Джерела тепла. У житті атмосфери вирішальне значення має теплова енергія. Найголовнішим джерелом цієї енергії є Сонце. Що ж стосується теплового випромінювання Місяця, планет і зірок, то воно для Землі настільки мізерно, що практично його не можна брати до уваги. Значно більше теплової енергії дає внутрішнє тепло Землі. За обчисленнями геофізиків, постійний приплив тепла з надр Землі підвищує температуру земної поверхні на 0 °, 1. Але подібний приплив тепла все ж настільки малий, що приймати його до уваги також немає ніякої необхідності. Таким чином, єдиним джерелом теплової енергії на поверхні Землі можна вважати тільки Сонце.
Сонячна радіація. Сонце, що має температуру фотосфери (випромінюючої поверхні) близько 6000 °, випромінює енергію в простір у всіх напрямках. Частина цієї енергії у вигляді величезного пучка паралельних сонячних променів потрапляє на Землю. Сонячна енергія, що дійшла до поверхні Землі у вигляді прямих променів Сонця, носить назву прямої сонячної радіації. Але не вся сонячна радіація, спрямована на Землю, доходить до земної поверхні, так як сонячні промені, проходячи через потужний шар атмосфери, частково поглинаються нею, частково розсіюються молекулами і зваженими частинками повітря, деяка частина відбивається хмарами. Та частина сонячної енергії, яка розсіюється в атмосфері, називається розсіяною радіацією. Розсіяна сонячна радіація поширюється в атмосфері і потрапляє до поверхні Землі. Нами цей вид радіації сприймається як рівномірний денне світло, коли Сонце повністю закрите хмарами або тільки що сховалося за горизонтом.
Пряма і розсіяна сонячна радіація, досягнувши поверхні Землі, в повному обсязі поглинається нею. Частина сонячної радіації відбивається від земної поверхні назад в атмосферу і знаходиться там у вигляді потоку променів, так званої відбитої сонячної радіації.
Склад сонячної радіації дуже складний, що пов'язано з дуже високою температурою випромінюючої поверхні Сонця. Умовно по довжині хвиль спектр сонячної радіації ділять на три частини: ультрафіолетову (# 951;<0,4<μ видимую глазом ( η от 0,4μ до 0,76μ) и инфракрасную часть (η>0,76 # 956;). Крім температури сонячної фотосфери, на склад сонячної радіації в земної поверхні впливає ще поглинання і розсіювання частини сонячних променів при їх проходженні через повітряну оболонку Землі. У зв'язку з цим склад сонячної радіації на верхній межі атмосфери і у поверхні Землі буде неоднаковий. На підставі теоретичних розрахунків і спостережень встановлено, що на кордоні атмосфери на частку ультрафіолетової радіації припадає 5%, на видимі промені - 52% і на інфрачервоні - 43%. У земної ж поверхні (при висоті Сонця 40 °) ультрафіолетові промені становлять лише 1%, видимі - 40%, а інфрачервоні - 59%.
Інтенсивність сонячної радіації. Під інтенсивністю прямої сонячної радіації розуміють кількість тепла в калоріях, одержуваного в 1 хв. від променевої енергії Сонця поверхнею в 1 см 2. розташованої перпендикулярно до сонячних променів.
Для вимірювання інтенсивності прямої сонячної радіації застосовуються спеціальні прилади - актинометр і піргеліометра; величина розсіяною радіації визначається піранометра. Автоматична реєстрація тривалості дії сонячної радіації проводиться актінографамі і геліографами. Спектральна інтенсивність сонячної радіації визначається спектроболографом.
На кордоні атмосфери, де виключено поглинає і розсіює вплив повітряної оболонки Землі, інтенсивність прямої сонячної радіації дорівнює приблизно 2 кал на 1 см 2 поверхні в 1 хв. Ця величина зветься сонячної постійної. Інтенсивність сонячної радіації в 2 кал на 1 см 2 в 1 хв. дає таку велику кількість тепла протягом року, що його вистачило б, щоб розплавити шар льоду в 35 м завтовшки, якби такий шар покривав всю земну поверхню.
