§ 27. Солнечная радиация

ЧТО ТАКОЕ СОЛНЕЧНАЯ РАДИАЦИЯ И ЕЁ ВИДЫ

Солнечная радиация представляет собой всю совокупность светового, теплового и ультрафиолетового излучения Солнца, поступающего на Землю со скоростью света. Это главный природный двигатель абсолютно всех климатических, биосферных и экзогенных процессов на планете: перемещения воздушных масс, круговорота воды, выветривания горных пород и развития жизни.

В физической географии солнечная радиация измеряется количеством тепловой энергии, приходящейся на единицу площади: в килокалориях на квадратный сантиметр (ккал/см²) или в мегаджоулях на квадратный метр (МДж/м²) в год. Проходя сквозь земную атмосферу, солнечный поток претерпевает существенные изменения и разделяется на несколько взаимосвязанных видов:

• Прямая радиация: солнечные лучи, достигающие земной поверхности напрямую от солнечного диска в ясную безоблачную погоду. В безоблачные дни прямая радиация составляет практически 100% поступающей световой и тепловой энергии;
• Рассеянная радиация: излучение, рассеянное в атмосфере молекулами газов, взвешенными твердыми микрочастицами пыли, каплями воды и кристаллами льда в облаках. Рассеянный поток идет ко всей площади суши и моря от всего небесного свода равномерно. Именно благодаря рассеянию небо кажется голубым, а под пологом леса или в глубоких ущельях сохраняется освещенность даже без прямого солнца. В пасмурную погоду со сплошной облачностью рассеянная радиация составляет 100% приходящего к поверхности света;
• Суммарная радиация: общее количество солнечной энергии, дошедшее до поверхности Земли. Она складывается из прямой и рассеянной составляющих:

Суммарная = Прямая + Рассеянная.

Количество поступающей суммарной радиации закономерно возрастает от полюсов к экватору, так как на юге угол падения солнечных лучей выше, а толщина пронизываемого лучами слоя атмосферы — меньше.

РАДИАЦИОННЫЙ БАЛАНС И СВОЙСТВА ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ

Достигнув земной поверхности, солнечная радиация разделяется на две доли: часть энергии поглощается верхним слоем грунта или воды, превращаясь в тепло, а другая часть отражается обратно в атмосферу и космическое пространство.

Способность поверхности отражать лучистую энергию называется альбедо (измеряется в процентах). Показатель отражения напрямую зависит от характера подстилающей поверхности:

• Свежевыпавший снег и лед обладают рекордным альбедо (70–90%), отражая почти всю поступающую энергию;
• Песок и светлая сухая глина отражают около 30–40% радиации;
• Растительный покров (тайга, луга) отражает 15–25%;
• Влажный чернозем и водная гладь при высоком Солнце обладают наименьшей отражательной способностью (всего 5%), поглощая до 95% тепла.

Разница между поступившей суммарной солнечной радиацией и её совокупными потерями (на отражение поверхностью и тепловое инфракрасное излучение Земли в космос) называется радиационным балансом.

Именно радиационный баланс определяет реальный нагрев почвы и приземного слоя воздуха, скорость испарения влаги и таяния снегов. На распределение радиационного баланса влияют не только географическая широта, но и характер облачности и подстилающей поверхности. Например, на одной и той же широте в таежной зоне Европейского Севера радиационный баланс заметно выше, чем в Центральной Якутии. Зимой в Якутии держится ясная сухая погода: земная твердь под снежным покровом практически беспрепятственно выхолаживается излучением в открытый космос, что приводит к экстремальным морозам.

В целом по России среднегодовой радиационный баланс положителен, однако зимой он повсеместно отрицателен (потери тепла превышают приход), а летом — положителен.

КАК МЕНЯЕТСЯ СОЛНЕЧНАЯ РАДИАЦИЯ ПО СЕЗОНАМ ГОДА

На экваторе и в тропических широтах полуденное солнце круглый год стоит высоко над горизонтом, а продолжительность дня и ночи почти не меняется, поэтому ярко выраженной термической зимы там нет. Чем дальше территория удалена от экватора и чем ближе она расположена к полюсам, тем сильнее проявляются сезонные контрасты.

В умеренных широтах, где расположена основная часть России, четко сменяются четыре времени года. При этом наблюдается важнейшая климатическая закономерность:

• Летний максимум: летом на севере полуденное солнце поднимается не столь высоко, как на юге, однако продолжительность светового дня там существенно больше (в Заполярье наступает полярный день). В результате за июль суммарное поступление солнечной радиации на Северном полюсе почти на 40% выше, чем на экваторе, и на 20% выше, чем на широте Санкт-Петербурга (60° с. ш.). Однако этот колоссальный поток энергии не приводит к нагреву воздуха, поскольку отражается снегами и расходуется на таяние льда;
• Зимний дефицит: с наступлением осени высота солнца и долгота дня на широте 60° с. ш. резко падают. Уже в сентябре приток радиации здесь вдвое ниже экваториального, а в декабре — меньше почти в 20 раз. За полярным кругом в условиях полярной ночи солнечная радиация не поступает вовсе.

Для России характерны гигантские сезонные амплитуды поступления солнечного тепла. Это определяет исключительную ценность короткого лета: за несколько теплых месяцев экосистемы и сельское хозяйство должны успеть пройти полный жизненный цикл, а страна — накопить ресурсы для выживания в длительный морозный период.

ВЫСОТА СОЛНЦА НАД ГОРИЗОНТОМ И ДОЛГОТА ДНЯ

Ключевой фактор поступления солнечного тепла — угол падения лучей (высота Солнца над горизонтом в полдень). Зависимость полуденной высоты светила от даты и географической широты описывается строгими астрономическими законами:

1. Дни весеннего и осеннего равноденствия (20–21 марта и 22–23 сентября):
   • Солнце в полдень находится в зените над экватором (угол падения 90°);
   • На полюсах светило скользит по линии горизонта (угол около 0°);
   • Для любой точки на планете полуденная высота Солнца рассчитывается по формуле:

Высота = 90° − Географическая широта места.

1. День летнего солнцестояния (20–21 июня):
   • Солнце находится в зените над Северным тропиком (23°27' с. ш.);
   • В Северном полушарии полуденная высота Солнца достигает годового максимума:

Высота = 90° − Широта + 23°27'.

1. День зимнего солнцестояния (21–22 декабря):
   • Солнце в зените над Южным тропиком (23°27' ю. ш.);
   • В Северном полушарии высота светила минимальна:

Высота = 90° − Широта − 23°27'.

Параллельно меняется долгота дня. В день летнего солнцестояния в Сочи и Владивостоке (около 43° с. ш.) день длится 15 часов, в Москве (56° с. ш.) — 17,5 часов, в Санкт-Петербурге (60° с. ш.) — 18,5 часов (знаменитые «белые ночи»), а на широте полярного круга (66,5° с. ш.) солнце не заходит круглые сутки. Зимой картина зеркальна: в Сочи день длится 9 часов, в Санкт-Петербурге сокращается до 5,5 часов, а на широтах выше полярного круга господствует полярная ночь.