Спектральный состав солнца у поверхности земли

СПЕКТРАЛЬНЫЙ СОСТАВ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ

Солнечная радиация.

Лучистая энергия Солнца — практически единственный источ­ник тепла для поверхности Земли и ее атмосферы. Радиация, поступающая от звезд и Луны, в 30-10 6 раз меньше, чем солнечная радиация. Поток тепла из глубин Земли к поверхности в 5000 раз меньше тепла, получаемого от Солнца.

Часть солнечной радиации представляет собой видимый свет. Тем самым Солнце является для Земли источником не только тепла, но и света, важного для жизни на нашей планете.

Лучистая энергия Солнца превращается в тепло частично в самой атмосфере, но главным образом на земной поверхности, где она идет на нагревание верхних слоев почвы и воды, а от них и воздуха. Нагретая земная поверхность и нагретая атмосфера в свою очередь излучают невидимую инфракрасную радиацию. Отдавая радиацию в мировое пространство, земная поверхность и атмосфера охлаждаются.

СПЕКТРАЛЬНЫЙ СОСТАВ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ

В спектре солнечной радиации на интервал длин волн между 0,1 и 4 мкм приходится 99% всей энергии солнечного излучения. Всего 1% остается на радиацию с меньшими и большими длинами волн, вплоть до рентгеновских лучей и радиоволн.

Видимый свет занимает узкий интервал длин волн, всего от 0,40 до 0,76 мкм. Однако в этом интервале заключается 47% всей солнечной лучистой энергии, т.е. почти половина. На инфракрас­ное излучение приходится 44%, а на ультрафиолетовое — 9% всей лучистой энергии.

Распределение энергии в спектре солнечной радиа­ции до поступления ее в ат­мосферу в настоящее время известно достаточно хоро­шо благодаря измерениям со спутников и ракет. Максимум лучистой энергии в солнечном спект­ре, как и в спектре абсо­лютно черного тела, при­ходится на волны с длинами около 0,475 мкм, т. е. на зелено-голубыелучи види­мой части спектра.

Солнечное лучеиспускание характеризуется величиной солнечной постоянной.

Солнечная постоянная — это то количество тепла солнечной радиа­ции, которое падает на площадь в 1 квадратный сантиметр в 1 минуту на границе земной атмосферы при среднем расстоянии Земли от Солнца, причем эта площадь расположена перпендикулярно к направлению солнечных лучей.

Насколько же постоянна эта вели­чина?

Установлено, что появление пятен на Солнце указывает на увеличение его деятельности. В этом случае естественно ожидать также изменения солнечной постоянной. И вот было найдено, что с увеличением числа солнечных пятен величина солнечной постоянной сначала довольно быстро растет, затем рост уменьшается, достигает максимума при числе пятен 60—100, и в дальнейшем с воз­растанием числа пятен солнечная постоянная уже не увеличивается, а уменьшается.

Объясняется это следующим образом. Увеличение числа солнечных пятен в общем указывает на увеличение деятельности Солнца; таким образом, вполне естественно, что одновременно увеличивается интенсив­ность солнечного излучения.

Однако установлено, что излучательная способность пятен значи­тельно меньше излучения фотосферы — излучающей поверхности Солн­ца, особенно для больших пятен, яркость которых в среднем на 20 про­центов ниже нормальной.

Таким образом, само по себе увеличение площади солнечных пятен не может способствовать увеличению солнечного излучения. Но, по-видимому, рост числа солнечных пятен сопровождается увеличением выноса раскаленных масс из более глубоких слоев на поверхность. Эти массы обладают более высокой температурой, чем и объясняется повышение излучательной способности Солнца.

С другой стороны, наблюдения показывают, что по мере увеличения числа пятен увеличивается и число темных промежутков между гранула­ми 1 , из которых состоит фотосфера.

Таким образом, становится понятным, почему при дальнейшем увеличении числа пятен солнечная постоянная начинает умень­шаться.

Увеличение солнечной постоянной сопровождается небольшим повышением температуры для всей Земли, усилением интенсивности общей циркуляции атмосферы, что ведет к увеличению облачности и осадков, также понижением летней температуры в высоких широтах. Таким образом, мы можем считать, что радиация, излучаемая Солн­цем, практически остается постоянной.

От каких же причин она меняется, когда доходит до земной поверх­ности?

Таких причин несколько.

1. Известно, что Земля вращается вокруг Солнца не по кругу, а по эл­липсу. Вследствие этого расстояние между Землей и Солнцем в продол­жение всего года непрерывно меняется. Наименьшее расстояние бывает в январе, когда Земля находится в перигелии, а наибольшее — в июле, при нахождении Земли в афелии 1 .

