Файл: Лабораторный практикум В. Ф. Говердовский, А. В. Дикинис.pdf

sin h@ =  sin (p sin 8® +  cos cp cos 8® cos /® ,

(5.4)

где 8® -  склонение С о л н ц а  в и с т и н н ы й  полдень д а н н ы х  суток. И з

(5.4) следует, что в и с т и н н ы й  полдень, когда t® =  0 °,

h® =  90° -  ф  +  8®. 

(5.5)

П о э т о м у  поток солнечной энергии и л и  и н со ля ци и (лат. insola- 

tio -  освещение) ч а щ е  определяется по  ф о р м у л е

Г  Л2

(5.6)

R z

г

Н а р я д у  с по ня т и е м  солнечной постоянной, в к л ю ч а ю щ е й  энер­

г и ю  всех д л и н  волн (ее н а з ы в а ю т  та кж е астрономической солнеч­

н о й  постоянной), существует понятие метеорологической солнеч­
н о й  постоянной, п р е д с т а в л я ю щ е й  собой поток солнечной радиа­
ц и и   на  верхней  границе  а т м о с ф е р ы   в  спектральном  интервале 
0,346-2,4 м к м  (она равна ~  1,25 кВт/м2): из спектра солнечной ра­

д и а ц и и  ис ключается та часть излучения, которая никогда не дос­

тигает т р о п о с ф е р ы  и  не оказывает влияния на ее тепловой режим.

Влияние  ат м осф еры .  Солнечная радиация,  п о с т у п а ю щ а я   на 

в е р х н ю ю  границу а т м о с ф е р ы  Земли, п р е ж д е  ч е м  до йт и до земной 
поверхности,  частично  поглощается  в  атмосфере,  а  частично  -  

рассеивается м о л е к у л а м и  воздуха и  с о д е р ж а щ и м и с я  в не й т в е р д ы ­

м и  и  ж и д к и м и  примесями.

А т м о с ф е р а  п о   с в о и м   свойствам весьма не од но ро дн а в п р о ­

странстве и  крайне из ме нч ив а во времени. О н а  постепенно пере­
ходит в м е ж п л а н е т н у ю  среду, по эт ом у верхняя граница ее доста­
точно неопределенна (условно  определяется на  высоте 3000 км, 
где плотность а т м о с ф е р ы  практически уравнивается с п л от но ст ью 
м е ж п л а н е т н о й  среды:  1 частица на  1  с м 3). Ч а щ е  всего ат мо сф ер у 
представляют как смесь газов, в которой в з в е ш е н ы  твердые и  ж и д ­
кие ч а с т и ц ы  вещества -  от тонкого аэрозоля д о  п л о т н ы х  облаков 

со вс ем и в о з м о ж н ы м и  п р о м е ж у т о ч н ы м и  стадиями. П о  о т н о ш е н и ю  
к потоку солнечной р а д и а ц и и  атмосфера фактически всегда пред­
ставляет собой м у т н у ю  среду. Э т о  связано не только с с о д е р ж а н и ­

е м  в н е й  б о л ь ш о г о  количества п р и м е с е й  -  в з в е ш е н н ы х  в воздухе 

тв е р д ы х  и  ж и д к и х  частиц р а з л и ч н ы х  размеров (пыль, д ы м ,  аэро­

золь, облака и  т. п.), н о  и  с н а л и ч и е м  м о л е к у л я р н ы х  ко мплексов

111

газов, в к о т о р ы х  м е н я ю т с я  число мо л е к у л  и  расстояния м е ж д у  н и ­

ми, определяя колебания плотности воздуха.

П о г л о щ е н и е   излучения  газами  квантовая  теория  объясняет 

как  извлечение  от де ль ны х квантов  энергии  из  потока ра ди ац ии 
молекулами, с о с т а в л я ю щ и м и  п о г л о щ а ю щ у ю  среду. Так, например, 
солнечная радиация, д о с т и г а ю щ а я  зе м н о й  поверхности, резко об­

рывается на  д л и н е  в о л н ы  0,3  м к м  (рис. 37), что объясняется п о ­

г л о щ е н и е м  ра ди а ц и и  озоном. О б щ а я  масса озона в атмосфере со­
ставляет около З - Ю 15 г, но  несмотря на такое н и ч т о ж н о е  количест­

во, этот газ играет б о л ь ш у ю  роль в те пл ов ом р е ж и м е  атмосферы, 
в создании о п т и м а л ь н ы х  условий для органической ж и з н и  на Земле.

