, pričom sa na zemský povrch dostáva ako difúzne žiarenie.

32 % prichádzajúceho žiarenia interaguje s vodnou parou, prachom a oparom v atmosfére – 13 % sa absorbuje, 7 % sa odrazí späť do vesmíru a 12 % sa dostane na zemský povrch ako rozptýlené slnečné svetlo (obr. 6).

Ryža. 6. Radiačná bilancia Zeme

Následne z pôvodných 100 % slnečného žiarenia zemského povrchu dopadajú 2 % priameho slnečného žiarenia a 26 % difúzneho svetla.

Z tohto celkového počtu sa 4 % odrazia od zemského povrchu späť do vesmíru a celkový odraz do vesmíru predstavuje 35 % dopadajúceho slnečného žiarenia.

Zo 65 % svetla absorbovaného Zemou 3 % pochádzajú z hornej atmosféry, 15 % zo spodnej atmosféry a 47 % z povrchu Zeme – oceánu a pevniny.

Aby si Zem udržala tepelnú rovnováhu, 47 % všetkej slnečnej energie, ktorá prechádza atmosférou a je absorbovaná pevninou a morom, musí byť pevninou a morom uvoľnená späť do atmosféry.

Viditeľná časť spektra žiarenia, ktoré prichádza na povrch oceánu a vytvára osvetlenie, pozostáva zo slnečných lúčov prechádzajúcich atmosférou (priame žiarenie) a niektorých lúčov rozptýlených atmosférou vo všetkých smeroch, vrátane smerom k povrchu oceánu (rozptýlené žiarenie).

Pomer energie týchto dvoch svetelných tokov dopadajúcich na vodorovnú plochu závisí od výšky Slnka – čím vyššie je nad horizontom, tým väčší je podiel priameho žiarenia.

Osvetlenie morskej hladiny v prírodných podmienkach závisí aj od oblačnosti. Vysoké a tenké oblaky vrhajú veľa rozptýleného svetla, vďaka čomu môže byť osvetlenie morskej hladiny v priemerných slnečných výškach ešte väčšie ako na bezoblačnej oblohe. Husté, daždivé mraky prudko znižujú osvetlenie.

Svetelné lúče, ktoré vytvárajú osvetlenie na morskej hladine, podliehajú odrazu a lomu na hranici voda-vzduch (obr. 7) podľa známeho Snellovho fyzikálneho zákona.

Ryža. 7. Odraz a lom lúča svetla na hladine oceánu

Všetky svetelné lúče dopadajúce na hladinu mora, čiastočne odrazené, sa teda lámu a vstupujú do mora.

Pomer medzi lomeným a odrazeným svetelným tokom závisí od výšky Slnka. V slnečnej výške 0 0 sa celý svetelný tok odráža od hladiny mora. S rastúcou výškou Slnka sa zvyšuje podiel svetelného toku prenikajúceho do vody a pri slnečnej výške 90 0 preniká do vody 98 % celkového toku dopadajúceho na povrch.

Pomer svetelného toku odrazeného od hladiny mora k dopadajúcemu svetlu sa nazýva tzv albedo morskej hladiny . Potom albedo morského povrchu v slnečnej nadmorskej výške 90 0 bude 2% a pre 0 0 - 100%. Albedo morskej hladiny je rozdielne pre priame a difúzne svetelné toky. Albedo priameho žiarenia výrazne závisí od výšky Slnka, zatiaľ čo albedo rozptýleného žiarenia prakticky nezávisí od výšky Slnka.

Žiarivá energia zo Slnka je prakticky jediným zdrojom tepla pre povrch Zeme a jej atmosféru. Žiarenie prichádzajúce z hviezd a Mesiaca je 30?10 6-krát menšie ako slnečné žiarenie. Tepelný tok z hlbín Zeme na povrch je 5000-krát menší ako teplo prijaté zo Slnka.

Časť slnečného žiarenia je viditeľné svetlo. Slnko je teda pre Zem zdrojom nielen tepla, ale aj svetla, ktoré je dôležité pre život na našej planéte.

Žiarivá energia Slnka sa premieňa na teplo čiastočne v samotnej atmosfére, ale hlavne na zemskom povrchu, kde ide ohrievať vrchné vrstvy pôdy a vody a z nich vzduch. Rozohriaty zemský povrch a zohriata atmosféra zase vyžarujú neviditeľné infračervené žiarenie. Uvoľnením žiarenia do vesmíru sa zemský povrch a atmosféra ochladzujú.

Skúsenosti ukazujú, že priemerné ročné teploty zemského povrchu a atmosféry kdekoľvek na Zemi sa z roka na rok menia len málo. Ak vezmeme do úvahy teplotné podmienky na Zemi počas dlhých časových období, môžeme prijať hypotézu, že Zem je v tepelnej rovnováhe: príchod tepla zo Slnka je vyvážený jeho stratou do vesmíru. Ale keďže Zem (s atmosférou) prijíma teplo absorbovaním slnečného žiarenia a teplo stráca vlastným žiarením, hypotéza o tepelnej rovnováhe súčasne znamená, že aj Zem je v radiačnej rovnováhe: prílev krátkovlnného žiarenia na ňu je vyrovnaný. uvoľnením dlhovlnného žiarenia do vesmíru .

