Какие частицы составляют солнечное излучение. Структура и электромагнитное излучение солнца. Суммарная радиация: где недостача

Энергия Солнца является источником жизни на нашей планете. Солнце нагревает атмосферу и поверхность Земли. Благодаря солнечной энергии дуют ветры, осуществляется круговорот воды в природе, нагреваются моря и океаны, развиваются растения, животные имеют корм (см. рис.1.1). Именно благодаря солнечному излучению на Земле существуют ископаемые виды топлива.

Рисунок 1.1 – Влияние солнечного излучения на Землю

Солнечная энергия может быть преобразована в теплоту или холод, движущую силу и электричество. Основным источником энергии практически всех природных процессов, происходящих на поверхности Земли и в атмосфере, является энергия, поступающая на Землю от Солнца в виде солнечной радиации.

На рисунке 1.2 представлена классификационная схема, которая отражает процессы, возникающие на поверхности Земли и в ее атмосфере под действием солнечного излучения.

Результатами прямой солнечной деятельности являются тепловой эффект и фотоэффект, вследствие чего Земля получает тепловую энергию и свет. Результатами косвенной деятельности Солнца являются соответствующие эффекты в атмосфере, гидросфере и геосфере, служащие причиной появления ветра, волн, обуславливающие течение рек, создающие условия для сохранения внутреннего тепла Земли.

Рисунок 1.2 - Классификация возобновляемых источников энергии

Солнце представляет собой газовый шар радиусом 695300 км, в 109 раз больше радиуса Земли, с температурой излучающей поверхности около 6000°С. Внутри Солнца температура достигает 40 млн °С.

На рисунке 1.3 приведена схема строения Солнца. Солнце - гигантский "термоядерный реактор", работающий на водороде и ежесекундно путем плавления перерабатывающий 564 млн. тонн водорода в 560 млн. тонн гелия. Потеря четырех миллионов тонн массы равна 9:1-10 9 ГВтч энергии (1 ГВт равен 1 млн. кВт). За одну секунду энергии производится больше, чем шесть миллиардов АЭС смогли бы произвести за год. Благодаря защитной оболочке атмосферы только часть этой энергии достигает поверхности Земли.

Расстояние между центрами Земли и Солнца равно в среднем 1,496*10 8 км.

Ежегодно Солнце посылает к Земле около 1,610 18 кВтч лучистой энергии или 1,3*10 24 кал тепла. Это в 20 тыс. раз больше современного мирового энергопотребления. Вклад Солнца в энергетический баланс земного шара в 5000 раз превышает суммарный вклад всех других источников.

Такого количества тепла хватило бы, чтобы растопить слой льда толщиной 35 м, покрывающий земную поверхность при 0°С.

В сравнении с солнечной радиацией все остальные источники энергии, поступающей на Землю, ничтожно малы. Так, энергия звезд составляет одну стомиллионную часть солнечной энергии; космическое излучение - две миллиардные доли. Внутреннее тепло, поступающее из глубины Земли на ее поверхность составляет одну десятитысячную часть солнечной энергии.

Рисунок 1.3 – Схема строения Солнца

Таким образом. Солнце является фактически единственным источником тепловой энергии на Земле.

В центре Солнца находится солнечное ядро (см. рис. 1.4). Фотосфера - это видимая поверхность Солнца, которая и является основным источником излучения. Солнце окружает солнечная корона, которая имеет очень высокую температуру, однако она крайне разрежена, поэтому видима невооружённым глазом только в периоды полного солнечного затмения.

Видимая поверхность Солнца, излучающая радиацию называется фотосферой (сфера света). Она состоит из раскаленных паров различных химических элементов, находящихся в ионизированном состоянии.

Над фотосферой находится светящаяся практически прозрачная атмосфера Солнца, состоящая из разряженных газов, которая называется хромосферой.

Над хромосферой располагается внешняя оболочка Солнца, называемая короной.

Газы, образующие Солнце, находятся в состоянии непрерывного бурного (интенсивного) движения, что обусловливает появление так называемых солнечных пятен, факелов и протуберанцев.

Солнечные пятна представляют собой большие воронки, образовавшиеся в результате вихревых движений масс газа, скорость которых достигает 1-2 км/с. Температура пятен на 1500°С ниже температуры Солнца и составляет около 4500°С. Количество солнечных пятен изменяется из года в год с периодом около 11 лет.

Рисунок 1.4 - Строение Солнца

Солнечные факелы это выбросы солнечной энергии, а протуберанцы - колоссальной силы взрывы в хромосфере Солнца, достигающие высоты до 2 млн. км.

Наблюдения показали, что с увеличением количества солнечных пятен увеличивается количество факелов и протуберанцев и соответственно увеличивается солнечная активность.

С увеличением солнечной активности на Земле происходят магнитные бури, которые оказывают отрицательное воздействие на телефонную, телеграфную и радиосвязь, а также на условия жизнедеятельности. С этим же явлением связано увеличение полярных сияний.

Следует отметить, что в период увеличения солнечных пятен, интенсивность солнечной радиации сначала увеличивается, что связано с общим увеличением солнечной активности в начальный период, а затем солнечное излучение уменьшается, так как увеличивается площадь солнечных пятен, имеющих температуру на 1500° ниже температуры фотосферы.

Часть метеорологии, изучающая влияние солнечной радиациина Земле и в атмосфере, называется актинометрией.

При актинометрических работах необходимо знать положение Солнца на небесном своде. Это положение определяется высотой или азимутом Солнца.

Высотой Солнца he называется угловое расстояние от Солнца до горизонта, то есть угол между направлением на Солнце и плоскостью горизонта.

Угловое расстояние Солнца от зенита, то есть от его вертикального направления называется азимутом или зенитным расстоянием.

Между высотой и зенитным расстоянием существует соотношение

(1.1)

Азимут Солнца определяется редко, только для специальных paбот.

Высота Солнца над горизонтом определяется по формуле:

где - широта места наблюдений;

- склонение Солнца - это дуга круга склонений от экватора до Солнца, которая отсчитывается в зависимости от положения Солнца в обе стороны от экватора от 0 до ±90°;

t - часовой угол Солнца или истинное солнечное время в градусах.

Величина склонения Солнца на каждый день приводится в астрономических справочниках за многолетний период.

