Материал: Влияние солнечной радиации на географическую оболочку Земли

Влияние солнечной радиации на географическую оболочку Земли

Содержание

Введение

. Понятие о солнечной радиации

.1 Виды солнечной радиации

.2 Методы измерения радиации

. Интенсивность солнечной радиации, и ее распределение

. Изменение солнечной радиации

.1 Поглощение солнечной радиации в атмосфере

3.2 Рассеяние солнечной радиации в атмосфере

.3 Явления, связанные с рассеянием радиации

. Солнечная радиация у земной поверхности

.1 Влияние солнечной радиации на растительный и животный мир

.2 Использование солнечной радиации человеком

. Сезонные изменения солнечной радиации

Заключение

Список использованных источников

Введение

О Солнце и его энергии написаны сотни книг. О нём пишут физики и химики, астрономы и астрофизики, географы и геологи, биологи и инженеры. И в этом нет ничего удивительного, ведь Солнце является основным источником энергии на нашей планете, приводящим в движение весь механизм метеорологических и климатообразующих процессов.

Энергия Солнца, которая в основном выделяется в виде лучистой энергии, так велика, что её трудно даже себе представить. Достаточно сказать, что на Землю поступает только одна двухмиллиардная доля этой энергии, но она составляет около 2,5×1018 кал/мин. По сравнению с этим все остальные источники энергии, как внешние (излучение луны, звёзд, космические лучи), так и внутренние (внутренние тепло Земли, радиоактивное излучение, запасы каменного угля, нефти и т.д.) пренебрежительно малы.

Солнце - самая близкая к нам звезда, представляющая собой огромный светящийся газовый шар, диаметр которого примерно в 109 раз больше диаметра Земли, а его объём больше объёма Земли примерно в 1 млн 300 тыс. раз. Средняя плотность Солнца составляет около 0,25 от плотности нашей планеты [1].

Температура на поверхности Солнца около 6000 ^оК. При такой высокой температуре железо и другие металлы не просто плавятся, а превращаются в раскаленные газы. Поэтому на Солнце нет ни твердых, ни жидких веществ: там только раскаленный газ. Солнце - это огромный раскаленный газовый шар, поэтому говорить о его размерах следует условно, понимая под ними размеры видимого с Земли солнечного диска.

Внутренняя часть солнца не доступна наблюдению. Она представляет собой своеобразный атомный котёл гигантских размеров, где температура достигает 15 миллиардов градусов. Такая высокая температура внутри Солнца существует уже несколько миллиардов лет и будет существовать еще примерно столько же. Что же происходит внутри Солнца? Почему не гаснет этот гигантский костер? Астрономы, физики долго размышляли над вопросом: каким же образом миллиарды лет поддерживается очень высокая температура внутри Солнца? Большинство ученых считает, что внутри Солнца химический элемент водород превращается в другой химический элемент гелий. Частички водорода объединяются в более тяжелые частички, при этом объединении выделяется энергия в виде света и тепла, которая рассеивается Солнцем в космическом пространстве и приходит на Землю, чтобы дать жизнь всему живому [2].

Цель: изучить влияние солнечной радиации на географическую оболочку Земли.

Задачи: )    выяснить, что такое солнечное радиация;

б) описать виды радиации;

в) изучить, как солнечная радиация влияет на растительный и животный мир;

г) привести примеры использования солнечной энергии;

д) проанализировать сезонное изменение солнечной радиации на земной поверхности.

1. Понятие о солнечной радиации

Энергия, излучаемая Солнцем, носит название солнечной радиации. Поступая на Землю, солнечная радиация в большей своей части превращается в тепло.

Солнечная радиация является практически единственным источником энергии для Земли и атмосферы. По сравнению с солнечной энергией значение других источников энергии для Земли ничтожно мало. Например, температура Земли в среднем с глубиной возрастает (примерно 1 ^оС на каждые 35 м). Благодаря этому поверхность Земли получает некоторое количество тепла из внутренних частей. Подсчитано, что в среднем 1см² земной поверхности получает из внутренних частей Земли около 220 Дж в год. Это количество в 5000 раз меньше тепла, получаемого от Солнца. Некоторое количество тепла Земля получает от звезд и планет, но и она во много раз (приблизительно в 30 млн.) меньше тепла, поступающего от Солнца.

Количество энергии, посылаемой Солнцем на Землю, огромно. Так, мощность потока солнечной радиации, поступающей на площадь в 10 км^2, составляет в летний безоблачный (с учетом ослабления атмосферы) 7-9 кВт. Это больше, чем мощность Красноярской ГЭС. Количество лучистой энергии, поступающей от Солнца за 1 секунду на площадь 15×15 км (это меньше площади Ленинграда) в околополуденные часы летом, превышает мощность всех электростанций распавшегося СССР (166 млн кВт) [3].