Численні виміри інтенсивності сонячної радіації дають підставу вважати, що кількість сонячної енергії, що припадає до верхньої межі атмосфери Землі, відчуває коливання в розмірі кількох відсотків. Коливання бувають періодичні і неперіодичні, пов'язані, по-видимому, з процесами, що відбуваються на самому Сонці.
Коливання інтенсивності сонячної радіації з цієї причини дуже невелика і може представляти тільки теоретичний інтерес. (Кількість енергії при максимальній відстані відноситься до кількості енергії при мінімальній відстані, як 100. 107, т. Е. Різниця зовсім незначна.)
якщо на екваторі кількість отриманої радіації прийняти за 1, то на 60-й паралелі вона виразиться в 0,5, а на полюсі буде дорівнює 0.
Земна куля, крім того, має добове і річне рух, причому земна вісь нахилена до площини орбіти на 66 °, 5. В силу цього нахилу між площиною екватора і площиною орбіти утворюється кут в 23 ° 30 г. Ця обставина призводить до того, що кути падіння сонячних променів для одних і тих же широт будуть змінюватися в межах 47 ° (23,5 + 23,5) .
Земна поверхня при відсутності атмосфери на різних широтах за добу отримувала б таку кількість тепла, виражене в калоріях на 1 см 2 (див. Таблицю на стор. 92).
Наведене в таблиці розподіл радіації по земній поверхні прийнято називати солярним кліматом. Повторюємо, що такий розподіл радіації ми маємо тільки у верхньої межі атмосфери.
Ослаблення сонячної радіації в атмосфері. До сих пір ми говорили про умови розподілу сонячного тепла по земній поверхні, не беручи до уваги атмосфери. Тим часом атмосфера в даному випадку має величезне значення. Сонячна радіація, проходячи через атмосферу, відчуває розсіювання і, крім того, поглинання. Обидва ці процесу разом послаблюють сонячну радіацію в значній мірі.
Сонячні промені, проходячи через атмосферу, перш за все відчувають розсіювання (дифузію). Розсіювання створюється тим, що промені світла, заломлюючись і відбиваючись від молекул повітря і частинок твердих і рідких тіл, що знаходяться в повітрі, відхиляються від прямого шляху до дійсно «розсіюються».
Розсіювання сильно послаблює сонячну радіацію. При збільшень кількості водяної пари і особливо пилових частинок розсіювання збільшується і радіація послаблюється. У великих містах і пустельних областях, де запиленість повітря найбільша, розсіювання послаблює силу радіації на 30-45%. Завдяки розсіюванню виходить той денне світло, яке освітлює предмети, якщо навіть на них безпосередньо сонячні промені не падають. Розсіювання обумовлює і самий колір неба.
Зупинимося тепер на здатності атмосфери поглинати променисту енергію Сонця. Основні гази, що входять до складу атмосфери, поглинають променисту енергію порівняно дуже мало. Домішки ж (водяна пара, озон, вуглекислий газ і пил), навпаки, відрізняються великою поглинальною здатністю.
У тропосфері найбільш значну домішку становлять водяні пари. Вони особливо сильно поглинають інфрачервоні (довгохвильові), т. Е. Переважно теплові промені. І чим більше водяної пари в атмосфері, тим природно більше і. поглинання. Кількість же водяної пари в атмосфері схильне до великих змін. У природних умовах воно змінюється від 0,01 до 4% (за обсягом).
Дуже великий поглинальною здатністю відрізняється озон. Значна домішка озону, як уже говорилося, знаходиться в нижніх шарах стратосфери (над тропопаузою). Озон поглинає ультрафіолетові (короткохвильові) промені майже повністю.
Великий поглинальною здатністю відрізняється також і вуглекислий газ. Він поглинає головним чином довгохвильові, т. Е. Переважно теплові промені.
Пил, що знаходиться в повітрі, також поглинає деяку кількість сонячної радіації. Нагріваючись під дією сонячних променів, вона може помітно підвищити температуру повітря.
Із загальної кількості сонячної енергії, що приходить до Землі, атмосфера поглинає всього близько 15%.
