Материал: Влияние солнечной радиации на географическую оболочку Земли

3. Изменение солнечной радиации

Проходя сквозь атмосферу, солнечная радиация частично рассеивается атмосферными газами и аэрозольными примесями к воздуху и переходит в особую форму рассеянной радиации. Частично же она поглощается молекулами атмосферных газов и примесями к воздуху и переходит в теплоту, идет на нагревание атмосферы.

Нерассеянная и непоглощенная в атмосфере прямая солнечная радиация достигает земной поверхности. Она частично отражается от земной поверхности, а в большей степени поглощается ею и нагревает ее. Часть рассеянной радиации также достигает земной поверхности, частично от нее отражается и частично ею поглощается. Другая часть рассеянной радиации уходит вверх, в межпланетное пространство.

В результате поглощения и рассеяния радиации в атмосфере прямая радиация, дошедшая до земной поверхности, изменена в сравнении с тем, что было на границе атмосферы. Интенсивность радиации уменьшается, а спектральный состав ее изменяется, так как лучи разных длин волн поглощаются и рассеиваются в атмосфере по-разному.

В результате поглощения и рассеяния радиации в атмосфере прямая радиация, дошедшая до земной поверхности, изменена в сравнении с тем, что было на границе атмосферы. Интенсивность радиации уменьшается, а спектральный состав ее изменяется, так как лучи разных длин волн поглощаются и рассеиваются в атмосфере по-разному [11].

В атмосфере поглощается около 23 % прямой солнечной радиации. Причем поглощение это избирательное: разные газы поглощают радиацию в разных участках спектра и в разной степени. Основным поглотителем радиации в коротковолновой области спектра является азот и озон, в длинноволновой - водяной пар и углекислый газ.

Азот поглощает радиацию только очень малых длин волн в ультрафиолетовой части спектра. Энергия солнечной радиации в этом участке спектра совершенно ничтожна, поэтому поглощение азотом практически не отражается на потоке солнечной радиации. В несколько 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. Несмотря на очень малое содержание его в атмосфере, он полностью поглощает солнечную радиацию с длиной волны менее 0,29 мкм, вследствие чего в спектре солнечной радиации у земной поверхности такие волны не наблюдаются. Ультрафиолетовые волны, в особенности наиболее короткие, биологически очень активны и в избыточных количествах оказывают вредное или даже губительное влияние на живые организмы. Слой атмосферного озона является своеобразным защитным экраном, «биологическим щитом», предохраняющим жизнь на Земле. Поглощением части ультрафиолетовой радиации Солнца стратосферным озоном объясняется характерное для стратосферы распределение температуры с высотой и сравнительно высокие температуры воздуха в этом слое.

Кроме ультрафиолетовой радиации, озон поглощает, хотя и значительно слабее, радиацию некоторых длин волн в видимой и инфракрасной областях спектра. Общее поглощение солнечной радиации озоном достигает 3 % прямой солнечной радиации.

В длинноволновой области спектра наибольшую долю радиации поглощает водяной пар. Сильным поглотителем инфракрасной радиации является также и углекислый газ, однако в связи с малым содержанием его в атмосфере общее количество поглощенной им радиации невелико.

Значительное количество как коротковолновой, так и длинноволновой радиации поглощают облака и различные атмосферные аэрозоли, особенно при сильном замутнении атмосферы (в городах, при сильных лесных и торфяных пожарах и т.д.)

В целом на поглощение водяным паром и на аэрозольное поглощение приходится около 15 %, остальные 5 % поглощаются облаками.

В каждом отдельном месте поглощение изменяется с течение 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 к Земле [12].

.2 Рассеяние солнечной радиации в атмосфере

Прямая солнечная радиация на пути сквозь атмосферу ослабляется не только поглощением, но и путем рассеяния, причем ослабляется более значительно. Рассеяние - это фундаментальное физическое явление взаимодействия света с веществом. Оно может происходить на всех длинах волн электромагнитного спектра в зависимости от отношения размера рассеивающих частиц к длине волны падающего излучения. При рассеянии частица, находящаяся на пути распределения электромагнитной волны, непрерывно «извлекает» энергию из падающей волны и переизлучает ее по всем направлениям. Таким образом, частицу можно рассматривать как точечный источник рассеянной энергии. Следовательно, рассеянием называется преобразование частицы прямой солнечной радиации, которая до рассеяния распространяется в виде параллельных лучей в определенном направлении, в радиацию, идущую по всем направлениям. Рассеяние происходит в оптически неоднородном атмосферном воздухе, содержащем мельчайшие частицы жидких и твердых примесей - капли, кристаллы, мельчайшие аэрозоли, т.е. в среде, где показатель преломления изменяется от точки к точке. 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. Встречаясь с молекулами и примесями в атмосфере, солнечные лучи теряют прямолинейное направление распространения, рассеивается. Радиация распространяется от рассеивающих частиц, таким образом, как если бы они сами были излучателями.