По формуле (1.2) можно вычислить для любого времени t высоту Солнца he или по заданной высоте hc определить время, когда Солнце бывает на данной высоте.

Максимальная высота Солнца в полдень для различных дней года вычисляется по формуле:

(1.3)

Земля получает от Солнца 1,36*10в24 кал тепла в год. По сравнению с этим количеством энергии остальной приход лучистой энергии на поверхность Земли ничтожно мал. Так, лучистая энергия звезд составляет одну стомиллионную долю солнечной энергии, космическое излучение - две миллиардные доли, внутреннее тепло Земли у ее поверхности равно одной пятитысячной доли солнечного тепла.
Излучение Солнца - солнечная радиация - является основным источником энергии почти всех процессов, происходящих в атмосфере, гидросфере и в верхних слоях литосферы.
За единицу измерения интенсивности солнечной радиации принимают количество калорий тепла, поглощенное 1 см2 абсолютно черной поверхности, перпендикулярной направлению солнечных лучей, за 1 минуту (кал/см2*мин).

Поток лучистой энергии Солнца, достигающий земной атмосферы, отличается большим постоянством. Его интенсивность называют солнечной постоянной (Io) и принимают в среднем равной 1,88 ккал/см2 мин.
Величина солнечной постоянной колеблется в зависимости от расстояния Земли от Солнца и от солнечной активности. Колебания ее в течение года составляют 3,4-3,5%.
Если бы солнечные лучи всюду падали на земную поверхность отвесно, то при отсутствии атмосферы и при солнечной постоянной 1,88 кал/см2*мин каждый квадратный сантиметр ее получал бы в год 1000 ккал. Благодаря тому что Земля шарообразна, это количество уменьшается в 4 раза, и 1 кв. см получает в среднем 250 ккал в год.
Количество солнечной радиации, получаемое поверхностью, зависит от угла падения лучей.
Максимальное количество радиации получает поверхность, перпендикулярная направлению солнечных лучей, потому что в этом случае вся энергия распределяется на площадку с сечением, равным сечению пучка лучей - а. При наклонном падении того же пучка лучей энергия распределяется на большую площадь (сечение в) и единица поверхности получает меньшее ее количество. Чем меньше угол падения лучей, тем меньше интенсивность солнечной радиации.
Зависимость интенсивности солнечной радиации от угла падения лучей выражается формулой:

I1 = I0 * sin h,

где I0 - интенсивность солнечной радиации при отвесном падении лучей. За пределами атмосферы - солнечная постоянная;
I1 - интенсивность солнечной радиации при падении солнечных лучей под углом h.
I1 во столько раз меньше I0, во сколько раз сечение а меньше сечения в.
На рисунке 27 видно, что a/b = sin А.
Угол падения солнечных лучей (высота Солнца) бывает равен 90° только на широтах от 23°27" с. до 23°27" ю. (т. е. между тропиками). На остальных широтах он всегда меньше 90° (табл. 8). Соответственно уменьшению угла падения лучей должна уменьшаться и интенсивность солнечной радиации, поступающей на поверхность на разных широтах. Так как в течение года и в течение суток высота Солнца не остается постоянной, количество солнечного тепла, получаемого поверхностью, непрерывно изменяется.

Количество солнечной радиации, полученное поверхностью, находится в прямой зависимости от продолжительности освещения ее солнечными лучами.

В экваториальной зоне вне атмосферы количество солнечного тепла в течение года не испытывает больших колебаний, тогда как в высоких широтах эти колебания очень велики (см. табл. 9). В зимний период различия в приходе солнечного тепла между высокими и низкими широтами особенно значительны. В летний период, в условиях непрерывного освещения, полярные районы получают максимальное на Земле количество солнечного тепла за сутки. В день летнего солнцестояния в северном полушарии оно на 36% превышает суточные суммы тепла на экваторе. Ho так как продолжительность дня на экваторе не 24 часа (как в это время на полюсе), а 12 часов, количество солнечной радиации на единицу времени на экваторе остается наибольшим. Летний максимум суточной суммы солнечного тепла, наблюдаемый около 40-50° широты, связан со сравнительно большой продолжительностью дня (большей, чем в это время на 10-20° широты) при значительной высоте Солнца. Различия в количестве тепла, получаемого экваториальными и полярными районами, летом меньше, чем зимой.
Южное полушарие летом получает больше тепла, чем северное, зимой - наоборот (влияет изменение расстояния Земли от Солнца). И если бы поверхность обоих полушарий была совершенно однородной, годовые амплитуды колебания температуры в южном полушарии были бы больше, чем в северном.
Солнечная радиация в атмосфере претерпевает количественные и качественные изменения.
Даже идеальная, сухая и чистая, атмосфера поглощает и рассеивает лучи, уменьшая интенсивность солнечной радиации. Ослабляющее влияние реальной атмосферы, содержащей водяные пары и твердые примеси, на солнечную радиацию значительно больше, чем идеальной. Атмосфера (кислород, озон, углекислый газ, пыль и водяной пар) поглощает главным образом ультрафиолетовые и инфракрасные лучи. Поглощенная атмосферой лучистая энергия Солнца переходит в другие виды энергии: тепловую, химическую и др. В общем поглощение ослабляет солнечную радиацию на 17-25%.
Молекулами газов атмосферы рассеиваются лучи с относительно короткими волнами - фиолетовые, синие. Именно этим объясняется голубой цвет неба. Примесями одинаково рассеиваются лучи с волнами различной длины. Поэтому при значительном их содержании небо приобретает белесоватый оттенок.
Благодаря рассеянию и отражению солнечных лучей атмосферой наблюдается дневное освещение в пасмурные дни, видны предметы в тени, возникает явление сумерек.
Чем длиннее путь луча в атмосфере, тем большую толщу ее он должен пройти и тем значительнее ослабляется солнечная радиация. Поэтому с поднятием влияние атмосферы на радиацию уменьшается. Длина пути солнечных лучей в атмосфере зависит от высоты Солнца. Если принять за единицу длину пути солнечного луча в атмосфере при высоте Солнца 90° (m), соотношение между высотой Солнца и длиной пути луча в атмосфере будет таким, как показано в табл. 10.