Энергий  фотонов,  э8

Двина 

й о я н ы

Рис. ¥1. Проникновение электромагнитного излучения в атмосферу Земли

М а с с а  водяного пара в атмосфере больше, ч е м  других погло­

щ а ю щ и х  газов, по эт ом у на его д о л ю  приходится основная часть 
п о г л о щ е н н о й  лучистой энергии Солнца. В о  всей атмосфере о д н о ­
в р ем ен но  содержится  около  1,3-10 19  г  влаги,  что  эквивалентно 
с л о ю  о с а ж д е н н о й  в о д ы  в 2,5  см.  Прозрачность чистого  воздуха 
уб ывает с ув ел ич ен ие м оптической т о л щ и н ы   водяного пара: п р и  
ре ал ь н ы х  значениях со де рж ан ия (массы) водяного пара в столбе

*  Оптическая  толщина  -  величина,  обратная  оптической  массе,  ослабляющей 

поток в е раз. Оптическая масса атмосферы - это соотношение масс наклонного 
(определяемого расстоянием, проходимым солнечным лучом в земной атмосфе­
ре) и вертикального столбов с одним и тем же основанием 1 м2.

112

воздуха, через к о т о р ы й  п р ох од ит солнечное излучение, поток ра­

д и а ц и и  ослабляется за счет п о г л о щ е н и я  на 5-10 %.

В о д я н о й  пар бе сп ре ры вн о поступает в п р и з е м н ы й  слой ат мо­

с ф е р ы  за счет испарения с поверхности М и р о в о г о  океана, в л а ж ­

н ы х  поверхностей суши, растительного покрова. Благодаря турбу­
л е н т н о м у  п е р е м е ш и в а н и ю ,   которое происходит в  атмосфере,  он 
распределяется над всей зе м н о й  поверхностью, в от де ль ны х м е с ­
тах а т м о с ф е р ы  достигает состояния на сы ще ни я, в результате чего 

переходит в  ж и д к о е  и л и  твердое  состояние,  образуются ды м к и ,  

т у м а н ы  и  облака.

Отсутствие и л и  наличие облачности изменяет количественные 

характеристики  о с н о в н ы х   э ф фе кт ов  взаимодействия  излучения 

С о л н ц а  с атмосферой. В о  время конденсации водяного пара в ы д е ­

ляется тепло, которое нагревает о к р у ж а ю щ и й  воздух и  играет не­

м а л о в а ж н у ю  роль в те пл о в о м  р е ж и м е  атмосферы.

С о д е р ж а н и е  углекислого газа в воздухе значительно меньше, 

ч е м  со де рж ан ие водяного пара и  озона: его количество колеблется 

от 0,02 до  0,04 %. В а ж н у ю  роль в регулировании с о де рж ан ия угле­

кислого газа в атмосфере играет М и р о в о й  океан, п о г л о щ а я  его п р и  

п о в ы ш е н н о м  с о д е р ж а н и и  в атмосфере и  вы деляя п р и  п о н и ж е н н о м .

С о л н е ч н у ю   р а д и а ц и ю   п о г л о щ а ю т   а т м о с ф е р н ы е   п р и м е с и  

(пыль, например). П р и  с и л ь н о м  замутнении а т м о с ф е р ы  п о г л о щ е ­

ни е солнечной ра ди а ц и и  р а з л и ч н ы м и  п р и м е с я м и  м о ж е т  б ы т ь  зна­

чительным.

В  результате п о г л о щ е н и я  электромагнитное излучение пр ео б­

разуется  в  другие  в и д ы   энергии  (главным  образом,  в тепловую, 

а в верхних слоях а т м о с ф е р ы  в процессе ионизации также в элек­

трическую). Пр оц ес с п о г л о щ е н и я  солнечной ра ди ац ии в атмосфере 

носит селективный (лат. selectio -  выбор), избирательный характер.

П р и н я т о   считать,  что  п о г л о щ е н и е   в  атмосфере  пр оисходит 

раньше, ч е м  рассеяние, так как рассеиваемая энергия также п о ­
глощается.

С у щ н о с т ь  рассеяния заключается в особой ф о р м е  взаимодей­

ствия переменного поля п а д а ю щ е й  электромагнитной в о л н ы  с час­
тицей среды, благодаря к о т о р о м у  эта частица становится ис то чн и­
к о м  н о в ы х  эл ек тр ом аг ни тн ых волн -  рассеянной радиации. Ф и з и ­

113

ческие свойства ср ед ы и  р а с с е и в а ю щ и х  частиц о б ы ч н о  характери­
зуются к о м п л е к с н ы м  показателем преломления:

m

  =

  w ( l   +

  z ' x ) >  

( 5 . 7 )

где п -  а б с о л ю т н ы й  показатель преломления; % -  характеристика 

поглощения, связанная с показателем п о г л о щ е н и я  к с о о т н о ш е н и е м

4 п х  = кХ. 

(5.8)

Д р у г и м и  словами, рассеяние излучения в атмосфере, так ж е  

как и  его поглощение, зависит от д л и н ы  в о л н ы  X, и  пр оисходит 
вследствие разнонаправленного отражения его частицами воздуха 

(молекулами  газов,  це нт р а м и   ко нцентрации  аэрозолей  -   пыль, 

твердые ч а с т и ц ы  дыма, капли в о д ы  и  т. п.), а также облачностью.

