§ 27. Солнечная радиация

Электромагнитное и корпускулярное излучение Солнца, проникающее в земную атмосферу и достигающее земной поверхности в виде тепла и света; главный энергетический источник и двигатель всех природных, климатообразующих, гидрологических и биологических процессов на Земле.

• 1. Единицы измерения — количество радиации измеряется в килокалориях на 1 см² (ккал/см²) или в мегаджоулях на 1 м² (МДж/м²) за определенный промежуток времени (год, сезон, месяц, сутки).
• 2. Факторы прихода — поступление солнечной радиации определяется высотой Солнца над горизонтом (зависящей от географической широты), продолжительностью светового дня и прозрачностью атмосферы (степенью облачности и запыленности).

Общее количество солнечной энергии, достигающее земной поверхности, представляющее собой совокупность прямой и рассеянной солнечной радиации.

• 1. Прямая и рассеянная радиация — прямая радиация поступает в виде параллельных лучей непосредственно от видимого солнечного диска в ясную погоду; рассеянная радиация поступает от всего небесного свода после многократного рассеяния лучей молекулами газов, каплями воды и пылевыми частицами в облаках и воздухе.
• 2. Широтное распределение — суммарная солнечная радиация закономерно возрастает в направлении с севера на юг: от менее 60 ккал/см² в год на арктических островах до 110–120 ккал/см² в год на юге Европейской части России и в Предкавказье.

Разность между суммарной солнечной радиацией, поглощенной земной поверхностью, и эффективным тепловым излучением земной поверхности обратно в космическое пространство.

• 1. Положительный радиационный баланс — приход солнечного тепла превышает его отдачу в космос; поверхность Земли и приземный слой атмосферы прогреваются (летом баланс положителен на всей территории России, а на крайнем юге страны — круглый год).
• 2. Отрицательный радиационный баланс — отдача тепла поверхностью превосходит поступление солнечной энергии; происходит непрерывное выхолаживание подстилающей поверхности и воздуха, приводящее к устойчивым зимним морозам (зимой на большей части России севернее 50° с. ш.).

Доли суммарной солнечной радиации, определяющие степень прогрева подстилающей поверхности в зависимости от ее оптических и физических свойств.

• 1. Отражательная способность (альбедо) — процент отраженной радиации от общего объема упавшей солнечной энергии: свежевыпавший сухой снег отражает до 80–90% лучей, светлый сухой песок — 30–40%, чернозем — 10–15%, а спокойная водная гладь при высоком солнце — около 5%.
• 2. Климатическое следствие — устойчивый снежный покров зимой в России отражает подавляющую часть поступающей солнечной радиации обратно в атмосферу и космос, консервируя арктический холод и препятствуя прогреву воздуха даже в ясные морозные дни.

Солнечная радиация — это излучение Солнца, включающее все виды электромагнитных волн: видимый свет, инфракрасное (тепловое) излучение и ультрафиолетовые лучи. Она является главным первоисточником и двигателем абсолютно всех природных процессов на Земле: обусловливает нагрев атмосферы и гидросферы, создает циркуляцию воздушных масс, круговорот воды, определяет сезонную ритмику природы и делает возможным фотосинтез растений и органическую жизнь.

Изменение поступления солнечной радиации по сезонам года связано с постоянным наклоном земной оси (на 66,5° к плоскости орбиты) при годичном движении Земли вокруг Солнца. В результате этого в течение года закономерно меняются два ключевых фактора:

• Высота Солнца над горизонтом (угол падения лучей): чем выше стоит Солнце, тем отвеснее падают лучи, тем выше концентрация солнечной энергии на единицу площади поверхности и меньше путь лучей через поглощающий слой атмосферы. Летом в полдень Солнце поднимается максимально высоко, зимой — стоит низко над горизонтом;
• Продолжительность светового дня: летом световой день в Северном полушарии длительный (на севере России переходит в незаходящий полярный день), поэтому поверхность получает тепло много часов подряд. Зимой световой день короток (на широтах выше полярного круга устанавливается полярная ночь с нулевым приходом прямой радиации), а выхолаживание длится большую часть суток.