Перигелием называется наименее удаленная от Солнца точка земной о: ты, афелием — наиболее удаленная.

Благодаря этому каждый квадратный сантиметр поверхности, по­ставленной перпендикулярно к солнечным лучам, в январе будет полу­чать солнечной радиации на 7 процентов больше, чем в июле.

2. В зависимости от высоты Солнца над горизонтом длина пути солнечного луча в атмосфере меняется очень значительно. Чем ниже Солнце над горизонтом, тем меньше солнечной радиации должно доходить до земной поверхности. Зная рассеивающие и поглощающие свойства так называемой идеальной атмосферы, то есть абсолютно чистой и сухой, можно рассчитать, какова была бы в этом случае радиация у земной поверхности, и сравнить с ней радиацию, наблюдаемую в естественных условиях.

Такое сопоставление сделано в табл. 1, в которой приведены вели­чины для высот Солнца от 5 до 60 градусов.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И НАБЛЮДАЕМЫЕ ВЕЛИЧИНЫ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ

1. Если бы не было атмосферы, то при любой высоте солнца наблюдали одну и ту же величину.

2. Интенсивность солнечной радиации зависит от угла падения солн.лучей.

3. Ослабление солнечной радиации вызывают также водяной пар и пыль.

Рис. Спектральный состав солнеч­ной радиации при различных высо тах Солнца над горизонтом: 1 — инфракрасная, 2 — видимая, 3 — ультрафиолетовая

Рис. 6. Зависимость напряжения солнечной радиации от угла падения

С уменьшением угла падения солнечных лучей уменьшается количество энергии на единицу площади. Нагрев происходит меньше при сравнении с 90 гр.: при 30 гр. – в 2 раза, при 10 гр. – в 6 раз, при 5 гр. – в 12 раз.

На полюсе высота Солнца сравнительно небольшая: в день летнего солнцестояния составляет 23 гр.30 минут. Но день длиться 24 часа. На экваторе день продолжается 12 часов, высота солнца изменяется от 0 до 90 гр. В результате, в эти сутки и ближайшие полюс получает больше тепла чем экватор. На полюсе большая часть энергии отражается от снега и не учавствует в нагреве, тогда как на экваторе большая часть поглощается почвой растительностью.

Источник

Спектральный состав солнечной радиации

ТЕМА: СОЛНЕЧНАЯ РАДИАЦИЯ

1. Солнечная радиация. Виды радиационных потоков.

2. Спектральный состав солнечной радиации.

3. Изменение солнечных лучей в атмосфере.

4. Радиационный баланс и его составляющие.

5. Приход солнечной радиации на различные формы рельефа и посевы.

1. Солнечная радиация

Солнечная радиация – это излучение Солнца, состоящее из электромагнитных волн различной длины (от 0,2 до 24 мкм) 1 мкм = 10 -6 м. Интенсивность солнечной радиации измеряется в [Вт/м 2 ] или [Дж/м 2 .сек], солнечные лучи преодолевают расстояние от Солнца до Земли за 8,5 минут со скоростью 300 тысяч км/сек, и приносят на Землю свет и тепло, необходимые для существования биосферы.

(от Солнца до Земли ≈ 150 млн. км.)

Виды радиационных потоков:

Прямая солнечная радиация – это солнечная радиация, поступающая на Земную поверхность, непосредственно от Солнечного диска в виде пучка параллельных, солнечных лучей. ( S ) ,[Вт/м 2 ].

Рассеянная солнечная радиация – это солнечная радиация, которая при прохождении через земную атмосферу, рассеивается молекулами атмосферных газов аэрозолей.

(Аэрозоль – мельчайшие твердые и жидкие частицы, взвешенные в атмосфере).

Отраженная солнечная радиация – это та часть солнечной радиации, которая отражается от земной поверхности. (R_к)

(Земля, как и любое тело, имеющее температуру выше абсолютного нуля, то есть –273 0 С, излучает тепло)

Тепло, которое излучает Земля в атмосферу, называется — тепловое излучение Земли. (Е_з)

(Атмосфера поглощает это тепло, так же часть солнечной радиации. В результате она нагревается и начинает излучать тепло ≈ 30% — в космос и ≈ 70% — в сторону, навстречу Земле).

Тепло, которое излучает атмосфера в сторону Земли, называется встречное излучение атмосферы (Е_з).