Общее ослабление радиации в атмосфере при любой высоте Солнца можно выразить формулой Буге: Im= I0*pm, где Im - измененная в атмосфере интенсивность солнечной радиации у земной поверхности; I0 - солнечная постоянная; m - путь луча в атмосфере; при высоте Солнца 90° он равен 1 (масса атмосферы), р - коэффициент прозрачности (дробное число, показывающее, какая доля радиации достигает поверхности при m=1).
При высоте Солнца 90°, при m=1, интенсивность солнечной радиации у земной поверхности I1 в р раз меньше, чем Io, т. е. I1=Io*p.
Если высота Солнца меньше 90°, то т всегда больше 1. Путь солнечного луча может состоять из кескольких отрезков, каждый из которых равен 1. Интенсивность солнечной радиации на границе между первым (aa1) и вторым (а1a2) отрезками I1 равна, очевидно, Io*р, интенсивность радиации после прохождения второго отрезка I2=I1*p=I0 р*р=I0 р2; I3=I0p3 к т. д.

Прозрачность атмосферы непостоянна и неодинакова в различных условиях. Отношение прозрачности реальной атмосферы к прозрачности идеальной атмосферы - фактор мутности - всегда больше единицы. Он зависит от содержания в воздухе водяного пара и пыли. С увеличением географической широты фактор мутности уменьшайся: на широтах от 0 до 20° с. ш. он равен в среднем 4,6, на широтах от 40 до 50° с. ш. - 3,5, на широтах от 50 до 60° с. ш. - 2,8 и на широтах от 60 до 80° с. ш. - 2,0. В умеренных широтах фактор мутности зимой меньше, чем летом, утром меньше, чем днем. С высотой он убывает. Чем больше фактор мутности, тем больше ослабление солнечной радиации.
Различают солнечную радиацию прямую, рассеянную и суммарную.
Часть солнечной радиации, которая проникает через атмосферу к земной поверхности, представляет собой прямую радиацию. Часть радиации, рассеивающаяся атмосферой, превращается в рассеянную радиацию. Вся солнечная радиация, поступающая на земную поверхность, прямая и рассеянная, называется суммарной радиацией.
Соотношение между прямой и рассеянной радиацией изменяется в значительных пределах в зависимости от облачности, запыленности атмосферы, а также от высоты Солнца. При ясном небе доля рассеянной радиации не превышает 0,1%, при облачном небе рассеянная радиация может быть больше прямой.
При малой высоте Солнца суммарная радиация почти полностью состоит из рассеянной. При высоте Солнца 50° и ясном небе доля рассеянной радиации не превышает 10-20%.
Карты средних годовых и месячных величин суммарной радиации позволяют заметить основные закономерности в ее географическом распределении. Годовые величины суммарной радиации распределяются в основном зонально. Наибольшее на Земле годовое количество суммарной радиации получает поверхность в тропических внутриконтинентальных пустынях (Восточная Сахара и центральная часть Аравии). Заметное снижение суммарной радиации на экваторе вызывается высокой влажностью воздуха и большой облачностью. В Арктике суммарная радиация составляет 60-70 ккал/см2 в год; в Антарктике вследствие частой повторяемости ясных дней и большей прозрачности атмосферы она несколько больше.

В июне наибольшие суммы радиации получает северное полушарие, и особенно внутриконтинентальные тропические и субтропические области. Суммы солнечной радиации, получаемые поверхностью в умеренных и полярных широтах северного полушария, отличаются мало вследствие главным образом большой продолжительности дня в полярных районах. Зональность в распределении суммарной радиации над. континентами в северном полушарии и в тропических широтах южного полушария почти не выражена. Лучше проявляется она в северном полушарии над Океаном и ясно выражена во внетропических широтах южного полушария. У южного полярного круга величина суммарной солнечной радиации приближается к 0.
В декабре наибольшие суммы радиации поступают в южное полушарие. Высоко лежащая ледяная поверхность Антарктиды при большой прозрачности воздуха получает значительно больше суммарной радиации, чем поверхность Арктики в июне. Много тепла в пустынях (Калахари, Большая Австралийская), но вследствие большей океаничности южного полушария (влияние высокой влажности воздуха и облачности) суммы его здесь несколько меньше, чем в июне в тех же широтах северного полушария. В экваториальных и тропических широтах северного полушария суммарная радиация изменяется сравнительно мало, и зональность в ее распределении выражена четко только к северу от северного тропика. С увеличением широты суммарная радиация довольно быстро уменьшается, ее нулевая изолиния проходит несколько севернее северного полярного круга.
Суммарная солнечная радиация, попадая на поверхность Земли, частично отражается обратно в атмосферу. Отношение количества радиации, отраженной от поверхности, к количеству радиации, падающей на эту поверхность, называется альбедо . Альбедо характеризует отражательную способность поверхности.
Альбедо земной поверхности зависит от ее состояния и свойств: цвета, влажности, шероховатости и пр. Наибольшей отражательной способностью обладает свежевыпавший снег (85-95%). Спокойная водная поверхность при отвесном падении на нее солнечных лучей отражает всего 2-5%, а при низком стоянии Солнца - почти все падающие на нее лучи (90%). Альбедо сухого чернозема - 14%, влажного - 8, леса - 10-20, луговой растительности - 18-30, поверхности песчаной пустыни - 29-35, поверхности морского льда - 30-40%.
Большое альбедо поверхности льда, особенно покрытого свежевыпавшим снегом (до 95%), - причина низких температур в полярных районах в летний период, когда приход солнечной радиации там значителен.
Излучение земной поверхности и атмосферы. Всякое тело, обладающее температурой выше абсолютного нуля (больше минус 273°), испускает лучистую энергию. Полная лучеиспускательная способность абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры (T):
Е = σ*Т4 ккал/см2 в мин (закон Стефана - Больцмана), где σ - постоянный коэффициент.
Чем выше температура излучающего тела, тем короче длина волн испускаемых нм лучей. Раскаленное Солнце посылает в пространство коротковолновую радиацию . Земная поверхность, поглощая коротковолновую солнечную радиацию, нагревается и также становится источником излучения (земной радиации). Ho так как температура земной поверхности не превышает нескольких десятков градусов, ее излучение длинноволновое, невидимое.
Земная радиация в значительной степени задерживается атмосферой (водяным паром, углекислым газом, озоном), но лучи с длиной волны 9-12 мк свободно уходят за пределы атмосферы, и поэтому Земля теряет часть тепла.
Атмосфера, поглощая часть проходящей через нее солнечной радиации и больше половины земной, сама излучает энергию и в мировое пространство, и к земной поверхности. Атмосферное излучение, направленное к земной поверхности навстречу земному, называется встречным излучением. Это излучение, как и земное, длинноволновое, невидимое.
В атмосфере встречаются два потока длинноволновой радиации - излучение поверхности Земли и излучение атмосферы. Разность между ними, определяющая фактическую потерю тепла земной поверхностью, называется эффективным излучением. Эффективное излучение тем больше, чем выше температура излучающей поверхности. Влажность воздуха уменьшает эффективное излучение, сильно снижают его облака.
Наибольшее значение годовых сумм эффективного излучения наблюдается в тропических пустынях - 80 ккал/см2 в год - благодаря высокой температуре поверхности, сухости воздуха и ясности неба. На экваторе, при большой влажности воздуха, эффективное излучение составляет всего около 30 ккал/см2 в год, причем величина его для суши и для Океана очень мало отличается. Наименьшее эффективное излучение в полярных районах. В умеренных широтах земная поверхность теряет примерно половину того количества тепла, которое она получает от поглощения суммарной радиации.
Способность атмосферы пропускать коротковолновое излучение Солнца (прямую и рассеянную радиацию) и задерживать длинноволновое излучение Земли называют оранжерейным (парниковым) эффектом. Благодаря оранжерейному эффекту средняя температура земной поверхности составляет +16°, при отсутствии атмосферы она была бы -22° (на 38° ниже).
Радиационный баланс (остаточная радиация). Земная поверхность одновременно получает радиацию и отдает ее. Приход радиации составляют суммарная солнечная радиация и встречное излучение атмосферы. Расход - отражение солнечных лучей от поверхности (альбедо) и собственное излучение земной поверхности. Разность между приходом и расходом радиации - радиационный баланс, или остаточная радиация. Величина радиационного баланса определяется уравнением

