Виды радиации

РАДИАЦИЯ В АТМОСФЕРЕ

Солнце — практически единственный источник тепла и света на Земле. Из глубины Земли к поверхности поток тепла в 5000 раз меньше, а от звезд и Луны в 3∙10^-7 раз меньше потока солнечного тепла к Земле. Солнце — раскаленный плазменный шар (типич­ная звезда-карлик) — излучает в окружающее пространство огром­ную энергию (3,83∙10²³ кВт), из которой Земля получает всего одну двухмиллиардную часть (1,743∙10¹⁷ Вт). Солнце — основной источник энергии всех процессов, совершающихся на земном шаре. Вся биосфера, жизнь существует только за счет солнечной энергии. За 1,5 сут Солнце дает Земле столько энергии, сколько электростанции всех стран мира за год.

Приход радиации на верхнюю границу атмосферы меняется в зависимости от расстояния от Земли до Солнца, которое вслед­ствие эллиптичности земной орбиты 2 января наименьшее, 5 июля — наибольшее (среднее расстояние от Земли до Солнца 149,5-10⁶ км).

Суммарный поток солнечного излучения, проходящий через единичную площадку, перпендикулярную направлению лучей и находящуюся вне земной атмосферы при среднем расстоянии от Солнца, называют солнечной постоянной, которая равна 1367±20Вт/м².

В атмосфере солнечная радиация на пути к поверхности земли частично поглощается, а частично рассеивается и отражается от облаков и земной поверхности. В атмосфере наблюдаются три вида солнечной радиации: прямая, рассеянная и отраженная.

Радиацию, поступающую на Землю непосредственно от сол­нечного диска в виде пучка солнечных лучей, называют прямой солнечной радиацией. Расстояние от Земли до Солнца так велико, что радиация падает в виде пучка параллельных лучей, исходящих как бы из бесконечности.

Наибольшее количество радиации получает поверхность, рас­положенная перпендикулярно солнечным лучам, — S. На горизонтальную поверхность приходит меньшее количество лучистой энергии:

, (2.1)

где —поток солнечной радиации на горизонтальную поверхность, называемый инсоляцией; — высота солнца.

На верхнюю границу атмосферы приходит только прямая ради­ация. Около 30 % падающей на Землю радиации отражается в кос­мическое пространство. Кислород, азот, озон, диоксид углерода, водяные пары (облака) и аэрозольные частицы поглощают 23 % прямой солнечной радиации в атмосфере. Озон поглощает ульт­рафиолетовую и видимую радиацию. Несмотря на то что его со­держание в воздухе очень мало, он поглощает всю ультрафиолето­вую часть радиации (это примерно 3 %). Таким образом, у земной поверхности ее вообще не наблюдается, что очень важно для жиз­ни на Земле.

Прямая солнечная радиация на пути сквозь атмосферу также рассеивается. Частица (капля, кристалл или молекула) воздуха, находящаяся на пути электромагнитной волны, непрерывно «из­влекает» энергию из падающей волны и переизлучает ее по всем направлениям, становясь излучателем энергии. Рассеяние радиа­ции — это преобразование прямой солнечной радиации, падаю­щей в одном направлении, в радиацию, идущую по всем направ­лениям. Рассеивается около 26 % прямой радиации; ²/₃ рассеян­ной радиации достигает поверхности земли. По закону Рэлея рас­сеяние обратно пропорционально четвертой степени длины волны рассеиваемых лучей. Длина волн красного цвета 0,76 мкм (микрометр —0,001 мм) вдвое больше длины волн фиолетового цвета (0,4 мкм). Поэтому красные лучи рассеиваются в 14 раз меньше, чем фиолетовые. Максимум энергии рассеянной радиа­ции приходится на синие и голубые лучи. Отсюда голубой цвет неба — это цвет самого воздуха, обусловленный рассеянием в нем солнечных лучей. Голубой цвет воздуха это не только цвет небес­ного свода, но и голубоватый цвет далеких гор и леса. С высотой, по мере уменьшения плотности воздуха, то есть количества рассе­ивающих частиц, цвет неба становится густо-синим, а в стратос­фере — сине-фиолетовым.