Ослаблення сонячної радіації шляхом розсіювання і поглинання атмосферою для різних широт Землі дуже по-різному. Ця різниця залежить перш за все від кута падіння променів. При зенітному положенні Сонця промені, падаючи вертикально, перетинають атмосферу найкоротшим шляхом. Зі зменшенням кута падіння шлях променів подовжується і ослаблення сонячної радіації стає більш значним. Останнє добре видно за кресленням (рис. 31) і доданої таблиці (в таблиці величина шляху сонячного променя при зенітному положенні Сонця прийнята за одиницю).
Залежно від кута падіння променів змінюється не тільки кількість променів, але також і їх якість. У період, коли Сонце знаходиться в зеніті (над головою), на ультрафіолетові промені припадає 4%, на
видимі - 44% і інфрачервоні - 52%. При положенні Сонця на горизонті ультрафіолетових променів зовсім немає, видимих 28% і інфрачервоних 72%.
Однак потрібно сказати, що тепло, поглинене хмарами, частиною йде на нагрівання атмосфери, а частиною непрямим чином досягає і земної поверхні.
Добовий і річний хід інтенсивності сол кінцевого радіації. Інтенсивність прямої сонячної радіації біля поверхні Землі залежить від висоти Сонця над горизонтом і від стану атмосфери (від її запиленості). Якби. прозорість атмосфери протягом доби була постійна, то максимальна інтенсивність сонячної радіації спостерігалася б опівдні, а мінімальна - при сході і заході Сонця. У цьому випадку графік ходу добової інтенсивності сонячної радіації був би симетричним щодо півдня.
Сума тепла сонячної радіації. Поверхня Землі протягом дня безперервно отримує тепло від прямої і розсіяної сонячної радіації або тільки від розсіяної радіації (при похмурій погоді). Визначають добову величину тепла на підставі актинометричних спостережень: з обліку кількості прямий і розсіяною радіації, що надійшла на земну поверхню. Визначивши суму тепла за кожну добу, обчислюють і кількість тепла, одержуваного земною поверхнею за місяць або за рік.
Добова кількість тепла, одержуваного земною поверхнею від сонячної радіації, залежить від інтенсивності радіації і від тривалості її дії протягом доби. У зв'язку з цим мінімум припливу тепла припадає на зиму, а максимум на літо. У географічному розподілі сумарної радіації по земній кулі спостерігається її збільшення зі зменшенням широти місцевості. Це положення підтверджується наступною таблицею.
Роль прямий і розсіяною радіації в річній кількості тепла, що отримується земною поверхнею на різних широтах земної кулі, неоднакова. У високих широтах в річній сумі тепла переважає розсіяна радіація. Зі зменшенням широти переважне значення переходить до прямої сонячної радіації. Так, наприклад, в бухті Тихій розсіяна сонячна радіація дає 70% річної суми тепла, а пряма радіація тільки 30%. У Ташкенті, навпаки, пряма сонячна радіація дає 70%, розсіяна тільки 30%.
Відбивна здатність Землі. Альбедо. Як уже зазначалося, поверхня Землі поглинає тільки частину сонячної енергії, що надходить до неї у вигляді прямої і розсіяної радіації. Інша частина відбивається в атмосферу. Відношення величини сонячної радіації, відбитої даною поверхнею, до величини потоку променевої енергії, що падає на цю поверхню, називається альбедо. Альбедо виражається у відсотках і характеризує відбивну здатність цієї ділянки поверхні.
Альбедо залежить від характеру поверхні (властивості грунту, наявності снігу, рослинності, води і т. Д.) І від величини кута падіння променів Сонця на поверхню Землі. Так, наприклад, якщо промені падають на земну поверхню під кутом в 45 °, то:
З наведених прикладів видно, що відображає здатність у різних предметів неоднакова. Вона всього більше у снігу і найменше у води. Однак взяті нами приклади відносяться лише до тих випадків, коли висота Сонця над горизонтом дорівнює 45 °. При зменшенні ж цього кута відображає здатність збільшується. Так, наприклад, пої висоті Сонця в 90 ° вода відображає тільки 2%, при 50 ° - 4%, при 20 ° -12%, при 5 ° - 35-70% (в залежності від стану водної поверхні).