Priame slnečné žiarenie

Žiarenie prichádzajúce na zemský povrch priamo z disku Slnka sa nazýva priame slnečné žiarenie. Slnečné žiarenie sa šíri zo Slnka všetkými smermi. Ale vzdialenosť od Zeme k Slnku je taká veľká, že priame žiarenie dopadá na akýkoľvek povrch na Zemi v podobe zväzku rovnobežných lúčov, vyžarujúcich akoby z nekonečna. Dokonca aj celá zemeguľa ako celok je v porovnaní so vzdialenosťou od Slnka taká malá, že všetko slnečné žiarenie na ňu dopadajúce možno považovať za zväzok rovnobežných lúčov bez výraznej chyby.

Je ľahké pochopiť, že maximálne možné množstvo žiarenia za daných podmienok prijíma jednotka plochy umiestnená kolmo na slnečné lúče. Na jednotku horizontálnej plochy bude menej žiarivej energie. Základná rovnica pre výpočet priameho slnečného žiarenia je založená na uhle dopadu slnečných lúčov, presnejšie na výške Slnka ( h): S" = S hriech h; Kde S"- slnečné žiarenie dopadajúce na vodorovný povrch, S– priame slnečné žiarenie s paralelnými lúčmi.

Tok priameho slnečného žiarenia na vodorovný povrch sa nazýva insolácia.

Zmeny slnečného žiarenia v atmosfére a na zemskom povrchu

Asi 30 % priameho slnečného žiarenia dopadajúceho na Zem sa odráža späť do vesmíru. Zvyšných 70% ide do atmosféry. Pri prechode atmosférou je slnečné žiarenie čiastočne rozptýlené atmosférickými plynmi a aerosólmi a mení sa na špeciálnu formu rozptýleného žiarenia. Čiastočne priame slnečné žiarenie je pohlcované atmosférickými plynmi a nečistotami a mení sa na teplo, t.j. ide zohriať atmosféru.

Nerozptýlené a neabsorbované v atmosfére priame slnečné žiarenie dopadá na zemský povrch. Jeho malá časť sa od nej odráža a väčšinu žiarenia pohltí zemský povrch, v dôsledku čoho sa zemský povrch ohrieva. Časť rozptýleného žiarenia sa dostáva aj na zemský povrch, čiastočne sa od neho odráža a čiastočne ho pohlcuje. Druhá časť rozptýleného žiarenia smeruje hore do medziplanetárneho priestoru.

V dôsledku absorpcie a rozptylu žiarenia v atmosfére sa priame žiarenie, ktoré dopadá na zemský povrch, líši od toho, ktoré dorazilo na hranicu atmosféry. Tok slnečného žiarenia klesá a mení sa jeho spektrálne zloženie, pretože lúče rôznych vlnových dĺžok sú absorbované a rozptýlené v atmosfére rôznymi spôsobmi.

V najlepšom prípade, t.j. v najvyššej polohe Slnka a pri dostatočnej čistote vzduchu možno na zemský povrch pozorovať priamy tok žiarenia okolo 1,05 kW/m 2 . V horách vo výškach 4–5 km boli pozorované toky žiarenia až 1,2 kW/m2 a viac. Keď sa Slnko približuje k horizontu a zväčšuje sa hrúbka vzduchu, ktorým slnečné lúče prechádzajú, prúd priameho žiarenia sa čoraz viac zmenšuje.

Asi 23 % priameho slnečného žiarenia je absorbovaných v atmosfére. Okrem toho je táto absorpcia selektívna: rôzne plyny absorbujú žiarenie v rôznych častiach spektra a v rôznej miere.

Dusík absorbuje žiarenie len pri veľmi krátkych vlnových dĺžkach v ultrafialovej časti spektra. Energia slnečného žiarenia v tejto časti spektra je úplne zanedbateľná, takže absorpcia dusíkom nemá prakticky žiadny vplyv na tok slnečného žiarenia. V trochu väčšej miere, ale stále veľmi málo, pohlcuje kyslík slnečné žiarenie – v dvoch úzkych oblastiach viditeľnej časti spektra a v jeho ultrafialovej časti.

Ozón je silnejší absorbér slnečného žiarenia. Pohlcuje ultrafialové a viditeľné slnečné žiarenie. Napriek tomu, že jeho obsah vo vzduchu je veľmi malý, vo vyšších vrstvách atmosféry pohlcuje ultrafialové žiarenie tak silno, že vlny kratšie ako 0,29 mikrónu v slnečnom spektre pri zemskom povrchu vôbec nepozorujeme. Celková absorpcia slnečného žiarenia ozónom dosahuje 3 % priameho slnečného žiarenia.

Oxid uhličitý (oxid uhličitý) silne pohlcuje žiarenie v infračervenej oblasti spektra, ale jeho obsah v atmosfére je stále malý, takže jeho pohlcovanie priameho slnečného žiarenia je vo všeobecnosti nízke. Z plynov je hlavným absorbérom žiarenia v atmosfére vodná para, sústredená v troposfére a najmä v jej spodnej časti. Z celkového toku slnečného žiarenia vodná para absorbuje žiarenie v rozsahu vlnových dĺžok nachádzajúcich sa vo viditeľnej a blízkej infračervenej oblasti spektra. Slnečné žiarenie pohlcujú aj mraky a atmosférické nečistoty, t.j. aerosólové častice suspendované v atmosfére. Celkovo predstavuje absorpcia vodnej pary a aerosólu asi 15 % a 5 % absorbujú mraky.