Солнечной радиацией называют всю совокупность солнечного излучения (светового, теплового, ультрафиолетового), достигающего Земли. Она измеряется в килокалориях на квадратный сантиметр (ккал/см²) или в мегаджоулях на квадратный метр (МДж/м²) за определенный промежуток времени (год, месяц, сутки).

Величина поступающей солнечной радиации зависит от:

• Географической широты местности (определяющей угол наклона солнечных лучей);
• Продолжительности светового дня (времени непосредственного освещения поверхности);
• Прозрачности атмосферы и степени облачности (густая облачность отражает и поглощает до 50–70% солнечной энергии).

Всю поступающую от Солнца энергию классифицируют по путям прохождения через атмосферу и взаимодействию с поверхностью:

• По путям прохождения:
• Прямая солнечная радиация — лучи, идущие параллельным пучком непосредственно от видимого солнечного диска при ясном небе;
• Рассеянная солнечная радиация — солнечные лучи, многократно рассеянные молекулами газов, пылинками и каплями воды в облаках и падающие на землю от всего небесного свода;
• Суммарная солнечная радиация — общая сумма прямой и рассеянной радиации, достигающая земной поверхности;
• По взаимодействию с земной поверхностью:
• Поглощенная радиация — доля суммарной радиации, которая поглощается почвой, растительностью и водой, преобразуясь в тепловую энергию и нагревая планету;
• Отраженная радиация — часть радиации, которая отбрасывается поверхностью обратно в атмосферу в зависимости от альбедо подстилающего слоя.

Сезонная изменчивость радиации обусловлена орбитальным движением Земли вокруг Солнца и наклоном земной оси. Летом Северное полушарие наклонено навстречу солнечным лучам: полуденная высота Солнца достигает максимальных годовых значений (на широте 45° — 68,5°, на широте 60° — 53,5°), а продолжительность дня длится от 15 до 24 часов (полярный день). Вследствие этого летом приход тепла максимален. Зимой, наоборот, Северное полушарие отвернуто от Солнца: полуденная высота Солнца минимальна (на параллели 45° — всего 21,5°, на параллели 60° — 6,5°, а за полярным кругом Солнце не восходит вовсе), световой день крайне короток, и поступление тепла резко сокращается.

Высота Солнца над горизонтом — определяющий фактор угла падения лучей на земную поверхность. Чем больше угол падения (ближе к 90°), тем выше плотность солнечной энергии на 1 м² и тем сильнее прогревается земная поверхность. Знание высоты Солнца над горизонтом необходимо для:

• Метеорологии и климатологии: расчет климатических норм, моделирование теплового баланса и прогнозирование погоды;
• Сельского хозяйства: определение оптимальных сроков сева, созревания сельскохозяйственных культур и теплообеспеченности вегетационного периода;
• Архитектуры и градостроительства: проектирование инсоляции жилых домов, ориентации окон и естественного освещения улиц;
• Гелиоэнергетики: расчет оптимального угла наклона панелей солнечных электростанций в течение года.

б) суммарной солнечной радиацией.

Обоснование: Суммарная радиация представляет собой всю совокупность лучистой энергии, дошедшей до поверхности Земли, складываясь из прямой радиации от солнечного диска и рассеянной радиации от небесного купола.

а) увеличивается.

Обоснование: При приближении к экватору географическая широта уменьшается, а среднегодовая высота полуденного Солнца над горизонтом закономерно возрастает, что приводит к увеличению угла падения солнечных лучей и концентрации солнечного тепла.

а) снег.

Обоснование: Чистый сухой свежевыпавший снег обладает максимальным коэффициентом отражения (альбедо) в природе — до 80–90%. Для сравнения: сухой светлый песок отражает около 30–40%, распаханный темный чернозем — всего 10–15%, а спокойная поверхность воды при отвесном падении лучей отражает лишь около 5%.