В середньому при безхмарному небі поверхню земної кулі відображає 8% сонячної радіації. Крім того, 9% відображає атмосфера. Таким чином, земну кулю в цілому при безхмарному небі відображає 17% падаючої на нього променевої енергії Сонця. Якщо ж небо вкрите хмарами, то від них відбивається 78% радіації. Якщо взяти природні умови, виходячи з того співвідношення між безхмарним небом і небом, вкритим хмарами, яке спостерігається в дійсності, то відбивна здатність Землі в цілому дорівнює 43%.
Земна і атмосферна радіація. Земля, отримуючи сонячну енергію, нагрівається і сама стає джерелом випромінювання тепла в світовий простір. Однак промені, що випускаються земною поверхнею, різко відрізняються від сонячних променів. Земля випромінює лише довгохвильові (# 955; 8-14 # 956; ) Невидимі інфрачервоні (теплові) промені. Енергія, яку випромінює земною поверхнею, називається земною радіацією. Випромінювання Землі відбувається і. вдень і вночі. Інтенсивність випромінювання тим більше, чим вище температура випромінюючого тіла. Земне випромінювання визначається в тих же одиницях, що і сонячне, т. Е. В калоріях з 1 см 2 поверхні в 1 хв. Спостереження показали, що величина земного випромінювання невелика. Зазвичай вона досягає 15-18 сотих калорії. Але, діючи безперервно, вона може дати значний парниковий ефект.
Найбільш сильне земне випромінювання виходить при безхмарному небі і хорошою прозорості атмосфери. Хмарно з проясненнями (особливо низькі хмари) значно зменшує земне випромінювання і часто доводить його до нуля. Тут можна сказати, що атмосфера разом з хмарами є хорошим «ковдрою», що оберігає Землю від надмірного охолодження. Частини атмосфери подібно ділянках земної поверхні випромінюють енергію відповідно до їх температурою. Ця енергія зветься атмосферної радіації. Інтенсивність атмосферної радіації залежить від температури випромінюючого ділянки атмосфери, а також від кількості водяної пари і вуглекислого газу, що містяться в повітрі. Атмосферна радіація відноситься до трупи довгохвильової. Поширюється вона в атмосфері в усіх напрямках; деяка кількість її досягає земної поверхні і поглинається нею, інша частина йде в міжпланетний простір.
Про прихід і витрату енергії Сонця на Землі. Земна поверхня, з одного боку, отримує сонячну енергію у вигляді прямої і розсіяної радіації, а з іншого боку, втрачає частину цієї енергії у вигляді земної радіації. В результаті приходу і витрати сонячної 'енергії виходить якийсь результат. В одних випадках цей результат може бути позитивним, в інших негативним. Наведемо приклади того й іншого.
З наведених прикладів, крім усього іншого, абсолютно ясно, чому в помірних широтах взимку холодно, а влітку тепло.
Використання сонячної радіації для технічних і побутових цілей. Сонячна радіація є невичерпним природним джерелом енергії. Про величину сонячної енергії на Землі можна судити з такого прикладу: якщо, наприклад, використовувати тепло сонячної радіації, що падає тільки на 1/10 частину площі СРСР, то можна отримати енергію, рівну роботі 30 тис. ДніпроГЕС.
Люди здавна прагнули використовувати дармову енергію сонячної радіації для своїх потреб. До теперішнього часу створено багато різних геліотехнічних установок, що працюють на використанні сонячної радіації і отримали велике застосування в промисловості і для задоволення побутових потреб населення. У південних районах СРСР в промисловості і в комунальному господарстві на основі широкого використання сонячної радіації працюють сонячні водонагрівачі, кип'ятильники, опріснювачі солоної води, геліосушілкі (для сушки фруктів), кухні, лазні, теплиці, апарати для лікувальних цілей. Широко використовується сонячна радіація на курортах для лікування і зміцнення здоров'я людей.