Na každom jednotlivom mieste sa absorpcia v čase mení v závislosti jednak od premenlivého obsahu absorbujúcich látok vo vzduchu, hlavne vodnej pary, oblakov a prachu, jednak od výšky Slnka nad horizontom, t.j. na hrúbke vzduchovej vrstvy, ktorou prechádzajú lúče na ceste k Zemi.

Priame slnečné žiarenie na ceste atmosférou je tlmené nielen absorpciou, ale aj rozptylom a je tlmené výraznejšie. Rozptyl je základným fyzikálnym javom pri interakcii svetla s hmotou. Môže sa vyskytovať na všetkých vlnových dĺžkach elektromagnetického spektra v závislosti od pomeru veľkosti rozptylujúcich častíc k vlnovej dĺžke dopadajúceho žiarenia Pri rozptyle častica nachádzajúca sa v dráhe šírenia elektromagnetickej vlny nepretržite „vyťahuje“ energiu z dopadajúcej vlny a opätovne ju vyžaruje do všetkých smerov. Časticu teda možno považovať za bodový zdroj rozptýlenej energie. Rozptyľovanie nazývaná premena časti priameho slnečného žiarenia, ktoré sa pred rozptylom šíri vo forme rovnobežných lúčov v určitom smere na žiarenie idúce všetkými smermi. K rozptylu dochádza v opticky nehomogénnom atmosférickom vzduchu obsahujúcom najmenšie čiastočky kvapalných a pevných nečistôt – kvapky, kryštály, drobné aerosóly, t.j. v prostredí, kde sa index lomu mení bod od bodu. Čistý vzduch bez nečistôt je však aj opticky nehomogénne médium, pretože v ňom v dôsledku tepelného pohybu molekúl neustále dochádza ku kondenzácii a zriedeniu a kolísaniu hustoty. Pri stretnutí s molekulami a nečistotami v atmosfére slnečné lúče strácajú lineárny smer šírenia a sú rozptýlené. Žiarenie sa šíri z rozptýlených častíc takým spôsobom, ako keby boli sami žiaričmi.

Podľa zákonov rozptylu, najmä podľa Rayleighovho zákona, sa spektrálne zloženie rozptýleného žiarenia líši od spektrálneho zloženia priameho žiarenia. Rayleighov zákon hovorí, že rozptyl lúčov je nepriamo úmerný štvrtej mocnine vlnovej dĺžky:

S ? = 32? 3 (m-1) / 3n? 4

Kde S? – koeficient disperzia; m– index lomu plynu; n– počet molekúl na jednotku objemu; ? – vlnová dĺžka.

Asi 26 % energie z celkového toku slnečného žiarenia sa premení na rozptýlené žiarenie v atmosfére. Asi 2/3 rozptýleného žiarenia sa potom dostanú na zemský povrch. Ale to bude špeciálny typ žiarenia, výrazne odlišný od priameho žiarenia. Po prvé, rozptýlené žiarenie neprichádza na zemský povrch zo slnečného disku, ale z celej nebeskej klenby. Preto je potrebné merať jeho prietok na vodorovnú plochu. Tiež sa meria vo W/m2 (alebo kW/m2).

Po druhé, rozptýlené žiarenie sa líši od priameho žiarenia v spektrálnom zložení, pretože lúče rôznych vlnových dĺžok sú rozptýlené v rôznych stupňoch. V spektre rozptýleného žiarenia sa mení pomer energie rôznych vlnových dĺžok v porovnaní so spektrom priameho žiarenia v prospech lúčov s kratšími vlnovými dĺžkami. Čím menšia je veľkosť rozptylových častíc, tým silnejšie sú krátkovlnné lúče rozptýlené v porovnaní s dlhovlnnými lúčmi.

Javy spojené s rozptylom žiarenia

Rozptyl žiarenia je spojený s takými javmi, ako je modrá farba oblohy, súmrak a úsvit, ako aj viditeľnosť. Modrá farba oblohy je farbou vzduchu samotného, ​​v dôsledku rozptylu slnečných lúčov v ňom. Vzduch je priehľadný v tenkej vrstve, rovnako ako voda je priehľadná v tenkej vrstve. Ale v hrubej hrúbke atmosféry má vzduch modrú farbu, rovnako ako voda už v relatívne malej hrúbke (niekoľko metrov) má zelenkastú farbu. Ako teda dochádza k inverznému rozptylu molekulárneho svetla? 4, potom v spektre rozptýleného svetla vyslaného nebeskou klenbou je maximálna energia posunutá do modrej. S výškou, keď hustota vzduchu klesá, t.j. počet rozptýlených častíc, farba oblohy stmavne a zmení sa na tmavo modrú a v stratosfére na čiernofialovú. Čím viac nečistôt je vo vzduchu väčších ako molekuly vzduchu, tým väčší je podiel dlhovlnných lúčov v spektre slnečného žiarenia a tým belasejšia je farba oblohy. Keď je priemer častíc hmly, oblakov a aerosólov väčší ako 1–2 mikróny, lúče všetkých vlnových dĺžok sa už nerozptyľujú, ale odrážajú sa rovnako difúzne; preto vzdialené predmety v hmle a prašnej tme už nezakrýva modrá, ale biela alebo sivá záclona. Preto sa oblaky, na ktoré dopadá slnečné (t. j. biele) svetlo, javia ako biele.