Таким образом, около 26 % энергии общего потока солнечной радиации превращается в атмосфере в рассеянную радиацию. Около 2/3 рассеянной радиации приходит затем к земной поверхности [6].

.3 Явления, связанные с рассеянием радиации

Одним из примитивных примеров, связанных с рассеянием радиации, который мы можем наблюдать почти каждый день - это голубой цвет неба. Голубой цвет неба - это цвет самого воздуха, обусловленный рассеянием в нем солнечных лучей. Воздух прозрачен в тонком слое, как прозрачна в тонком слое вода. Но в мощной толще атмосферы воздух имеет голубой цвет подобно тому, как вода уже в сравнительно малой толще

(несколько метров) имеет зеленый цвет. Так как молекулярное рассеяние света происходит обратно пропорционально, то в спектре рассеянного света, посылаемого небесным сводом, максимум энергии смещен на голубой цвет. Таким образом, небесный свод имеет голубой цвет. Голубой цвет воздуха можно видеть не только глядя на небесный свод, но и рассматривая отдельные предметы, которые кажутся окутанными голубоватой дымкой. С высотой, по мере уменьшения плотности воздуха, т.е. количества рассеивающих частиц, цвет неба становится темнее и переходит в густо-синий, а в атмосфере - в черно-фиолетовый. По свидетельству космонавтов, на высоте 300 км цвет неба черный. Увеличение доли рассеянных фиолетовых лучей с высотой хорошо видно в горах, которые в чистом воздухе кажутся сине-фиолетовыми.

Чем больше в воздухе примесей более крупных размеров, чем молекулы воздуха, тем больше доля длинноволных лучей в спектре солнечной радиации и тем белесоватее становится окраска небесного свода. Когда диаметр частиц тумана, облаков и аэрозолей становится более 1-2 мкм, то лучи всех длин волн уже не рассеиваются, а одинаково диффузно отражаются; поэтому отдельные предметы при тумане и пыльной мгле заволакиваются уже не голубой, а белой или серой завесой. Поэтому же облака, на которые падает солнечный (т.е. белый) свет, кажутся белыми.

Рисунок 3 - Голубой цвет неба [13]

Солнечный свет, идущий от диска Солнца, проходя через атмосферу, вследствие рассеяния меняет свой цвет. Благодаря рассеянию больше всего понижается энергия наиболее коротких длин волн видимой части спектра - синих и фиолетовых, поэтому «уцелевший» от рассеяния прямой солнечный свет становится желтоватым. Солнечный диск кажется тем желтее, чем он ближе к горизонту, т.е. чем длиннее путь лучей через атмосферу и, следовательно, чем больше рассеяние. У горизонта Солнце становится почти красным, особенно когда в воздухе много пыли и мельчайших продуктов конденсации (капель или кристаллов). Точно так же и солнечный свет, отраженный облаками, рассеиваясь по пути к земной поверхности, становится беднее синими лучами. Поэтому, когда облака близки к горизонту и путь отраженных от них лучей света, проходящий сквозь атмосферу к наблюдателю, велик, они приобретают вместо белой желтоватую окраску.

Рисунок 4 - Желтоватая окраска облаков [14]

Рассеяние солнечной радиации в атмосфере имеет огромное практическое значение, так как создает рассеянный свет в дневное время. В отсутствие атмосферы на Земле было бы светло только там, куда попадали бы прямые солнечные лучи или солнечные лучи, отраженные земной поверхностью и предметами на ней. Вследствие же рассеянного света вся атмосфера днем служит источником освещения: днем светло также и там, куда солнечные лучи непосредственно не падают, и даже тогда, когда Солнце скрыто облаками [6].

Рисунок 5 - Рассеянный свет в дневное время [15]

4. Солнечная радиация у земной поверхности

Как нам уже известно, прямая солнечная радиация, при прохождении атмосферы, до земной поверхности доходит ослабленной атмосферным поглощением и рассеянием. Кроме того, в атмосфере всегда есть облака, и прямая солнечная радиация часто вообще не достигает земной поверхности, поглощаясь, рассеиваясь и отражаясь обратно облаками. Облачность может уменьшать приток прямой радиации в широких пределах. Например, в Ташкенте в малооблачном августе теряется вследствие наличия облаков всего 20 % прямой солнечной радиации, а во Владивостоке с его муссонным климатом потеря прямой радиации вследствие облачности летом составляет 75 %. В Санкт-Петербурге даже в среднем за год облака не пропускают к земной поверхности 65 % прямой радиации.