Рисунок 1 - Солнце - источник радиации [4]

.1 Виды солнечной радиации

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

Прямая солнечная радиация - радиация, приходящая к земной поверхности непосредственно от диска Солнца. Солнечная радиация распространяется от Солнца по всем направлениям. Но расстояние от Земли до Солнца так велико, что прямая радиация падает на любую поверхность на Земле в виде пучка параллельных лучей, исходящего как бы из бесконечности. Даже весь земной шар в целом так мал в сравнении с расстоянием до Солнца, что всю солнечную радиацию, падающую на него, без заметной погрешности можно считать пучком параллельных лучей.

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.

Около 25 % энергии общего потока солнечной радиации проходя через атмосферу, рассеивается молекулами атмосферных газов и аэрозолем и превращается в атмосфере в рассеянную солнечную радиацию. Таким образом рассеянная солнечная радиация - солнечная радиация, претерпевшая рассеяние в атмосфере. Рассеянная радиация приходит к земной поверхности не от солнечного диска, а от всего небесного свода. Рассеянная радиация отлична от прямой по спектральному составу, так как лучи различных длин волн рассеиваются в разной степени.

Так как первоисточником рассеянной радиации является прямая солнечная радиация, поток рассеянной зависит от тех же факторов, которые влияют на поток прямой радиации. В частности, поток рассеянной радиации возрастает по мере увеличение высоты Солнца и наоборот. Он возрастает также с увеличением в атмосфере количества рассеивающих частиц, т.е. со снижением прозрачности атмосферы, и уменьшается с высотой над уровнем моря в связи с уменьшение количества рассеивающих частиц в вышележащих слоях атмосферы. Очень большое влияние на рассеянную радиацию оказывают облачность и снежный покров, которые за счет рассеяния и отражения падающей на них прямой и рассеянной радиации и повторного рассеяния их в атмосфере могут в несколько раз увеличить рассеянную солнечную радиацию.

Рассеянная радиация существенно дополняет прямую солнечную радиацию и значительно увеличивает поступление солнечной энергии на земную поверхность. Особенно велика ее роль в зимнее время в высоких широтах и в других районах с повышенной облачностью, где доля рассеянной радиации может превышать долю прямой. Например, в годовой сумме солнечной энергии на долю рассеянной радиации приходится в Архангельске - 56 %, в Санкт-Петербурге - 51 %.

Суммарная солнечная радиация - это сумма потоков прямой и рассеянной радиаций, поступающих на горизонтальную поверхность. До восхода и после захода Солнца, а также днем при сплошной облачности суммарная радиация полностью, а при малых высотах Солнца преимущественно состоит из рассеянной радиации. При безоблачном или малооблачном небе с увеличением высоты Солнца доля прямой радиации в составе суммарной быстро возрастает и в дневные часы поток ее многократно превышает поток рассеянной радиации. Облачность в среднем ослабляет суммарную радиацию (на 20-30 %), однако при частичной облачности, не закрывающей солнечного диска, поток ее может быть больше, чем при безоблачном небе. Существенно увеличивает поток суммарной радиации снежный покров за счет увеличения потока рассеянной радиации.

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) [5].

1.2 Методы измерения радиации

солнечный радиация атмосфера животный

Для измерения прямой и рассеянной солнечной радиации, радиационного баланса и других видов радиации существует много приборов как с визуальными отчетами, так и с автоматической регистрацией. Ограничимся рассмотрением общих принципов их построения.

Приборы для измерения прямой солнечной радиации называют пиргелиометрами и актинометрами, для измерения рассеянной радиации - пиранометрами, для измерения радиационного баланса - балансомерами.

Для измерения радиации применяется зачерненная металлическая пластинка, которая по своим поглощающим свойствам практически идентична абсолютному черному телу, т.е. поглощает и превращает в тепло всю падающую на нее радиацию. Во многие приборы входят, кроме того, пластинки с белой поверхностью, почти полностью отражающие падающую радиацию.