Rozptyl slnečného žiarenia v atmosfére má veľký praktický význam, pretože počas dňa vytvára rozptýlené svetlo. Pri absencii atmosféry na Zemi by bolo svetlo len tam, kde by dopadalo priame slnečné svetlo alebo slnečné lúče odrazené od zemského povrchu a predmetov na ňom. Vďaka rozptýlenému svetlu slúži ako zdroj osvetlenia celá atmosféra počas dňa: cez deň je svetlo aj tam, kde slnečné lúče priamo nedopadajú, a to aj vtedy, keď je slnko zakryté mrakmi.

Po večernom západe slnka tma nepríde hneď. Obloha, najmä v tej časti horizontu, kde zapadlo Slnko, zostáva svetlá a na zemský povrch vysiela postupne klesajúce rozptýlené žiarenie. Podobne aj ráno, ešte pred východom Slnka, sa obloha najviac rozjasní v smere východu Slnka a na zem vysiela rozptýlené svetlo. Tento jav neúplnej tmy sa nazýva súmrak – večer a ráno. Dôvodom je osvetlenie vysokých vrstiev atmosféry Slnkom pod horizontom a rozptyl slnečného svetla nimi.

Takzvaný astronomický súmrak pokračuje večer, kým Slnko nezapadne pod obzor na 18 o; v tomto bode je taká tma, že sú viditeľné aj tie najslabšie hviezdy. Astronomický ranný súmrak začína, keď má slnko rovnakú polohu pod obzorom. Prvá časť večerného astronomického súmraku alebo posledná časť ranného súmraku, keď je slnko pod obzorom aspoň 8°, sa nazýva občiansky súmrak. Trvanie astronomického súmraku sa líši v závislosti od zemepisnej šírky a ročného obdobia. V stredných zemepisných šírkach je to od 1,5 do 2 hodín, v trópoch menej, pri rovníku o niečo dlhšie ako jedna hodina.

Vo vysokých zemepisných šírkach v lete nemusí slnko vôbec klesnúť pod horizont alebo môže klesať veľmi plytko. Ak slnko klesne pod obzor o menej ako 18 stupňov, úplná tma vôbec nenastane a večerné šero sa spája s ranným. Tento jav sa nazýva biele noci.

Súmrak je sprevádzaný krásnymi, niekedy až veľmi efektnými zmenami farby oblohy smerom k Slnku. Tieto zmeny začínajú pred západom slnka a pokračujú po východe slnka. Majú celkom prirodzený charakter a nazývajú sa úsvitom. Charakteristické farby úsvitu sú fialová a žltá. Ale intenzita a rozmanitosť farebných odtieňov úsvitu sa značne líši v závislosti od obsahu aerosólových nečistôt vo vzduchu. Rôznorodé sú aj tóny nasvietenia oblakov za súmraku.

V časti oblohy oproti slnku sa pozoruje protiúsvit aj so zmenou farebných tónov s prevahou fialovej a purpurovofialovej. Po západe slnka sa v tejto časti oblohy objaví tieň Zeme: šedomodrý segment rastúci do výšky a do strán. Javy úsvitu sa vysvetľujú rozptylom svetla najmenšími časticami atmosférických aerosólov a difrakciou svetla väčšími časticami.

Vzdialené objekty sú menej viditeľné ako blízke, a to nielen preto, že sa ich zdanlivá veľkosť zmenšuje. Dokonca aj veľmi veľké objekty v určitej vzdialenosti od pozorovateľa sa stávajú ťažko rozpoznateľnými v dôsledku zákalu atmosféry, cez ktorú sú viditeľné. Tento zákal je spôsobený rozptylom svetla v atmosfére. Je zrejmé, že sa zvyšuje s pribúdajúcimi aerosólovými nečistotami vo vzduchu.

Pre mnohé praktické účely je veľmi dôležité vedieť, v akej vzdialenosti prestávajú byť rozoznateľné obrysy predmetov za vzduchovou clonou. Vzdialenosť, pri ktorej prestávajú byť obrysy objektov v atmosfére rozlíšiteľné, sa nazýva rozsah viditeľnosti alebo jednoducho viditeľnosť. Rozsah viditeľnosti sa najčastejšie určuje okom pomocou určitých, vopred zvolených objektov (tmavých proti oblohe), ktorých vzdialenosť je známa. Existuje aj množstvo fotometrických prístrojov na určenie viditeľnosti.

Vo veľmi čistom vzduchu, napríklad arktického pôvodu, môže dosah viditeľnosti dosahovať stovky kilometrov, pretože k zoslabovaniu svetla z predmetov v takomto vzduchu dochádza v dôsledku rozptylu hlavne molekulami vzduchu. Vo vzduchu, ktorý obsahuje veľa prachu alebo kondenzačných produktov, môže byť dosah viditeľnosti znížený na niekoľko kilometrov alebo dokonca metrov. V slabej hmle je teda dosah viditeľnosti 500 – 1000 m a pri hustej hmle alebo silných pieskových otrasoch sa môže znížiť na desiatky alebo dokonca niekoľko metrov.

Celkové žiarenie, odraz slnečného žiarenia, absorbované žiarenie, PAR, albedo Zeme

Všetko slnečné žiarenie prichádzajúce na zemský povrch – priame aj difúzne – sa nazýva celkové žiarenie. Teda celková radiácia

Q = S* hriech h + D,

Kde S- energetické osvetlenie priamym žiarením,

D- energetické osvetlenie rozptýleným žiarením,

h- výška Slnka.