R = Q*(1-α) - I,

где Q - суммарная солнечная радиация, поступающая на единицу поверхности; α - альбедо (дробь); I - эффективное излучение.
Если приход больше расхода, радиационный баланс положительный, если приход меньше расхода, баланс отрицательный. Ночью на всех широтах радиационный баланс отрицательный, днем до полудня - положительный везде, кроме высоких широт зимой; после полудня - снова отрицательный. В среднем за сутки радиационный баланс может быть как положительным, так и отрицательным (табл. 11).

На карте годовых сумм радиационного баланса земной поверхности видно резкое изменение положения изолиний при переходе их с суши на Океан. Как правило, радиационный баланс поверхности Океана превышает радиационный баланс суши (влияние альбедо и эффективного излучения). Распределение радиационного баланса в общем зонально. На Океане в тропических широтах годовые величины радиационного баланса достигают 140 ккал/см2 (Аравийское море) и не превышают 30 ккал/см2 у границы плавучих льдов. Отклонения от зонального распределения радиационного баланса на Океане незначительны и вызываются распределением облачности.
На суше в экваториальных и тропических широтах годовые значения радиационного баланса изменяются от 60 до 90 ккал/см2 в зависимости от условий увлажнения. Наибольшие годовые суммы радиационного баланса отмечаются в тех районах, где альбедо и эффективное излучение сравнительно невелики (влажные тропические леса, саванны). Наименьшим их значение оказывается в очень влажных (большая облачность) и в очень сухих (большое эффективное излучение) районах. В умеренных и высоких широтах годовая величина радиационного баланса уменьшается с увеличением широты (влияние уменьшения суммарной радиации).
Годовые суммы радиационного баланса над центральными районами Антарктиды отрицательны (несколько калорий на 1 см2). В Арктике значения этих величин близки к нулю.
В июле радиационный баланс земной поверхности в значительной части южного полушария отрицательный. Линия нулевого баланса проходит между 40 и 50° ю. ш. Наивысшее значение величины радиационного баланса достигают на поверхности Океана в тропических широтах северного полушария и на поверхности некоторых внутренних морей, например Черного (14-16 ккал/см2 в мес.).
В январе линия нулевого баланса расположена между 40 и 50° с. ш. (над океанами она несколько поднимается к северу, над материками - спускается к югу). Значительная часть северного полушария имеет отрицательный радиационный баланс. Наибольшие величины радиационного баланса приурочены к тропическим широтам южного полушария.
В среднем за год радиационный баланс земной поверхности положителен. При этом температура поверхности не повышается, а остается приблизительно постоянной, что можно объяснить только непрерывным расходованием излишков тепла.
Радиационный баланс атмосферы складывается из поглощенной ею солнечной и земной радиации, с одной стороны, и атмосферного излучения - с другой. Он всегда отрицателен, так как атмосфера поглощает лишь незначительную часть солнечной радиации, а излучает почти столько же, сколько и поверхность.
Радиационный баланс поверхности и атмосферы вместе, как целого, для всей Земли за год равен в среднем нулю, но по широтам он может быть и положительным и отрицательным.
Следствием такого распределения радиационного баланса должен быть перенос тепла в направлении от экватора к полюсам.
Тепловой баланс. Радиационный баланс - важнейшая составляющая теплового баланса. Уравнение теплового баланса поверхности показывает, как преобразуется на земной поверхности поступающая энергия солнечной радиации:

где R - радиационный баланс; LE - затраты тепла на испарение (L - скрытая теплота парообразования, E - испарение);
P - турбулентный теплообмен между поверхностью и атмосферой;
А - теплообмен между поверхностью и нижележащими слоями почвогрунта или воды.
Радиационный баланс поверхности считается положительным, если радиация, поглощенная поверхностью, превышает потери тепла, и отрицательным, если она не восполняет их. Все остальные члены теплового баланса считаются положительными, если за их счет происходит потеря тепла поверхностью (если они соответствуют расходу тепла). Так как. все члены уравнения могут изменяться, тепловой баланс все время нарушается и снова восстанавливается.
Рассмотренное выше уравнение теплового баланса поверхности приближенное, так как в нем не учтены некоторые второстепенные, но в конкретных условиях приобретающие важное значение факторы, например выделение тепла при замерзании, его расход на таяние и др.
Тепловой баланс атмосферы складывается из радиационного баланса атмосферы Ra, тепла, поступающего от поверхности, Pа, тепла, выделяющегося в атмосфере при конденсации, LE, и горизонтального переноса тепла (адвекции) Aа. Радиационный баланс атмосферы всегда отрицателен. Приток тепла в результате конденсации влаги и величины турбулентного теплообмена - положительны. Адвекция тепла приводит в среднем за год к переносу его из низких широт в высокие: таким образом, она означает расход тепла в низких широтах и приход в высоких. В многолетнем выводе тепловой баланс атмосферы можно выразить уравнением Ra=Pa+LE.
Тепловой баланс поверхности и атмосферы вместе, как целого, в многолетнем среднем равен 0 (рис. 35).

За 100% принята величина солнечной радиации, поступающей к атмосфере за год (250 ккал/см2). Солнечная радиация, проникая в атмосферу, частично отражается от облаков и уходит обратно за пределы атмосферы - 38%, частично поглощается атмосферой - 14% и частично в виде прямой солнечной радиации достигает земной поверхности - 48%. Из 48%, дошедших до поверхности, 44% ею поглощаются, а 4% отражаются. Таким образом, альбедо Земли составляет 42% (38+4).
Поглощенная земной поверхностью радиация расходуется следующим образом: 20% теряются через эффективное излучение, 18% затрачиваются на испарение с поверхности, 6% - на нагревание воздуха при турбулентном теплообмене (итого 24%). Расход тепла поверхностью уравновешивает его приход. Тепло, полученное атмосферой (14% непосредственно от Солнца, 24% от земной поверхности), вместе с эффективным излучением Земли направляется в мировое пространство. Альбедо Земли (42%) и излучение (58%) уравновешивают поступление солнечной радиации к атмосфере.

Протуберанец на поверхности

Излучение Солнца, которое известно как солнечный свет, представляет собой смесь электромагнитных волн, от инфракрасных (ИК) до ультрафиолетовых лучей (UV). Оно включает в себя видимый свет, который находится между ИК и УФ в электромагнитном спектре.

Скорость распространения электромагнитных волн

Все электромагнитные волны (ЭМ) распространяются со скоростью приблизительно 3,0х10*8 м/с в вакууме. Пространство не является идеальным вакуумом, оно, на самом деле, содержит частицы в низкой концентрации, электромагнитные волны, нейтрино и магнитные поля. Поскольку, среднее расстояние между Землей и Солнцем более 149,6 млн. км, то требуется около 8 минут, чтобы излучение добралось до Земли. Солнце светит не только в ИК, видимом и УФ диапазоне. В основном, оно выделяет гамма-лучи высокой энергии.

Однако, фотоны гамма-излучения проходят длинный путь до поверхности, они постоянно поглощаются солнечной плазмой и повторно излучаются с изменением своей частоты.

К тому времени, как они добираются до поверхности, фотоны гамма лучей представляют собой ИК, видимый и УФ спектры. Инфракрасное излучение это тепло которое мы ощущаем. Без него и видимого света, жизнь на Земле была бы невозможна. Во время солнечных вспышек, оно также испускает рентгеновские лучи. Когда электромагнитное излучение Солнца достигает атмосферы Земли, часть его поглощается, в то время, как остальное долетает до поверхности Земли.

В частности, УФ излучение поглощается озоновым слоем и повторно излучается в виде тепла, что приводит к нагреву стратосферы.

Дажьбог у славян, Апполон у древних греков, Митра у индоиранцев, Амон Ра у древних египтян, Тонатиу у ацтеков – этими именами в древнем пантеизме люди называли Бога-Солнце.

С древних времен люди понимали, какое большое значение для жизни на Земле имеет Солнце, и обожествляли его.

Светимость Солнца огромная и составляет 3,85х10 23 кВт. Солнечная энергия, воздействующая на площадь всего в 1 м 2 способна зарядить двигатель в 1,4 кВт.

Источником энергии является термоядерная реакция, проходящая в ядре звезды.

Образующийся при этом 4 He составляет, без малого (0,01%) весь гелий земли.

Звезда нашей системы испускает электромагнитное и корпускулярное излучение. С внешней стороны короны Солнца в космическое пространство «дует» солнечный ветер, состоящий из протонов, электронов и α-частиц. С солнечным ветром теряется ежегодно 2-3х10 -14 массы светила. С корпускулярным излучением связаны магнитные бури и полярное сияние.

Электромагнитное излучение (солнечная радиация) достигает поверхности нашей планеты в виде прямых и рассеянных лучей. Спектральный диапазон его составляют:

ультрафиолетовое излучение;
рентгеновские лучи;
γ-лучи.

На коротковолновую часть приходится всего 7% энергии. Видимый свет составляет 48% энергии радиации Солнца. В основном он составлен сине-зеленым спектром излучения, 45% составляет инфракрасное излучение и только незначительная часть представлена радиоизлучением.

Ультрафиолетовое излучение, в зависимости от длины волны, подразделяют на:

Большая часть ультрафиолетового излучения с большой длиной волны достигает поверхности земли. Количества дошедшей до поверхности планеты УФ-В энергии зависит от состояния озонового слоя. УФ-С почти полностью поглощается озоновым слоем и газами атмосферы. Еще в 1994 г. ВОЗ и ВМО предложили ввести индекс ультрафиолета (UV, Вт/м 2).

Видимая часть света и не поглощается атмосферой, но волны некоторого спектра рассеиваются. Инфракрасный цвет или тепловая энергия в средневолновом диапазоне, в основном, поглощается водяным паром и углекислым газом. Источником длинноволнового спектра является земная поверхность.

Все перечисленные выше диапазоны имеют огромное значение для жизни на Земле. Значительная часть солнечной радиации не попадает на поверхность Земли. У поверхности планеты регистрируется следующие виды излучения:

1% ультрафиолетового;
40% оптического;
59% инфракрасного.

Виды излучений

Интенсивность солнечной радиации зависит от:

широты;
сезона;
времени суток;
состояния атмосферы;
особенностей и рельефа земной поверхности.

В разных точках Земли солнечная радиация по-разному влияет на живые организмы.

Фотобиологические процессы, протекающие под действием энергии света, в зависимости от их роли, можно подразделить на следующие группы:

синтез биологически активных веществ (фотосинтез);
фотобиологические процессы, помогающие ориентироваться в пространстве и помогающие получить информацию (фототаксис, зрение, фотопериодизм);
повреждающее воздействие (мутации, канцерогенные процессы, деструктивное воздействие на биоактивные вещества).

