Рассеяние солнечной радиации в атмосфере

Поглощение солнечной радиации в атмосфере

В атмосфере поглощается сравнительно небольшое количе­ство солнечной радиации, при этом главным образом в инфра­красной части спектра. Это поглощение — избирательное:раз­ные газы поглощают радиацию в разных участках спектра и в разной степени.

Азотпоглощает радиацию только очень малых длин волн в ультрафиолетовой части спектра. Энергия солнечной радиации в этом участке спектра совершенно ничтожна, и потому погло­щение азотом практически не отражается на интенсивности сол­нечной радиации. В большей степени, но все же очень мало по­глощает солнечную радиацию кислород — в двух узких участках видимой части спектра и в ультрафиолетовой его части. Более сильным поглотителем солнечной радиации является озон. Его содержание в воздухе, даже в стратосфере, очень мало; тем не менее он настолько сильно поглощает ультрафиолетовую радиацию, что из солнечной постоянной теряется несколько про­центов. В результате поглощения в верхних слоях атмосферы в солнечном спектре у земной поверхности не наблюдаются волны короче 0,29 мк.

Сильно поглощает радиацию в инфракрасной области спектра углекислый газ;но его содержание в атмосфере ничтожно, и по­этому поглощение им в общем незначительно. Основным же по­глотителем радиации в атмосфере является водяной пар,сосре­доточивающийся в тропосфере и, особенно в нижней ее части. Из общего состава солнечной радиации водяной пар поглощает значительную долю в инфракрасной области спектра. Хорошо поглощают солнечную радиацию также атмосферные аэрозоли,т. е. облака и твердые частички, взвешенные в атмосфере.

В целом в атмосфере поглощается 15—20% радиации, при­ходящей от Солнца к Земле. В каждом отдельном месте погло­щение меняется с течением времени в зависимости как от пере­менного содержания в воздухе поглощающих субстанций, глав­ным образом водяного пара, облаков и пыли, так и от высоты солнца над горизонтом, т. е. от толщины слоя воздуха, проходи­мого лучами на пути сквозь атмосферу.

Кроме поглощения, прямая солнечная радиация на пути сквозь атмосферу ослабляется еще путем рассеяния, причем ослабляется более значительно. При этом рассеяние радиации тем больше, чем больше содержит воздух аэрозольных примесей.

Рассеянием называется частичное преобразование радиации, имеющей определенное направление распространения (а такой именно и является прямая солнечная радиация, распространяю­щаяся в виде параллельных лучей), в радиацию, идущую по всем направлениям. Рассеяние происходит в оптически неоднородной среде, т. е. в среде, где показатель преломления меняется от точки к точке. Такой оптически неоднородной средой является атмосферный воздух, содержащий мельчайшие частички жидких и твердых примесей — капельки, кристаллы, ядра конденсации, пылинки. Но оптически неоднородной средой является и чистый,свободный от примесей воздух, так как в нем вследствие тепло­вого движения молекул постоянно возникают сгущения и разре­жения, колебания плотности. Таким образом, встречаясь с моле­кулами и посторонними частичками в атмосфере, солнечные лучи теряют прямолинейное направление распространения, рассеиваются. Радиация распространяется от рассеивающих частичек таким образом, как если бы они сами были источниками ра­диации.

Около 25% энергии общего потока солнечной радиации превращается в атмосфере в рассеянную радиацию. Правда, зна­чительная доля рассеянной радиации (²/₃ ее) также приходит к земной поверхности. Но это будет уже особый вид радиации, существенно отличный от прямой радиации.

Во-первых, рассеянная радиация приходит к земной поверх­ности не от солнечного диска, а от всего небесного свода. По­этому приходится измерять ее приток на горизонтальную поверх­ность. Интенсивностью рассеянной радиациимы будем называть ее приток в калориях на один квадратный сантиметр горизон­тальной поверхности в минуту.

Во-вторых, рассеянная радиация отлична от прямой по спектральному составу. Дело в том, что лучи различных длин волн рассеиваются в разной степени. Соотношение энергии лучей разных длин волн в рассеянной радиации изменено в пользу более коротковолновых лучей. При этом, чем меньше размеры рассеивающих частичек, тем сильнее рассеиваются коротковол­новые лучи в сравнении с длинноволновыми.

По закону Релея, в чистом воздухе, где рассеяние произ­водится только молекулами газов(размеры которых более чем в 10 раз меньше длин волн света), рассеяние обратно пропорцио­нально четвертой степени длины волны рассеиваемых лучей:

где I_λ — интенсивность прямой радиации с длиной волны λ, i_λ — интенсивность рассеянной радиации с той же длиной волны, а — коэффициент пропорциональности.

Поскольку длина крайних волн красного света почти вдвое больше длины крайних волн фиолетового света, первые лучи рассеиваются молекулами воздуха в 14 раз меньше, чем вторые. Инфракрасные же лучи будут рассеиваться в совсем ничтожной степени. Поэтому в рассеянной радиации лучи коротковолновой части видимого спектра, т. е. фиолетовые и синие, будут пре­обладать по энергии над оранжевыми и красными, а также и над инфракрасными лучами.

Максимум энергии в прямой солнечной радиации у земной поверхности приходится на область желто-зеленых лучей види­мой части спектра. В рассеянной радиации он смещается на си­ниелучи.

Добавим еще, что рассеянная солнечная радиация, в отличие от прямой, является частично поляризованной. При этом степень поляризации для радиации, приходящей от разных уча­стков небосвода, неодинакова.

Рассеяние более крупными частичками, т. е. пылинками, мельчайшими капельками и кристалликами, происходит не по закону Релея, а обратно пропорционально меньшим степеням длины волны, например второй или первой. Поэтому радиация, рассеянная крупными частичками, будет не так богата наиболее коротковолновыми лучами, как радиация, рассеянная молеку­лами. При частичках диаметром больше 1,2 мк будет уже не рассеяние, а диффузное отражение, при котором радиация от­ражается частичками, как маленькими зеркалами (по закону — угол отражения равен углу падения), без изменения спектраль­ного состава.

Дата добавления: 2015-07-13