Pod bezoblačnou oblohou má celkové žiarenie denné kolísanie s maximom okolo poludnia a ročné kolísanie s maximom v lete. Čiastočná oblačnosť, ktorá nepokrýva slnečný disk, zvyšuje celkové žiarenie v porovnaní s bezoblačnou oblohou; úplná oblačnosť ju naopak znižuje. V priemere oblačnosť znižuje celkovú radiáciu. Preto je v lete príchod celkovej radiácie popoludní v priemere väčší ako popoludní. Z rovnakého dôvodu je v prvom polroku vyššia ako v druhom.

S.P. Khromov a A.M. Petrosyants udáva poludňajšie hodnoty celkovej radiácie v letných mesiacoch pri Moskve pri bezoblačnej oblohe: v priemere 0,78 kW/m2, so Slnkom a oblačnosťou - 0,80, so súvislou oblačnosťou - 0,26 kW/m2.

Celkové žiarenie dopadajúce na zemský povrch sa väčšinou absorbuje v hornej tenkej vrstve pôdy alebo v hrubšej vrstve vody a mení sa na teplo a čiastočne sa odráža. Veľkosť odrazu slnečného žiarenia od zemského povrchu závisí od charakteru tohto povrchu. Pomer množstva odrazeného žiarenia k celkovému množstvu žiarenia dopadajúceho na daný povrch sa nazýva povrchové albedo. Tento pomer je vyjadrený v percentách.

Takže z celkového toku celkového žiarenia ( S hriech h + D) jeho časť sa odráža od zemského povrchu ( S hriech h + D) Aha, kde A– povrchové albedo. Zvyšok celkového žiarenia ( S hriech h + D) (1 – A) je absorbovaný zemským povrchom a ide ohrievať vrchné vrstvy pôdy a vody. Táto časť sa nazýva absorbované žiarenie.

Albedo povrchu pôdy sa pohybuje v rozmedzí 10–30 %; vo vlhkej černozeme klesá na 5% a v suchom svetlom piesku sa môže zvýšiť až o 40%. So zvyšujúcou sa vlhkosťou pôdy sa albedo znižuje. Albedo vegetačného krytu - lesy, lúky, polia - je 10–25%. Albedo povrchu čerstvo napadnutého snehu je 80 – 90 %, dlho stojaceho snehu je asi 50 % a nižšie. Albedo hladkej vodnej hladiny pre priame žiarenie sa pohybuje od niekoľkých percent (ak je Slnko vysoko) do 70 % (ak je nízke); záleží aj od vzrušenia. Pre rozptýlené žiarenie je albedo vodných plôch 5–10 %. V priemere je albedo povrchu svetového oceánu 5–20 %. Albedo horného povrchu oblakov sa pohybuje od niekoľkých percent do 70–80 % v závislosti od typu a hrúbky oblačnosti – v priemere 50–60 % (S.P. Khromov, M.A. Petrosyants, 2004).

Uvedené čísla sa týkajú odrazu slnečného žiarenia nielen viditeľného, ​​ale v celom jeho spektre. Fotometrické prostriedky merajú albedo len pre viditeľné žiarenie, ktoré sa, samozrejme, môže mierne líšiť od albeda pre celý tok žiarenia.

Prevažná časť žiarenia odrazeného zemským povrchom a horným povrchom oblakov ide mimo atmosféry do kozmického priestoru. Časť (asi jedna tretina) rozptýleného žiarenia tiež uniká do vesmíru.

Pomer odrazeného a rozptýleného slnečného žiarenia unikajúceho do vesmíru k celkovému množstvu slnečného žiarenia vstupujúceho do atmosféry sa nazýva planetárne albedo Zeme, alebo jednoducho Zemské albedo.

Celkovo sa planetárne albedo Zeme odhaduje na 31 %. Hlavnou súčasťou planetárneho albeda Zeme je odraz slnečného žiarenia oblakmi.

Časť priameho a odrazeného žiarenia sa podieľa na procese fotosyntézy rastlín, preto sa nazýva fotosynteticky aktívneho žiarenia (PAR). PAR –časť krátkovlnného žiarenia (od 380 do 710 nm), najaktívnejšie vo vzťahu k fotosyntéze a výrobnému procesu rastlín, predstavuje priame aj rozptýlené žiarenie.

Rastliny sú schopné spotrebovávať priame slnečné žiarenie a odrážať sa od nebeských a pozemských objektov v rozsahu vlnových dĺžok od 380 do 710 nm. Tok fotosynteticky aktívneho žiarenia je približne polovičný oproti slnečnému toku, t.j. polovicu celkového žiarenia, prakticky bez ohľadu na poveternostné podmienky a lokalitu. Aj keď, ak je pre európske pomery typická hodnota 0,5, tak pre izraelské je o niečo vyššia (asi 0,52). Nedá sa však povedať, že rastliny využívajú PAR rovnomerne počas celého života a za rôznych podmienok. Efektívnosť využívania PAR je rôzna, preto boli navrhnuté ukazovatele „koeficient využitia PAR“, ktorý odráža efektívnosť využívania PAR a „účinnosť fytocenózy“. Účinnosť fytocenóz charakterizuje fotosyntetickú aktivitu rastlinného krytu. Tento parameter našiel medzi lesníkmi najrozšírenejšie využitie na hodnotenie lesných fytocenóz.