Расчет инсоляции

Световое излучение оказывает стимулирующий эффект на фотобиологические процессы в организме – синтез витаминов, пигментов, клеточная фотостимуляция. В настоящее время изучается сенсибилизирующее влияние солнечного света.

Ультрафиолетовое излучение, воздействуя на кожные покровы человеческого тела, стимулирует синтез витаминов D, В4 и белков, являющихся регуляторами многих физиологических процессов. Ультрафиолетовое излучение оказывает воздействие на:

обменные процессы;
иммунную систему;
нервную систему;
эндокринную систему.

Сенсибилизирующее влияние ультрафиолета зависит от длины волны:

Стимулирующее действие солнечных лучей выражается в повышении специфического и неспецифического иммунитета. Так, например, у детей, которые подвергаются умеренному природному УФ облучению, количество простудных заболеваний снижается на 1/3. При этом эффективность лечения повышается, отсутствуют осложнения, сокращается период заболевания.

Бактерицидные свойства коротковолнового спектра УФ излучения применяются в медицине, пищевой промышленности, фармацевтическом производстве для обеззараживания сред, воздуха и продукции. Ультрафиолетовое излучение уничтожает туберкулезную палочку в течение нескольких минут, стафилококк – за 25 минут, а возбудителя брюшного тифа – за 60 мин.

Неспецифический иммунитет, в ответ на ультрафиолетовое облучение, отвечает увеличением титров комплимента и агглютинации, повышением активности фагоцитов. Но повышенное УФ-облучение вызывает патологические изменения в организме:

рак кожи;
солнечную эритему;
повреждение иммунной системы, которое выражается в появлении веснушек, невусов, солнечных лентиго.

Видимая часть солнечного света:

дает возможность получения 80% информации с помощью зрительного анализатора;
ускоряет обменные процессы;
улучшает настроение и общее самочувствие;
согревает;
влияет на состояние ЦНС;
определяет суточные ритмы.

Степень воздействия инфракрасного излучения зависит от длины волны:

длинноволновое – обладает слабой проникающей способностью и в значительной степени поглощается поверхностью кожи, вызывая эритему;
коротковолновое – проникает вглубь организма, оказывая сосудорасширяющее действие, болеутоляющее, противовоспалительное.

Кроме воздействия на живые организмы, солнечная радиация имеет большое значение в формировании климата Земли.

Значение солнечной радиации для климата

Солнце является главным источником тепла, формирующим земной климат. На ранних этапах развития Земли Солнце излучало на 30% меньше тепла, чем сейчас. Но благодаря насыщению атмосферы газами и вулканической пылью климат на Земле был влажный и теплый.

В интенсивности инсоляции отмечается цикличность, которая обуславливает потепление и похолодание климата. Цикличностью объясняется малый ледниковый период, наступивший в XIV-XIX вв. и потепление климата, наблюдавшееся в период 1900-1950 гг.

В истории планеты отмечается периодичность изменения наклона оси и экстреситет орбиты, что изменяет перераспределение солнечной радиации на поверхности и влияет на климат. Так, например, эти изменения отражаются на увеличении и уменьшении площади пустыни Сахары.

Межледниковые периоды длятся около 10000 лет. Сейчас Земля находится в межледниковом периоде, который называется гелиоценом. Благодаря ранней сельскохозяйственной деятельности человека этот период длиться дольше, чем рассчитано.

Учеными описаны 35-45 летние циклы изменения климата, во время которых сухой и теплый климат меняется на прохладный и влажный. Они влияют на наполнение внутренних водоемов, уровень Мирового океана, изменение оледенения в Арктике.

Солнечная радиация по-разному распределяется. Так, например, в средних широтах в период с 1984 по 2008 год отмечалось увеличение суммарной и прямой солнечной радиации и уменьшение рассеянной. Изменение интенсивности отмечается и в течение года. Так, пик приходится на май-август, а минимум – на зимний период.

Так как высота Солнца и продолжительность светового дня в летнее время больше, то на этот период приходится до 50% суммарной годовой радиации. А в период с ноября по февраль – всего 5%.

Количество солнечной радиации, попадающей на определенную поверхность Земли, влияет на важные климатические показатели:

температуру;
влажность;
атмосферное давление;
облачность;
осадки;
скорость ветра.

Увеличение солнечной радиации увеличивает температуру и атмосферное давление, остальные характеристики находятся в обратном отношении. Ученые выяснили, что наибольшее влияние на климат оказывают уровни суммарной и прямой радиации Солнца.

Меры защиты от солнечного излучения

Сенсибилизирующее и повреждающее воздействие на человека солнечная радиация проявляет в виде теплового и солнечного удара, негативного воздействия излучения на кожу. Сейчас большое количество знаменитостей присоединились к движению против загара.

Анжелина Джоли, например, говорит, что ради двух недель загара она не хочет жертвовать несколькими годами жизни.

Чтобы защититься от солнечной радиации, необходимо:

загорать в утренние и вечерние часы – самое безопасное время;
пользоваться солнцезащитными очками;
в период активного солнца:

покрывать голову и открытые участки тела;
использовать солнцезащитный крем с УФ-фильтром;
приобрести специальную одежду;
защищать себя с помощью широкополой шляпы или зонта от солнца;
соблюдать питьевой режим;
избегать интенсивных физических нагрузок.

При разумном использовании, солнечная радиация оказывает благотворное влияние на организм человека.

Солнечной радиацией называется поток лучистой энергии солнца, идущей к поверхности земного шара. Лучистая энергия солнца является первичным источником других видов энергии. Поглощаясь поверхностью земли и водой, она превращается в тепловую энергию, а в зеленых растениях - в химическую энергию органических соединений. Солнечная радиация - важнейший фактор климата и основная причина изменений погоды, так как различные явления, совершающиеся в атмосфере, связаны с тепловой энергией, получаемой от солнца.

Солнечная радиация, или лучистая энергия, по своей природе представляет собой поток электромагнитных колебаний, распространяющихся прямолинейно со скоростью 300000 км/сек с длиной волны от 280 нм до 30000 нм. Лучистая энергия испускается в виде отдельных частиц, называемых квантами, или фотонами. Для измерения длины световых волн пользуются нанометрами (нм), или микронами, миллимикронами (0,001 микрона) и анстремами (0,1 миллимикрона). Различают инфракрасные невидимые тепловые лучи с длиной волны от 760 до 2300 нм; световые видимые лучи (красные, оранжевые, желтые, зеленые, голубые, синие и фиолетовые) с длиной волны от 400 (фиолетовые) до 759 нм (красные); ультрафиолетовые, или химические невидимые, лучи с длиной волны от 280 до 390 нм. Лучи с длиной волны меньше 280 миллимикрон до поверхности земли не доходят, вследствие поглощения их озоном в высоких слоях атмосферы.