В компенсационном пиргелиометре Ангстрема зачерненная металлическая пластинка выставляется на Солнце, а другая такая же пластинка остается в тени. Между пластинками возникает разность температур. Эта разность температур передается спаям термоэлемента, приклеенным (с изоляцией) к пластинкам, и тем самым возбуждает термоэлектрический ток. Через затемненную пластинку пропускается ток от батареи, пока пластинка не нагреется до той же температуры, до которой нагрелась солнечными лучами первая пластинка; тогда термоэлектрический ток исчезает. По силе пропущенного «компенсирующего» тока можно определить с помощью Джоуля-Ленца количество тепла, полученному от Солнца первой пластинкой. Отсюда можно определить величину солнечной радиации. Есть и другие типы пиргелиометров.

В термоэлектрическом актинометре Савинова-Янишевского приемная часть представляет собой тонкий металлический зачерненный диск. К нему через изоляцию приклеены нечетные спаи термобатареи. Четные спаи термобатареи приклеены также через изоляцию к медному кольцу в корпусе прибора. Под влиянием солнечной радиации возникает электрический ток, по силе которого определяют интенсивность радиации. Для этого нужен переводной множитель прибора, который определяется путем сравнения с абсолютным прибором-пиргелиометром.

В пиранометре приемная часть чаще всего представляет собой батарею термоэлементов, например, из манганина и константана с зачерненными и белыми спаями. Приемная часть прибора должна иметь горизонтальное положение, чтобы воспринимать рассеянную радиацию со всего небесного свода. От прямой солнечной радиации он затенен экраном, а от встречного излучение атмосферы защищен стеклянным колпаком. Под действием рассеянной радиации черные и белые спаи нагреваются неодинаково, и возникает термоэлектрический ток, по силе которого определяют значение радиации (заранее устанавливается переводной множитель прибора). При измерениях суммарной радиации пиранометр не затеняют от прямых солнечных лучей.

Радиационный баланс определяется термоэлектрическим балансомером, в котором одна зачерненная приемная пластинка направлена вверх, а другая - вниз, к земной поверхности. Разница в нагревании пластинок позволяет определить величину радиационного баланса. Ночью она равна величине эффективного излучения.

Для автоматической регистрации измерений термоэлектрический ток, возникающий в актинометре, пиранометре, балансомере, подают на самопишущий электронный потенциометр. Изменения силы тока записываются на движущейся бумажной ленте. При этом актинометр должен автоматически вращаться так, чтобы его приемная часть следовала за Солнцем, а пиранометр должен быть всегда затенен от прямой радиации особой кольцевой защитой [6].

1 2

 3

- пиргелиометр; 2 - актинометр; 3 - пиранометр

Рисунок 2 - Приборы для измерения солнечной радиации [7,8,9]

Таким образом, используя методы измерения солнечной радиации, мы можем определить множество показателей, т.к. интенсивность солнечной радиации, отраженную радиацию, величину эффективного излучения, составляющие теплового баланса и т.д.

2. Интенсивность солнечной радиации, и ее распределение

Интенсивность солнечной радиации перед вступлением ее в атмосферу (обычно говорят: «на верхней границе атмосферы» или «в отсутствие атмосферы») называют солнечной постоянной. Смысл слова постоянная состоит здесь в том, что эта величина не зависит от поглощения и рассеяния радиации в атмосфере. Она относится к радиации, на которую атмосфера еще не повлияла. Солнечная постоянная зависит, таким образом, только от излучательной способности Солнца и от расстояния между Землей и Солнцем.

Земля вращается вокруг Солнца по мало растянутому элипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. В начале января она наиболее близка к Солнцу (147 млн км), в начале июля наиболее далека от него (152 млн км). Так как интенсивность радиации меняется обратно пропорциональна квадрату расстояния, то солнечная постоянная в течении года меняется на ±3,5 %. При среднем расстоянии Земли от Солнца солнечная постоянная, по новейшим определениям, с использованием ракетных измерений, равна 2,00 ±0,04 кал/см² мин. Однако за стандартное ее значение по международному соглашению принята величина 1,98 кал/см² мин. Интенсивность солнечной радиации в 2 кал на 1 см² в 1 минуту дает такое большое количество тепла в течение года, что его хватило бы, чтобы расплавить слой льда в 35 метров толщиной, если бы такой слой покрывал всю земную поверхность.

Меняется ли, и на сколько существенно, солнечная постоянная в течение времени, независимо от изменения расстояния между Солнцем и Землей? Иначе говоря, меняется ли с течением времени излучение Солнца? Несомненно, что за время существования Солнца солнечная постоянная должна была меняться. Более спорным вопросом является вопрос, менялась ли она существенно на протяжении геологической истории Земли. Наконец, еще не известно, колеблется ли солнечная постоянная, и на сколько, изо дня в день и из года в год. Однако если такие колебания и существуют, то они настолько малы, что лежат в пределах точности определений солнечной постоянной [10].