Разность между тепловым излучением Земли и встречным излучением атмосферы, называется эффективное излучение ( Е_эф)

2. Спектральный состав солнечной радиации

УФ – лучиВидимая часть спектраИК – лучи

(λ ‹ 0,4 мкм) (λ от 0,4 до 0,76 мкм) (λ › 0,76 мкм)

1. УФ – лучи практически не достигают земной поверхности, поглощаясь озоновым слоем. Негативно влияют на рост растений.

2. ИК – лучи по биологическому действию подразделяют на две группы:

а) ближнее ИК – излучение (λ до 4мкм ). Эти лучи невидимы и дают тепло. Они активно поглощаются водой, содержащейся в растениях, и ускоряют их рост и развитие.

б) дальнее ИК – излучение (λ более 4 мкм). Также невидимы, дают тепло, но не оказывают существенного влияния на растения.

3. Видимая часть спектра состоит из цветных лучей, в совокупности дающих белый цвет.

В диапазоне от 0,38 до 0,71 мкм находится ФАР – это часть солнечной радиации, которая поглощается растениями и используется в процессе фотосинтеза.

Известно, что наиболее интенсивно растения поглощают сине-фиолетовые и красно-оранжевые лучи, меньше – желто-зеленые.

Для того, чтобы образование органических веществ, в процессе фотосинтеза, превышало распад органических веществ в процессе дыхания,необходимо, чтобы освещенность, создаваемая солнечным излучением, была выше определенного значения, называемого компенсационной точкой. Если освещенность выше этой точки, происходит накопление органических веществ. Для светолюбивых растений компенсационная точка ≈ 20 – 35 Вт/м 2 , у теневыносливых она меньше (до 15 Вт/м 2 )

3. Изменение солнечных лучей в атмосфере

При прохождении через атмосферу УФ – лучи практически полностью поглощаются ее верхними слоями. Инфракрасные и видимые лучи частично поглощаются водяным паром и СО₂. Поэтому, чем большее количество водяного пара содержится в атмосфере, тем меньше количество солнечной радиации достигает земной поверхности. В среднем в атмосфере поглощается ≈15% солнечной энергии. Кроме того, ≈ 255 солнечной радиации рассеивается облаками, молекулами атмосферных газов и аэрозолями.

Интенсивность рассеяния солнечных лучей в атмосфере зависит от следующих факторов:

1). Высоты Солнца над горизонтом (Чем меньше высота Солнца, тем больший путь луча через атмосферу и тем сильнее поглощаются и рассеиваются солнечные лучи).

2). Концентрации в атмосфере рассеивающих частиц (чем больше концентрация, тем рассеивание интенсивнее).

3). Длины волны солнечных лучей (чем меньше длина волны, тем сильнее рассеиваются такие лучи).

Закон рассеяния лучей Релея —

(где С – коэффициент, зависящий

от числа рассеивающих частиц

в единицу объема)

а). Наименьшая длина волны у фиолетовых лучей, чуть больше у голубых и синих.

Но так как именно последние имеют максимальную в спектре квантовую энергию, то и в рассеянном свете наибольшая энергия смещается на сине-голубые лучи, что и обуславливает голубой цвет неба.

б). Чем ниже Солнце, тем больше путь лучей и тем сильнее они рассеиваются. А так как наиболее интенсивно рассеиваются коротковолновые лучи, то достигают Земли лучи с наибольшей длиной волны, то есть красные. Поэтому заходящее Солнце –красное.

в). Капли тумана и облаков одинаково рассеивают лучи с любой длиной волны (нейтральное рассеяние), поэтому они кажутся белыми.

4. Радиационный баланс и его составляющие

Радиационный баланс – разность между приходящими земной поверхности и уходящими от нее потоками лучистой энергии.

Если приход больше расхода, то радиационный баланс положительный и земная поверхность нагревается, а если наоборот – охлаждается.

Радиационный баланс становится положительным через 1 час после восхода Солнца, отрицательным за 1 – 2 часа до захода

S` -прямая солнечная радиация, приходящая на горизонтальную поверхность

Д – рассеянная солнечная радиация

R _к – отраженная коротковолновая солнечная радиация

Е_эф – эффективное излучение

1. Прямая солнечная радиация, поступающая на горизонтальную поверхность и рассеянная солнечная радиация вместе составляют суммарную солнечную радиацию.

Соотношение прямой и рассеянной солнечной радиации в составе суммарной зависит:

А). От высоты Солнца над горизонтом (чем выше Солнце, тем больше доля прямой солнечной радиации и меньше рассеянной)

Б). От облачности и загрязненности атмосферы (чем прозрачнее атмосфера, тем больше доля прямой солнечной радиации. Облака, даже не закрывающие Солнце, значительно увеличивают приход рассеянной солнечной радиации).