Je potrebné zdôrazniť, že samotné rastliny sú schopné vytvárať PAR vo vegetačnom kryte. Dosahuje sa to vďaka usporiadaniu listov smerom k slnečným lúčom, rotácii listov, rozmiestneniu listov rôznych veľkostí a uhlov sklonu na rôznych úrovniach fytocenóz, t.j. cez takzvanú vegetačnú architektúru. Vo vegetačnom kryte sa slnečné lúče mnohokrát lámu a odrážajú od povrchu listov, čím si vytvárajú vlastný vnútorný režim žiarenia.

Žiarenie rozptýlené v rastlinnej pokrývke má rovnaký fotosyntetický význam ako priame a difúzne žiarenie prichádzajúce na povrch rastlinnej pokrývky.

Žiarenie zo zemského povrchu

Samotné vrchné vrstvy pôdy a vody, snehová pokrývka a vegetácia vyžarujú dlhovlnné žiarenie; Toto pozemské žiarenie sa častejšie nazýva vlastné žiarenie zemského povrchu.

Vlastné vyžarovanie sa dá vypočítať na základe znalosti absolútnej teploty zemského povrchu. Podľa Stefanovho-Boltzmannovho zákona, berúc do úvahy, že Zem nie je absolútne čierne teleso, a preto zaviesť koeficient? (zvyčajne sa rovná 0,95), pozemné žiarenie E určený vzorcom

E s = ?? T 4 ,

kde? – Stefan-Boltzmannova konštanta, T- teplota, K.

Pri 288 K, E s = 3,73 102 W/m2. Takéto veľké uvoľnenie žiarenia zo zemského povrchu by viedlo k jeho rýchlemu ochladeniu, ak by tomu nezabránil opačný proces – pohlcovanie slnečného a atmosférického žiarenia zemským povrchom. Absolútne teploty zemského povrchu sa pohybujú medzi 190 a 350 K. Pri takýchto teplotách má emitované žiarenie prakticky vlnové dĺžky v rozmedzí 4–120 μm a jeho maximálna energia sa vyskytuje pri 10–15 μm. V dôsledku toho je všetko toto žiarenie infračervené, ktoré oko nevníma.

Protižiarenie alebo protižiarenie

Atmosféra sa zahrieva, pohlcuje slnečné žiarenie (aj keď v relatívne malej časti, asi 15 % z celkového množstva prichádzajúceho na Zem), ako aj vlastné žiarenie zo zemského povrchu. Okrem toho prijíma teplo zo zemského povrchu tepelnou vodivosťou, ako aj kondenzáciou vodnej pary, ktorá sa vyparila zo zemského povrchu. Zohriata atmosféra vyžaruje sama seba. Rovnako ako zemský povrch vyžaruje neviditeľné infračervené žiarenie v približne rovnakom rozsahu vlnových dĺžok.

Väčšina (70 %) atmosférického žiarenia dopadá na zemský povrch, zvyšok smeruje do vesmíru. Atmosférické žiarenie prichádzajúce na zemský povrch sa nazýva protižiarenie E a, pretože smeruje k vlastnému žiareniu zemského povrchu. Zemský povrch takmer úplne absorbuje prichádzajúce žiarenie (95 – 99 %). Protižiarenie je teda popri absorbovanom slnečnom žiarení dôležitým zdrojom tepla pre zemský povrch. Protižiarenie sa zvyšuje so zvyšujúcou sa oblačnosťou, pretože samotné oblaky silne vyžarujú.

Hlavnou látkou v atmosfére, ktorá pohlcuje pozemské žiarenie a vysiela protižiarenie, je vodná para. Pohlcuje infračervené žiarenie v širokom rozsahu spektra - od 4,5 do 80 mikrónov, s výnimkou intervalu medzi 8,5 a 12 mikrónov.

Oxid uhoľnatý (oxid uhličitý) silne absorbuje infračervené žiarenie, ale len v úzkej oblasti spektra; ozón je slabší a tiež v úzkej oblasti spektra. Je pravda, že k absorpcii oxidom uhličitým a ozónom dochádza vo vlnách, ktorých energia v spektre pozemského žiarenia je blízka maximu (7–15 μm).

Protižiarenie je vždy o niečo menšie ako to pozemské. Preto zemský povrch stráca teplo v dôsledku pozitívneho rozdielu medzi vlastným a protižiarením. Rozdiel medzi vlastným žiarením zemského povrchu a protižiarením atmosféry sa nazýva efektívne žiarenie E e:

E e = E s – E a.

Efektívne žiarenie je čistá strata sálavej energie, a teda tepla, zo zemského povrchu v noci. Vlastné žiarenie je možné určiť podľa Stefanovho-Boltzmannovho zákona pri znalosti teploty zemského povrchu a protižiarenie možno vypočítať pomocou vyššie uvedeného vzorca.

Efektívne žiarenie za jasných nocí je asi 0,07–0,10 kW/m2 na nížinných staniciach v miernych zemepisných šírkach a až 0,14 kW/m2 na staniciach vo vysokých horách (kde je protižiarenie menšie). So zvyšujúcou sa oblačnosťou, ktorá zvyšuje protižiarenie, efektívna radiácia klesá. Pri zamračenom počasí je to oveľa menej ako pri jasnom počasí; v dôsledku toho je nočné ochladzovanie zemského povrchu menšie.

Efektívne žiarenie samozrejme existuje aj počas dňa. Ale cez deň je blokovaný alebo čiastočne kompenzovaný absorbovaným slnečným žiarením. Preto je zemský povrch cez deň teplejší ako v noci, ale efektívna radiácia cez deň je tiež väčšia.

V priemere zemský povrch v stredných zemepisných šírkach stráca efektívnym žiarením asi polovicu množstva tepla, ktoré prijíma z absorbovaného žiarenia.

Tým, že atmosféra absorbuje zemské žiarenie a vysiela protižiarenie na zemský povrch, znižuje ochladzovanie zemského povrchu v noci. Cez deň málo bráni ohrievaniu zemského povrchu slnečným žiarením. Tento vplyv atmosféry na tepelný režim zemského povrchu sa nazýva skleníkový alebo skleníkový efekt vďaka vonkajšej analógii s účinkom skla v skleníku.

Radiačná bilancia zemského povrchu

Rozdiel medzi absorbovaným žiarením a efektívnym žiarením sa nazýva radiačná bilancia zemského povrchu:

IN=(S hriech h + D)(1 – A) – E e.

V noci, keď nedochádza k celkovému žiareniu, sa negatívna radiačná bilancia rovná efektívnemu žiareniu.

Radiačná bilancia sa po východe slnka v nadmorskej výške 10–15° pohybuje z nočných záporných hodnôt na denné kladné. Prechádza z kladných do záporných hodnôt pred západom slnka v rovnakej výške nad horizontom. V prítomnosti snehovej pokrývky sa radiačná bilancia pohybuje do kladných hodnôt len ​​v slnečnej nadmorskej výške okolo 20–25 o, keďže pri veľkom albede snehu je jeho absorpcia celkového žiarenia nízka. Počas dňa sa radiačná bilancia zvyšuje s rastúcou slnečnou výškou a klesá s jej poklesom.

Priemerné poludňajšie hodnoty radiačnej bilancie v Moskve v lete za jasnej oblohy, udávané S.P. Khromov a M.A. Petrosyants (2004), sú asi 0,51 kW/m2, v zime len 0,03 kW/m2, pri priemernej oblačnosti v lete asi 0,3 kW/m2 av zime blízko nule.

Slnko vyžaruje obrovské množstvo energie – približne 1,1x1020 kWh za sekundu. Kilowatthodina je množstvo energie potrebné na prevádzku 100-wattovej žiarovky počas 10 hodín. Vonkajšia atmosféra Zeme zachytí približne jednu milióntinu energie vyžarovanej Slnkom alebo približne 1 500 kvadriliónov (1,5 x 1018) kWh ročne. V dôsledku odrazu, rozptylu a absorpcie atmosférickými plynmi a aerosólmi sa však na zemský povrch dostane len 47 % celkovej energie, teda približne 700 kvadriliónov (7 x 1017) kWh.

Slnečné žiarenie v zemskej atmosfére sa delí na takzvané priame žiarenie a rozptýlené žiarenie na časticiach vzduchu, prachu, vody a pod., obsiahnutých v atmosfére. Ich súčet tvorí celkové slnečné žiarenie. Množstvo energie pripadajúcej na jednotku plochy za jednotku času závisí od mnohých faktorov:

• zemepisnej šírky
• miestna klimatická sezóna roka
• uhol sklonu povrchu voči Slnku.

Čas a geografická poloha

Množstvo slnečnej energie dopadajúcej na povrch Zeme sa mení v dôsledku pohybu Slnka. Tieto zmeny závisia od dennej doby a ročného obdobia. Zem zvyčajne dostáva viac slnečného žiarenia na poludnie ako skoro ráno alebo neskoro večer. Na poludnie je Slnko vysoko nad obzorom a dĺžka dráhy slnečných lúčov zemskou atmosférou sa znižuje. V dôsledku toho sa menej slnečného žiarenia rozptýli a absorbuje, čo znamená, že viac sa dostane na povrch.

Množstvo slnečnej energie dopadajúcej na zemský povrch sa líši od ročného priemeru: v zime - o menej ako 0,8 kWh/m2 za deň v severnej Európe a o viac ako 4 kWh/m2 za deň v lete v tom istom regióne. Rozdiel sa zmenšuje, keď sa blížite k rovníku.

Množstvo slnečnej energie závisí aj od geografickej polohy lokality: čím bližšie k rovníku, tým je väčšie. Napríklad priemerné ročné celkové slnečné žiarenie dopadajúce na vodorovný povrch je: v strednej Európe, Strednej Ázii a Kanade - približne 1000 kWh/m2; v Stredozemnom mori - približne 1700 kWh / m2; vo väčšine púštnych oblastí Afriky, Stredného východu a Austrálie - približne 2200 kWh/m2.

Množstvo slnečného žiarenia sa teda výrazne mení v závislosti od ročného obdobia a geografickej polohy (pozri tabuľku). Tento faktor treba brať do úvahy pri využívaní solárnej energie.

	južná Európa	strednej Európy	Severná Európa	karibský región
januára	2,6	1,7	0,8	5,1
februára	3,9	3,2	1,5	5,6
marca	4,6	3,6	2,6	6,0
apríla	5,9	4,7	3,4	6,2
mája	6,3	5,3	4,2	6,1
júna	6,9	5,9	5,0	5,9
júla	7,5	6,0	4,4	6,0
augusta	6,6	5,3	4,0	6,1
septembra	5,5	4,4	3,3	5,7
októbra	4,5	3,3	2,1	5,3
novembra	3,0	2,1	1,2	5,1
decembra	2,7	1,7	0,8	4,8
ROK	5,0	3,9	2,8	5,7

Vplyv oblakov na slnečnú energiu

Množstvo slnečného žiarenia dopadajúceho na zemský povrch závisí od rôznych atmosférických javov a od polohy Slnka počas dňa aj počas roka. Oblaky sú hlavným atmosférickým javom, ktorý určuje množstvo slnečného žiarenia dopadajúceho na zemský povrch. V ktoromkoľvek bode na Zemi sa slnečné žiarenie dopadajúce na zemský povrch znižuje s pribúdajúcou oblačnosťou. V dôsledku toho krajiny s prevažne zamračeným počasím dostávajú menej slnečného žiarenia ako púšte, kde je počasie väčšinou bezoblačné.

Vznik oblakov je ovplyvnený prítomnosťou miestnych terénnych prvkov, ako sú hory, moria a oceány, ako aj veľké jazerá. Preto sa množstvo slnečného žiarenia prijatého v týchto oblastiach a ich okolitých oblastiach môže líšiť. Napríklad hory môžu dostávať menej slnečného žiarenia ako priľahlé úpätia a roviny. Vetry fúkajúce smerom k horám nútia časť vzduchu stúpať a ochladzujúc vlhkosť vo vzduchu vytvárajú oblaky. Množstvo slnečného žiarenia v pobrežných oblastiach sa tiež môže líšiť od množstva zaznamenaného v oblastiach nachádzajúcich sa vo vnútrozemí.

Množstvo slnečnej energie prijatej počas dňa závisí vo veľkej miere od miestnych atmosférických podmienok. Na poludnie s jasnou oblohou úplné slnko

žiarenie dopadajúce na vodorovnú plochu môže dosiahnuť (napr. v strednej Európe) hodnotu 1000 W/m2 (pri veľmi priaznivých poveternostných podmienkach môže byť toto číslo vyššie), pri veľmi zamračenom počasí môže byť aj pod 100 W/m2 na poludnie.

Vplyv znečistenia ovzdušia na slnečnú energiu

Umelé a prírodné javy môžu obmedziť aj množstvo slnečného žiarenia, ktoré dopadá na zemský povrch. Mestský smog, dym z požiarov a vzdušný popol zo sopečnej činnosti znižujú schopnosť využívať slnečnú energiu zvýšením rozptylu a absorpcie slnečného žiarenia. To znamená, že tieto faktory majú väčší vplyv na priame slnečné žiarenie ako na celkové žiarenie. Pri silnom znečistení ovzdušia, napríklad smogom, sa priame žiarenie zníži o 40 % a celkové ožiarenie len o 15 – 25 %. Silná sopečná erupcia môže znížiť na veľkej ploche zemského povrchu priame slnečné žiarenie o 20% a celkové žiarenie o 10% na obdobie 6 mesiacov až 2 rokov. Keď sa množstvo sopečného popola v atmosfére znižuje, účinok slabne, ale úplné zotavenie môže trvať niekoľko rokov.

Potenciál solárnej energie

Slnko nám poskytuje 10 000-krát viac voľnej energie, ako sa skutočne využíva na celom svete. Len na globálnom komerčnom trhu sa ročne nakúpi a predá takmer 85 biliónov (8,5 x 1013) kWh energie. Pretože nie je možné sledovať celý proces, nie je možné s istotou povedať, koľko nekomerčnej energie ľudia spotrebujú (napríklad koľko dreva a hnojív sa vyzbiera a spáli, koľko vody sa spotrebuje na výrobu mechanickej alebo elektrickej energie). ). Niektorí odborníci odhadujú, že takáto nekomerčná energia predstavuje jednu pätinu všetkej spotrebovanej energie. Ale aj keby to tak bolo, celková energia spotrebovaná ľudstvom počas roka je len približne sedemtisícina slnečnej energie, ktorá dopadne na zemský povrch v tom istom období.

Vo vyspelých krajinách, ako sú USA, je spotreba energie približne 25 biliónov (2,5 x 1013) kWh ročne, čo zodpovedá viac ako 260 kWh na osobu a deň. Toto číslo je ekvivalentom spustenia viac ako sto 100 W žiaroviek za celý deň každý deň. Priemerný občan USA spotrebuje 33-krát viac energie ako Ind, 13-krát viac ako Číňan, dvaapolkrát viac ako Japonec a dvakrát toľko ako Švéd.

Množstvo slnečnej energie dopadajúcej na povrch Zeme je mnohonásobne väčšie ako jej spotreba, a to aj v krajinách ako sú Spojené štáty americké, kde je spotreba energie enormná. Ak by sa na inštaláciu solárnych zariadení (fotovoltaických panelov alebo solárnych systémov teplej vody) s účinnosťou 10 % využívalo len 1 % krajiny, Spojené štáty by boli plne energeticky sebestačné. To isté možno povedať o všetkých ostatných vyspelých krajinách. V určitom zmysle je to však nereálne – po prvé kvôli vysokým nákladom na fotovoltické systémy a po druhé, nie je možné pokryť tak veľké plochy solárnymi zariadeniami bez toho, aby to poškodilo ekosystém. Ale samotný princíp je správny.

Rovnakú plochu môžete pokryť rozptýlením inštalácií na strechách budov, na domoch, pozdĺž ciest, na vopred určených pozemkoch atď. Okrem toho sa v mnohých krajinách už viac ako 1 % pôdy využíva na ťažbu, transformáciu, výrobu a prepravu energie. A keďže väčšina tejto energie je v ľudskom meradle neobnoviteľná, tento typ výroby energie je oveľa škodlivejší pre životné prostredie ako solárne systémy.