Перед восходом солнца утром и после захода вечером небо светлое. Это явление неполной темноты носит название сумерек утренних и вечерних и объясняется рассеиванием лучей солнца, находящегося под горизонтом (до 18°). Затем небо быстро темне­ет. В высоких широтах, когда летом солнце не опускается под го­ризонт более 18°, темнота ночью не наступает, вечерние сумерки сливаются с утренними, образуя белые ночи.

Вечером и утром небосвод, где заходит или восходит солнце, окрашен в эффектные пурпурные и золотые цвета. Это явление зари. Ее оттенки зависят от содержания аэрозольных примесей, увеличения длины солнечного луча в атмосфере и дифракции све­та на более крупных частицах.

В низких (тропических) широтах наблюдается на темном небе после конца или до начала сумерек нежное сияние в виде наклон­ного конуса — зодиакальный свет, который вызывается рассеяни­ем солнечного света космической (метеорной) пылью.

Приходящую к земной поверхности солнечную радиацию — прямую и рассеянную — называют суммарной радиацией:

. (2.2)

Облачность, не закрывающая солнечный диск, увеличивает суммарную радиацию по сравнению с ясным небом, а полная об­лачность, наоборот, уменьшает.

Суммарная радиация, падая на земную поверхность, большей частью поглощается верхним слоем почвы или более толстым сло­ем воды (поглощенная радиация) и переходит в тепло, а частично отражается (отраженная радиация R).

Альбедо — это отношение отраженной радиации к суммарной, выраженное в процентах:

. (2.3)

Альбедо зависит от отражающей поверхности: у влажного чер­нозема или низинного торфа — до 5 %, сухого светлого песка — до 40, леса, луга, поля — 10...25, свежевыпавшего снега — до 90, лежа­лого — 50 %. Альбедо водной поверхности меняется в зависимости от высоты солнца над горизонтом, волнения на море и изменяется от 5 до 70 %, облаков — от 10 до 80 %. Планетарное альбедо Земли оценивают в 30 %.

Излучение Земли и встречное излучение атмосферы — длинно­волновое.

Согласно закону Стефана—Больцмана излучение Земли под­считывают как излучение серого тела по формуле

(2.4)

где = 5,7∙10^-8 Вт/(м²∙К⁴), = 0,95; Т — температура.

При 15^оС, или 288 К, = 3,73∙10² Вт/м².

Атмосфера нагревается при прохождении через нее солнечной радиации и при поглощении излучения земной поверхности. Встречное излучение атмосферы почти полностью поглощается земной поверхностью.

Разность между собственным излучением земной поверхности и встречным излучением атмосферы называют эффективным излучением:

. (2.5)

Эффективное излучение в ясные ночи в равнинных условиях составляет 0,07...0,10 Вт/м².

Распределение лучистой энергии по длинам волн называют спектром. Солнечный спектр делится на ультрафиолетовую часть с длиной волны < 0,40 мкм, видимую — 0,40 мкм 0,76 мкм и инфракрасную — 0,76 мкм. У верхней границы атмосферы на видимую часть приходится 46 % всей радиации, на инфракрасную 47, на ультрафиолетовую 7 %.

Видимая часть, создающая освещенность, при прохождении через призму разлагается на цветные лучи по убыванию длины волны: красные, оранжевые, желтые, зеленые, голубые, синие, фиолетовые. Совместное действие лучей на глаз создает белый цвет.

Исследования показали, что максимум энергии в спектре сол­нечного излучения на верхней границе атмосферы приходится на длину волны 0,48...0,49 мкм, то есть лежит в сине-голубой облас­ти спектра.

От Солнца к Земле поступает также корпускулярное излучение, состоящее из электрически заряженных частиц, в основном про­тонов и электронов. Это излучение полностью поглощается ат­мосферой на высоте 100 км, но сильно влияет на магнитное поле Земли и другие характеристики.

Дата добавления: 2015-06-28