Таблица 1 - Средний приток солнечной радиации в Северном полушарии на горизонтальную поверхность в дни равноденствий и солнцестояний [6]

Из данной таблицы можно сделать вывод, что действительные количества прямой солнечной радиации, достигающие земной поверхности в течение того или иного времени, будут значительно меньше, чем количества, рассчитанные для границы атмосферы. Распределение же их по Земному шару будет более сложным, так как степень прозрачности атмосферы и условия облачности весьма изменчивы в зависимости от географической обстановки.

Однако при достижении земной поверхности большая часть потока суммарной радиации, поступающего на земную поверхность, поглощается верхним слоем почвы, воды и растительностью; при этом лучистая энергия превращается в тепло, нагревая поглощающие слои. Остальная часть потока суммарной радиации отражается земной поверхностью, образуя отраженную радиацию. Почти весь поток отраженной радиации проходит атмосферу насквозь и уходит в мировое пространство, однако некоторая доля его в атмосфере рассеивается и частично возвращается на земную поверхность, усиливая рассеянную радиацию, следовательно, и суммарную [16].

Отражательная способность различных поверхностей называется альбедо. Оно представляет собой отношение потока отраженной радиации ко всему потоку суммарной радиации, падающему на данную поверхность. Таким образом, земной поверхностью отражается часть потока суммарной радиации, а часть поглощается и превращается в тепло.

Альбедо различных поверхностей суши зависит главным образом от цвета и шероховатости этих поверхностей. Темные и шероховатые поверхности имеют меньшее альбедо, чем светлые и гладкие. Альбедо почв уменьшается с возрастание влажности, так как цвет их при этом становится темным.

Таблица 1 - Значение альбедо для некоторых естественных поверхностей [16]

Альбедо водных поверхностей в среднем меньше, чем альбедо поверхности суши, и оно очень сильно зависит от высоты Солнца. Наименьшее альбедо наблюдается при отвесном падении солнечных лучей (2-5 %), наименьшая - при малых высотах Солнца (50-70 %). Подобным же образом, но значительно слабее, изменяется в зависимости от высоты Солнца и физического состояния альбедо других естественных поверхностей, в связи с чем в суточном ходе наибольшие значения его наблюдаются утром и вечем, наибольшие - в полуденные часы.

Очень велика отражательная способность верхней поверхности облаков, особенно при большой их мощности. В среднем альбедо облаков около 50-60 %, в отдельных случаях - более 80-85 %.

В умеренных и высоких широтах альбедо сильно изменяется в годовом ходе, так как из-за образования снежного покрова зимой она значительно больше (50-80 %), чем летом.

Отношение уходящей в космическое пространство отраженной и рассеянной радиации ко всему потоку солнечной радиации, поступающей в атмосферу, называют планетарным альбедо Земли. В среднем оно составляет около 30 %, причем большая часть его обусловлена отражением солнечной радиации облаками [17].

4.1 Влияние солнечной радиации на растительный и животный мир

Солнце оказывает значительное влияние не только на растительный и животный мир, но и на человека. Некоторые люди просыпаются и бодрствуют только тогда, когда светит Солнце (это касается и большинства млекопитающих, земноводных и даже большинства рыб). Продолжительность солнечного дня оказывает влияние на жизнедеятельность организмов на Земле. В частности, зимой и осенью, когда Солнце в Северном полушарии стоит низко над горизонтом, и продолжительность светового дня мала и мало поступление солнечного тепла, природа увядает и засыпает - деревья сбрасывают листья, многие животные впадают на длительный срок в спячку (медведи, барсуки) или же сильно снижают свою активность. Вблизи полюсов даже во время лета поступает мало солнечного тепла, из-за этого растительность там скудная -причина унылого тундрового пейзажа, и мало какие животные могут проживать в таких условиях. Весной же вся природа просыпается, трава распускается, деревья выпускают листья, появляются цветы, оживает животный мир. И всё это благодаря одному единственному Солнцу. Его климатическое влияние на Землю бесспорно. Именно благодаря неравномерному поступлению солнечной энергии в разные районы Земли и в разные времена года на Земле сформировались климатические пояса [18].