Д л я  облаков, например, угловые характеристики рассеяния и  

отражения  зависят от совокупности  оптических  (показатели п о ­

глощения, рассеяния и  индикатриса рассеяния) и  геометрических 

(т ол щи на и  количество  облаков)  параметров.  Н е о б х о д и м о   от ме­

тить, что угловые характеристики отраженного от облаков солнеч­
ного излучения м а л о  исследованы.  О с н о в н ы е  трудности расчета 

индикатрис рассеяния связаны с о г р а н и ч е н н ы м  о б ъ е м о м  д а н н ы х  о 

вертикальных п р о ф и л я х  концентрации, микроструктуре и фа зо во м 

составе  о б л а ч н ы х   частиц,  в  особенности  для  облаков  верхнего 

яруса  и   вертикального  развития,  с о ст оя щи х  из  кристаллов  и л и  

смеси капель с кристаллами.

М о л е к у л а м и  газов  рассеивается коротковолновая часть  сол­

нечного  излучения  (по  закону  Релея,  поскольку размер  рассеи­
в а ю щ и х   частиц  значительно  м е н ь ш е   д л и н ы   в о л н ы   излучения), 
а аэрозолями рассеивается длинноволновая часть в и д и м о г о  (опти­

ческого) излучения (по закону Ми). В  о б ще м, ат мосферное рассея­

ние у м е н ь ш а е т  п р я м у ю  с о л н е ч н у ю  р а д и а ц и ю  и  п о в ы ш а е т  рассе­
янное, д и ф ф у з н о е  излучение атмосферы, и м е ю щ е е  ра зл ич ны е час­
то тн ые характеристики и  д а ж е  в ы з ы в а ю щ е е  свечение воздуха. И н ­
тенсивность рассеяния солнечного излучения, так ж е  как ин т е н ­

сивность его поглощения, возрастает с д л и н о й  пути луча в а т мо­

сфере.

О с н о в н ы е  ф о р м ы  взаимодействия солнечного излучения с ат­

м о с ф е р о й  в р а з л и ч н ы х  спектральных интервалах (табл. 5.1) опре­

114

д е л я ю т  по то ки у х о д я щ е г о  солнечного излучения на основе урав­

нения переноса ра ди а ц и и  с уч е т о м  многократного рассеяния п р и  
за да н н ы х  оптических характеристиках аэрозоля и  облачности. Э т о  
часто  ис по ль зу ют в р а з л и ч н ы х  математических мо де ля х п р и  ре­
ш е н и и  оп р е д е л е н н ы х  тематических задач.

Таблица 5.1

Формы взаимодействия солнечного излучения с атмосферой

Состояние

атмосферы

Спектральный интервал, мкм

0,25-0,4

(ультрафиолетовое

излучение)

0,4-0,75

(видимое

излучение)

0,75-4,0 

(ближнее инфра­

красное излучение)

Отсутствие
облачности

Релеевское

рассеяние,

поглощение

озоном

Релеевское 

и аэрозольное 

рассеяние, погло­

щение аэрозолем

Поглощение 

кислородом, водя­

ным паром, ослабле­

ние аэрозолем

Облачность

Релеевское 

рассеяние, 

поглощение 

озоном, рассеяние 

в облаках

Рассеяние 

в облаках, 

поглощение 

аэрозолем

Рассеяние в облаках, 

поглощение 

водяным паром 

и облачными 

частицами

Пр ак ти че ск и р е ш е н н о й   считается задача расчета ух од ящ ег о 

ультрафиолетового  излучения  для  безоблачной  атмосферы.  П р и  
расчетах  излучения,  рассеянного  и   п о г л о щ е н н о г о   а т м о с ф е р н ы м  

аэрозолем,  используются  м о д е л и   аэрозоля,  о б щ и м   недостатком 
к о т о р ы х  является малая статистическая обеспеченность. На и б о л е е  
по л н о   исследованы  оптические характеристики слоистообразной 

облачности н и ж н е г о  и  среднего ярусов, для которой п р е д л о ж е н а  

экспериментальная м о де ль  «среднего»  слоистообразного  облака, 
хотя эта мо де ль далеко не п о л н о с т ь ю  статистически обоснована.

Т а к и м   образом,  принято  считать,  что  атмосфера  прозрачна 

для лучистой энергии С о л н ц а  -  в и д и м о г о  света: л и ш ь  сравнитель­

н о  н е б о л ь ш а я  часть этого излучения поглощается и  рассеивается 
ею.  В   в и д и м о й   области  излучение  С о л н ц а   имеет  н е п р е р ы в н ы й  
спектр,  на   ф о н е   которого  заметно  м н о ж е с т в о   (десятки  тысяч!) 
т е м н ы х  (фраунгоферовых) л и н и й  п о г л о щ е н и я  -  это следствие ос­
лабления  солнечной  энергии  за  счет  п о г л о щ е н и я   а т м о с ф е р н ы м  

озоном, в о д я н ы м  паром, у г л е к и с л ы м  газом, к и с л о р о д о м  и  д р у г и м и  

х и м и ч е с к и м и  элементами.

115