На грани атмосферы спектральный состав солнечных лучей в процентах такой: инфракрасные лучи 43%, световые 52 и ультрафиолетовые 5%. У земной поверхности при высоте стояния солнца 40° солнечная радиация имеет (по Н. П. Калитину) следующий состав: инфракрасные лучи 59%, световые 40 и ультрафиолетовые 1% всей энергии. Напряжение солнечной радиации увеличивается с высотой над уровнем моря, а также тогда, когда солнечные лучи падают вертикально, так как лучам приходится проходить меньшую толщу атмосферы. В других случаях поверхность будет получать солнечных лучей тем меньше, чем ниже солнце, или в зависимости от угла падения лучей. Напряжение солнечной радиации понижается вследствие облачности, загрязнения атмосферного воздуха пылью, дымом и пр.

Причем в первую очередь происходит потеря (поглощение) коротковолновых лучей, а затем тепловых и световых. Лучистая энергия солнца - источник жизни на земле растительных и животных организмов и важнейший фактор окружающей воздушной среды. Она оказывает разнообразное влияние на организм, которое при оптимальном дозировании бывает весьма положительным, а при чрезмерном (передозировке) может быть отрицательным. Все лучи обладают как тепловым, так и химическим действием. Причем у лучей с большой длиной волн на первый план выступает тепловое действие, а с меньшей длиной - химическое.

Биологическое действие лучей на организм животного зависит от длины волны и их амплитуды: чем короче волны, тем чаще их колебания, тем больше энергия квант и тем сильнее реакция организма на такое облучение. Коротковолновые, ультрафиолетовые лучи при воздействии на ткани вызывают в них явления фотоэлектрического эффекта с появлением в атомах отщепленных электронов и положительных ионов. Глубина проникновения разных лучей в тело неодинакова: инфракрасные и красные лучи проникают на несколько сантиметров, видимые (световые) - на несколько миллиметров, а ультрафиолетовые - только на 0,7-0,9 мм; лучи короче 300 миллимикрон проникают в ткани животных на глубину до 2 миллимикрон. При такой незначительной глубине проникновения лучей последние оказывают многообразное и значительное влияние на весь организм.

Солнечная радиация - весьма биологически активный и постоянно действующий фактор, имеющий огромное значение в формировании целого ряда функций организма. Так, например, через посредство глаза видимые световые лучи оказывают влияние на весь организм животных, вызывая безусловные и условно-рефлекторные реакции. Инфракрасные тепловые лучи оказывают свое влияние на организм как непосредственно, так и через окружающие животных предметы. Тело животных непрерывно поглощает и само излучает инфракрасные лучи (радиационный обмен), и этот процесс может значительно изменяться в зависимости от температуры кожи животных и окружающих предметов. Ультрафиолетовые химические лучи, кванты которых имеют значительно большую энергию, чем кванты видимых и инфракрасных лучей, отличаются наибольшей биологической активностью, действуют на организм животных гуморальным и нервнорефлекторным путями. Уф-лучи прежде всего действуют на экстерорецепторы кожи, а затем рефлекторно влияют на внутренние органы, в частности на эндокринные железы.

Продолжительное воздействие оптимальных доз лучистой энергии приводит к адаптации кожи, к меньшей реактивности ее. Под влиянием солнечных лучей усиливаются рост волос, функция потовых и сальных желез, утолщается роговой слой и уплотняется эпидермис, что ведет к повышению сопротивляемости кожи организма. В коже происходит образование биологически активных веществ (гистамина и гистамино-подобных веществ), которые поступают в кровь. Эти же лучи ускоряют регенерацию клеток при заживлении ран и язв на коже. Под действием лучистой энергии, особенно ультрафиолетовых лучей, в базальном слое кожи образуется пигмент меланин, понижающий чувствительность кожи к ультрафиолетовым лучам. Пигмент (загар) представляет собой как бы биологический экран, способствующий отражению и рассеиванию лучей.

Положительное действие солнечных лучей сказывается на крови. Систематическое умеренное воздействие их значительно усиливает кроветворение с одновременным увеличением в периферической крови количества эритроцитов и содержания гемоглобина. У животных после кровопотерь или переболевших тяжелыми болезнями, особенно инфекционными, умеренные облучения солнечными лучами стимулируют регенерацию крови и повышают ее свертываемость. От умеренного воздействия солнечных лучей у животных увеличивается газообмен. Возрастает глубина и уменьшается частота дыхания, увеличивается количество вводимого кислорода, больше выделяется углекислоты и водяных паров, в связи с чем улучшается кислородное питание тканей и повышаются окислительные процессы.

Увеличение белкового обмена выражается повышенным отложением азота в тканях, в результате чего прирост у молодых животных идет быстрее. Чрезмерное солнечное облучение может вызвать отрицательный белковый баланс, особенно у животных, страдающих острыми инфекционными болезнями, а также другими заболеваниями, сопровождающимися повышенной температурой тела. Облучение ведет к повышенному отложению сахара в печени и мышцах в виде гликогена. В крови резко снижается количество недоокисленных продуктов (ацетоновых тел, молочной кислоты и др.), повышается образование ацетилхолина и нормализуется обмен веществ, что имеет особо важное значение для высокопродуктивных животных.

У истощенных животных замедляется интенсивность жирового обмена и повышается отложение жира. Интенсивное освещение у ожиревших животных, наоборот, повышает жировой обмен и вызывает усиленное сгорание жира. Поэтому — полусальный и сальный откорм животных целесообразно проводить в условиях меньшего солнечного облучения.

Под влиянием ультрафиолетовых лучей солнечной радиации находящиеся в кормовых растениях эргостерин и в коже животных дегидрохолестерин превращаются в активные витамины D 2 и D 3 , которые усиливают фосфорно-кальциевый обмен; отрицательный баланс кальция и фосфора переходит в положительный, что способствует отложению этих солей в костях. Солнечный свет и искусственное облучение ультрафиолетовыми лучами - один из действенных современных методов профилактики и лечения рахита и других заболеваний животных, связанных с нарушением обмена кальция и фосфора.

Солнечная радиация, особенно световые и ультрафиолетовые лучи, является основным фактором, вызывающим у животных сезонную половую периодичность, так как свет стимулирует гонадотропную функцию гипофиза и других органов. Весной, в период увеличения напряженности солнечной радиации и световой экспозиции, секреция половых желез, как правило, у большинства видов животных усиливается. Увеличение половой активности у верблюдов, овец и коз наблюдается с укорочением продолжительности светового дня. Если овец в апреле-июне содержать в затемненных помещениях, то течка у них наступит не осенью (как обычно), а в мае. Недостаток света у растущих животных (в период роста и полового созревания), по данным К. В. Свечина, приводит к глубоким, часто необратимым качественным изменениям в половых железах, а у взрослых животных снижает половую активность и оплодотворяемость или вызывает временное бесплодие.

Видимый свет или степень освещенности оказывает значительное влияние на развитие яйцеклеток, течку, продолжительность случного сезона и беременности. В северном полушарии случной сезон бывает обычно коротким, а в южном наиболее продолжительным. Под влиянием искусственного освещения животных сокращается у них продолжительность беременности от нескольких дней до двух недель. Влияние видимых световых лучей на половые железы может быть широко использовано в практике. Опытами, проведенными в лаборатории зоогигиены ВИЭВ, доказано, что освещенность помещений по геометрическому коэффициенту 1: 10 (по КЕО, 1,2-2%) по сравнению с освещенностью 1: 15-1: 20 и ниже (по КЕО, 0,2-0,5%) положительно отражается на клинико-физиологическом состоянии супоросных свиноматок и поросят до 4-месячного возраста, обеспечивает получение крепкого и жизнеспособного потомства. Повышаются привесы поросят на 6% и сохранность их на 10-23,9%.

Солнечные лучи, особенно ультрафиолетовые, фиолетовые и синие, убивают или ослабляют жизнеспособность многих патогенных микроорганизмов, задерживают их размножение. Таким образом, солнечная радиация является мощным естественным дезинфектором внешней среды. Под воздействием солнечных лучей повышается общий тонус организма и сопротивляемость его к инфекционным заболеваниям, а также возрастают специфические иммунные реакции (П. Д. Комаров, А. П. Онегов и др.). Доказано, что умеренное облучение животных при вакцинации способствует повышению титра и других иммунных тел, росту фагоцитарного показателя, и, наоборот, интенсивное облучение понижает иммунные свойства крови.

Из всего сказанного следует, что недостаток солнечной радиации необходимо рассматривать как весьма неблагоприятное внешнее условие для животных, при котором они лишаются важнейшего активатора физиологических процессов. Учитывая это, животных нужно размещать в достаточно светлых помещениях, регулярно предоставлять им моцион, а летом содержать на пастбище.

Нормирование естественного освещения в помещениях производится по геометрическому или светотехническому методам. В практике строительства животноводческих и птицеводческих помещений в основном применяют геометрический метод, по которому нормы естественного освещения определяют отношением площади окон (стекла без рам) к площади пола. Однако, несмотря на простоту геометрического метода, нормы освещенности при помощи его устанавливаются не точно, так как в данном случае не принимают во внимание свето-климатические особенности разных географических зон. Для более точного определения освещенности в помещениях пользуются светотехническим методом, или определением коэффициента естественной освещенности (КЕО). Коэффициентом естественной освещенности называется отношение освещенности помещения (измеряемой точки) к наружной освещенности в горизонтальной плоскости. КЕО выводится по формуле:

K = E:E н ⋅100%

Где К - коэффициент естественного освещения; Е - освещенность в помещении (в люксах); Е н - освещенность вне помещения (в люксах).

Необходимо иметь в виду, что неумеренное пользование солнечной радиацией, особенно в дни с высокой инсоляцией, может причинить животным значительный вред, в частности вызвать ожог, заболевание глаз, солнечный удар и пр. Чувствительность к воздействию солнечных лучей значительно повышается от введения в организм так называемых сенсибилизаторов (гематопорфирина, желчных пигментов, хлорофилла, эозина, метиленовой синьки и др.). Считают, что эти вещества аккумулируют коротковолновые лучи и превращают их в длинноволновые с поглощением части освобожденной тканями энергии, вследствие чего увеличивается реактивность тканей.

Солнечный ожог у животных чаще наблюдают на участках тела с нежной, мало покрытой волосами, непигментированной кожей в результате воздействия тепловых (солнечная эритема) и ультрафиолетовых лучей (фотохимическое воспаление кожи). У лошадей солнечные ожоги отмечают на непигментированных местах кожи головы, губ, ноздрей, шеи, паха и конечностей, а у крупного рогатого скота на коже сосков вымени и промежности. В южных районах возможны солнечные ожоги у свиней белой масти.

Сильный солнечный свет может вызвать раздражение сетчатки, роговой и сосудистых оболочек глаза и повреждение хрусталика. При продолжительной и интенсивной радиации возникают кератиты, помутнение хрусталика и нарушение аккомодации зрения. Нарушение аккомодации чаще наблюдают у лошадей, если их содержат в конюшнях с низкими окнами, обращенными на южную сторону, против которых привязывают лошадей.

Солнечный удар возникает в результате сильного и продолжительного перегревания головного мозга преимущественно тепловыми инфракрасными лучами. Последние проникают через кожу головы и черепную коробку, достигают мозга и вызывают гиперемию и повышение температуры его. Вследствие этого у животного сначала появляется угнетение, а затем возбуждение, нарушаются дыхательный и сосудодвигательный центры. Отмечают слабость, некоординированные движения, одышку, учащенный пульс, гиперемию и цианоз слизистых оболочек, дрожь и судороги. Животное не держится на ногах, падает на землю; тяжелые случаи нередко заканчиваются смертью животного при явлениях паралича сердца или дыхательного центра. Солнечный удар особенно тяжело протекает, если он сочетается с тепловым ударом.

Для защиты животных от действия прямых солнечных лучей необходимо держать их в наиболее жаркие часы дня в тени. Чтобы предупредить солнечный удар, в частности у рабочих лошадей, им надевают белые парусиновые налобники.