В). От высоты местности над уровнем моря (чем выше пункт над уровнем моря, тем быстрее приход прямой солнечной радиации и меньше рассеянной).

Кроме того, зимой вследствие отражения солнечной радиации от снега и вторичного ее рассеяния в атмосфере, доля рассеянной солнечной радиации в составе суммарной, заметно увеличивается.

Мощность потока прямой солнечной радиации выше, чем рассеянной. Поэтому прямая солнечная радиация приносит намного больше света и тепла.

2. Величина отраженной солнечной радиации в значительной степени зависит от альбедо земной поверхности.

Альбедо – отражательная способность любой поверхности.

Чем больше альбедо поверхности, тем интенсивнее отражаются от нее солнечные лучи и, следовательно, тем меньше нагревается эта поверхность.

Максимальное альбедо в природе у свежего снега: 80 – 95%, минимальное у темных почв (5 –15%).

Альбедо зависит цвета поверхности (у темных меньше, чем у светлых); от шероховатости поверхности (у гладких выше, чем у шероховатых). Кроме того, альбедо зависит от высоты Солнца над горизонтом: у любой поверхности максимальное альбедо утром и вечером, минимальное в полдень (так как в это время меньше рассеянной солнечной радиации, а именно она лучше отражается).

3.

Эффективное излучение — это непосредственно то тепло, которое безвозвратно теряет наша планета. Чем выше эффективное излучение, тем больше охлаждается земная поверхность.

Величина Е_эф зависит от соотношения теплового излучения Земли (Е_з) и встречного излучения атмосферы (Е_а). При повышении температуры земной поверхности, увеличивается излучение земли, следовательно, эффективное излучение так же возрастает. При этом земная поверхность интенсивно теряет тепло. Встречное излучение атмосферы, наоборот, является источником тепла в дополнении к солнечной радиации.

Так, подсчитано, что если бы атмосфера, не возвращала тепло обратно на Землю, то средняя температура земной поверхности была бы не +15 0 С, а –23 0 С. Такое влияние атмосферы на тепловой режим Земли называют парниковым эффектом.

Величина излучения атмосферы прямо пропорциональна содержанию СО₂ и водяного пара в атмосфере, а также количеству облаков.

(Чем больше и плотнее облачность, тем выше излучение атмосферы и ,следовательно, меньше охлаждается земная поверхность.)

(Вот почему, в пасмурные ночи заморозки на почве гораздо реже, чем в ясные).

Зависимость радиационного баланса земной поверхности

Радиационный баланс и связанный с ним тепловой режим планеты в холодное время года (то есть зимой, ранней весной и поздней осенью) определяется, главным образом, эффективным излучением. А так как эффективное излучение тем ниже, чем больше и плотнее облачность, то в пасмурную, облачную погоду температура воздуха и почвы будет всегда выше, чем в ясную, безоблачную погоду.

А в теплое время года ( летом, поздней весной и ранней осенью) температура на Земле определяется прямой солнечной радиацией . Ее интенсивность тем меньше, чем больше облачность. Поэтому в пасмурную погоду, в это время года всегда прохладнее, чем в ясную, безоблачную погоду.

Количество солнечной радиации, поступающей на земную поверхность в течении года, равно количеству солнечной радиации, уходящей от планеты за год.

Поэтому, в целом за год радиационный баланс Земли равен нулю.

5. Приход солнечной радиации на различные формы рельефа и посевы

Поступление прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность зависит от угла падения солнечных лучей. Максимальное количество солнечной радиации получает земная поверхность тогда, когда угол 90 0 . Чем меньше угол (то есть, чем ниже Солнце над горизонтом), тем меньшее количество солнечной радиации поступает на единицу поверхности.

Приход прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность:

S – прямая солнечная радиация на поверхность,

перпендикулярную солнечным лучам.

Пример: если S = 100 Вт/м 2 h_○ = 30 0

Sin 30 0 = 0,5 и S´ =100/2 = 50 Вт/м 2

Поступление солнечной радиации на различные формы рельефа зависит, главным образом, от экспозиции склонов. Склоны южной экспозиции получают максимальное количество тепла и света, северные – минимальное. Восточные и западные – меньше, чем южные, но больше, чем северные.

Основной фактор, определяющий поглощение ФАР посевами –это отношение площади листовой поверхности к площади поля (L).

Поглощение ФАР растениями максимальное, если L = 4 ,то есть

40 000 м 2 листовой поверхности

При дальнейшем возрастании L, поглощение ФАР посевами не увеличивается.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник