خانه » حیاط و باغچه » تعادل تشعشعی زمین و روشنایی سطح دریا. چه مقدار از نور خورشید توسط سطح زمین جذب می شود چه مقدار از انرژی خورشید به زمین می رسد

تعادل تشعشعی زمین و روشنایی سطح دریا. چه مقدار از نور خورشید توسط سطح زمین جذب می شود چه مقدار از انرژی خورشید به زمین می رسد

برای تعیین عوامل اصلی و فرعی موثر بر کارایی ذخیره انرژی خورشیدی توسط یک حوضچه نمک خورشیدی، ماژول پایه تعدادی از سیستم ها و تاسیسات منابع انرژی تجدیدپذیر (RES)، به شکل 1 می پردازیم - که موازی و متوالی را نشان می دهد. پیشروی گرمای خورشید به آب نمک داغ حوضچه نمک خورشیدی. و همچنین تغییرات مداوم در مقادیر انواع مختلف تابش خورشیدی و ارزش کل آنها در طول مسیر.

شکل 1- هیستوگرام تغییرات شدت تابش خورشیدی (انرژی) در مسیر رسیدن به آب نمک داغ حوضچه نمک خورشیدی.

برای ارزیابی اثربخشی استفاده فعال از انواع مختلف تابش خورشیدی، تعیین خواهیم کرد که کدام یک از عوامل طبیعی، فنی و عملیاتی تأثیر مثبت و کدام منفی بر غلظت (افزایش جریان) تابش خورشیدی در حوضچه دارد و تجمع آن با آب نمک داغ

زمین و جو از خورشید 1.3∙1024 کالری در سال دریافت می کنند. با شدت اندازه گیری می شود، یعنی. مقدار انرژی تابشی (به کالری) که از خورشید در واحد زمان به سطح عمود بر پرتوهای خورشید می رسد.

انرژی تابشی خورشید به صورت تابش مستقیم و پراکنده به زمین می رسد، یعنی. جمع. جذب سطح زمین می شود و به طور کامل به گرما تبدیل نمی شود، بخشی از آن به صورت تابش بازتابیده از بین می رود.

تابش مستقیم و پراکنده (کل)، بازتابیده و جذب شده متعلق به بخش موج کوتاه طیف است. همراه با تابش موج کوتاه، تشعشعات موج بلند جو (تابش ضد) وارد سطح زمین می شود و به نوبه خود سطح زمین تابش موج بلند (خود تابش) ساطع می کند.

تابش مستقیم خورشید به عامل طبیعی اصلی در تامین انرژی به سطح آب یک حوضچه نمک خورشیدی اشاره دارد. تابش خورشیدی که به صورت پرتویی از پرتوهای موازی که مستقیماً از قرص خورشیدی به سطح فعال می رسد، تابش مستقیم خورشید نامیده می شود. تابش مستقیم خورشید متعلق به قسمت موج کوتاه طیف است (با طول موج 0.17 تا 4 میکرون، در واقع پرتوهایی با طول موج 0.29 میکرون به سطح زمین می رسند)

طیف خورشیدی را می توان به سه حوزه اصلی تقسیم کرد:

تابش فرابنفش (- تشعشع مرئی (0.4 میکرومتر) - تابش مادون قرمز (> 0.7 میکرومتر) - شدت 46٪. به طوری که تنها بخش کوچکی از این محدوده از انرژی خورشیدی به سطح زمین می رسد.

مادون قرمز دور (>12 میکرومتر) تابش خورشیدی به سختی به زمین می رسد.

از نقطه نظر استفاده از انرژی خورشیدی در زمین، فقط تابش در محدوده طول موج 0.29 - 2.5 میکرومتر باید در نظر گرفته شود / بیشتر انرژی خورشیدی خارج از جو در محدوده طول موج 0.2 - 4 میکرومتر می افتد. و در سطح زمین - در محدوده 0.29 - 2.5 میکرومتر.

بیایید ببینیم که به‌طور کلی، جریان‌های انرژی که خورشید به زمین می‌دهد چگونه دوباره توزیع می‌شوند. بیایید 100 واحد دلخواه انرژی خورشیدی (1.36 کیلووات بر مترمربع) را که بر روی زمین می افتند، در نظر بگیریم و مسیر آنها را در جو ردیابی کنیم. یک درصد (13.6 W/m2)، فرابنفش کوتاه طیف خورشیدی، توسط مولکول‌های موجود در اگزوسفر و ترموسفر جذب می‌شود و آنها را گرم می‌کند. سه درصد دیگر (40.8 وات بر متر مربع) از اشعه ماوراء بنفش نزدیک توسط ازن استراتوسفر جذب می شود. دنباله مادون قرمز طیف خورشیدی (4٪ یا 54.4 وات بر متر مربع) در لایه های بالایی تروپوسفر حاوی بخار آب باقی می ماند (عملاً هیچ بخار آبی در بالا وجود ندارد).

92 قسمت باقیمانده از انرژی خورشیدی (1.25 کیلووات بر متر مربع) در "پنجره شفافیت" اتمسفر 0.29 میکرومتر بر متر مربع قرار می گیرد و بقیه بین سطح زمین و فضا توزیع می شود. بیشتر از آنچه که به سطح زمین برخورد می کند، به فضا می رود، 30 سهم (408 W/m2) بالا، 8 اشتراک (108.8 W/m2) پایین.

این تصویر کلی، میانگین، از توزیع مجدد انرژی خورشیدی در جو زمین بود. با این حال، اجازه حل مشکلات خاص استفاده از انرژی خورشیدی را برای رفع نیازهای یک فرد در یک منطقه خاص از محل سکونت و کار خود نمی دهد و در اینجا دلیل آن است.

جو زمین پرتوهای مایل خورشید را بهتر منعکس می کند، بنابراین تابش ساعتی در استوا و در عرض های جغرافیایی میانی بسیار بیشتر از عرض های جغرافیایی بالا است.

ارتفاعات خورشید (ارتفاعات بالای افق) 90، 30، 20 و 12 ⁰ (جرم هوا (نوری) (متر) اتمسفر مطابق با 1، 2، 3 و 5 است) با جوی بدون ابر مطابقت دارد. به شدت حدود 900، 750، 600 و 400 وات بر متر مربع (در 42 ⁰ - m = 1.5، و در 15 ⁰ - m = 4). در واقع، انرژی کل تابش فرودی از مقادیر نشان داده شده فراتر می رود، زیرا نه تنها مؤلفه مستقیم، بلکه مقدار مولفه پراکنده شدت تابش در سطح افقی پراکنده در توده های هوا 1، 2، 3 را نیز شامل می شود. و 5 در این شرایط به ترتیب برابر با 110، 90، 70 و 50 وات بر متر مربع است (با ضریب 0.3 - 0.7 برای صفحه عمودی، زیرا فقط نیمی از آسمان قابل مشاهده است). علاوه بر این، در مناطقی از آسمان نزدیک به خورشید، یک "هاله دور خورشیدی" در شعاع ≈ 5⁰ وجود دارد.

مقدار روزانه تابش خورشید حداکثر نه در خط استوا، بلکه نزدیک به 40 ⁰ است. واقعیت مشابهی نیز نتیجه تمایل محور زمین به صفحه مدار آن است. در انقلاب تابستانی، خورشید در مناطق استوایی تقریباً در تمام روز بالای سر است و ساعات روشنایی روز 13.5 ساعت است که بیشتر از استوا در روز اعتدال است. با افزایش عرض جغرافیایی، طول روز افزایش می یابد و اگرچه شدت تابش خورشیدی کاهش می یابد، حداکثر مقدار تابش خورشیدی در طول روز در عرض جغرافیایی حدود 40 ⁰ رخ می دهد و تقریباً (برای شرایط آسمان بدون ابر) تا دایره قطب شمال ثابت می ماند.

با در نظر گرفتن ابر و آلودگی اتمسفر توسط زباله های صنعتی که برای بسیاری از کشورهای جهان معمول است، مقادیر ارائه شده در جدول باید حداقل به نصف کاهش یابد. به عنوان مثال، برای انگلستان در دهه 70 قرن بیستم، قبل از شروع مبارزه برای حفاظت از محیط زیست، میزان تابش خورشیدی سالانه به جای 1700 کیلووات ساعت در متر مربع، تنها 900 کیلووات ساعت در متر مربع بود.

اولین داده ها در مورد شفافیت جو در دریاچه بایکال توسط V.V. بوفالوم در سال 1964 او نشان داد که مقادیر تابش مستقیم خورشید بر روی بایکال به طور متوسط 13٪ بیشتر از ایرکوتسک است. میانگین ضریب شفافیت طیفی جو در بایکال شمالی در تابستان برای فیلترهای قرمز، سبز و آبی به ترتیب 0.949، 0.906، 0.883 است. در تابستان جو از نظر نوری ناپایدارتر از زمستان است و این ناپایداری از ساعات قبل از ظهر تا بعد از ظهر به طور قابل توجهی متفاوت است. بسته به دوره سالانه میرایی بخار آب و ذرات معلق در هوا، سهم آنها در تضعیف کل تابش خورشید نیز تغییر می کند. آئروسل ها در فصل سرد سال و بخار آب در فصل گرم سال نقش اصلی را ایفا می کنند. حوضه بایکال و دریاچه بایکال با شفافیت یکپارچه نسبتاً بالایی جو متمایز می شوند. با جرم نوری m = 2، مقادیر متوسط ضریب شفافیت از 0.73 (در تابستان) تا 0.83 (در زمستان) متغیر است. آئروسل ها به طور قابل توجهی جریان تابش مستقیم خورشید را به منطقه آب حوضچه کاهش می دهند و عمدتاً تابش طیف مرئی را با طول موجی که آزادانه از لایه تازه حوض عبور می کند جذب می کنند و این برای تجمع خورشید اهمیت زیادی دارد. انرژی کنار برکه (لایه ای از آب به ضخامت 1 سانتی متر عملاً در برابر تابش مادون قرمز با طول موج بیش از 1 میکرون مات است). بنابراین از آب به ضخامت چند سانتی متر به عنوان فیلتر محافظ حرارتی استفاده می شود. برای شیشه، حد انتقال مادون قرمز با طول موج بلند 2.7 میکرومتر است.

تعداد زیادی از ذرات گرد و غبار که آزادانه در سراسر استپ منتقل می شوند، شفافیت جو را نیز کاهش می دهند.

تشعشعات الکترومغناطیسی از تمام اجسام گرم ساطع می شود و هر چه بدن سردتر باشد، شدت تابش کمتر می شود و حداکثر طیف آن بیشتر به ناحیه موج بلند منتقل می شود. یک رابطه بسیار ساده وجود دارد [ = 0.2898 سانتی متر∙ درجه. (قانون وین)]، که با کمک آن به راحتی می توان تعیین کرد که حداکثر تابش یک جسم با دما (⁰K) در کجا قرار دارد. به عنوان مثال، بدن انسان با دمای 37 + 273 = 310 ⁰K پرتوهای مادون قرمز با حداکثر مقدار نزدیک به 9.3 میکرومتر ساطع می کند. و دیوارها، به عنوان مثال، یک خشک کن خورشیدی، با دمای 90 ⁰С، پرتوهای مادون قرمز با حداکثر نزدیک به مقدار = 8 میکرون ساطع می کنند. تابش خورشیدی مرئی (0.4 میکرون) در یک زمان، یک پیشرفت بزرگ انتقال از یک لامپ رشته ای الکتریکی با رشته کربن به یک لامپ مدرن با رشته تنگستن بود. مسئله این است که یک رشته کربن را می توان به دمای 2100 رساند. ⁰K، و یک رشته تنگستن - تا 2500 ⁰K "چرا این 400 ⁰K اینقدر مهم است؟ نکته اصلی این است که هدف یک لامپ رشته ای گرم کردن نیست، بلکه نور دادن است. بنابراین، رسیدن به چنین چیزی ضروری است. موقعیتی که حداکثر منحنی در مطالعه مرئی قرار می‌گیرد. ایده‌آل داشتن نخی است که دمای سطح خورشید را تحمل کند، اما حتی انتقال از 2100 به 2500 ⁰K کسر انرژی منتسب به تابش مرئی را افزایش می‌دهد. از 0.5 تا 1.6٪.

همه می توانند با آوردن کف دست از پایین (برای از بین بردن همرفت حرارتی) پرتوهای فروسرخ را که از بدنی که تنها به 60 تا 70 ⁰С گرم شده است، احساس کنند. ورود تابش مستقیم خورشید به منطقه آبی حوض با ورود آن به سطح تابش افقی مطابقت دارد. در عین حال، موارد فوق عدم قطعیت ویژگی های کمی ورود در یک نقطه خاص از زمان، اعم از فصلی و روزانه را نشان می دهد. فقط ارتفاع خورشید (جرم نوری جو) یک مشخصه ثابت است.

تجمع تابش خورشیدی توسط سطح زمین و حوضچه به طور قابل توجهی متفاوت است.

سطوح طبیعی زمین قابلیت بازتابی (جذب) متفاوتی دارند. بنابراین، سطوح تیره (چرنوزم، باتلاق ذغال سنگ نارس) دارای مقدار آلبدوی پایینی در حدود 10٪ هستند. (آلبدوی یک سطح، نسبت شار تشعشعی است که توسط این سطح به فضای اطراف منعکس می شود به شاری که روی آن می افتد).

سطوح سبک (ماسه سفید) دارای آلبدوی بزرگ، 35 - 40٪ است. آلبدوی سطوح چمنی بین 15 تا 25 درصد است. تاج البدوی جنگل های برگریز در تابستان 14-17٪ و تاج جنگل های مخروطی 12-15٪ است. آلبدوی سطح با افزایش ارتفاع خورشیدی کاهش می یابد.

آلبدوی سطوح آب بسته به ارتفاع خورشید و درجه هیجان در محدوده 3 تا 45 درصد است.

با سطح آب آرام، آلبدو فقط به ارتفاع خورشید بستگی دارد (شکل 2).

شکل 2- وابستگی ضریب انعکاس تابش خورشید برای سطح آب آرام به ارتفاع خورشید.

ورود تابش خورشید و عبور آن از لایه ای از آب ویژگی های خاص خود را دارد.

به طور کلی، خواص نوری آب (محلول های آن) در ناحیه مرئی تابش خورشیدی در شکل 3 نشان داده شده است.

شکل 3- خواص نوری آب (محلول های آن) در ناحیه مرئی تابش خورشیدی

در مرز مسطح دو محیط هوا - آب، پدیده انعکاس و شکست نور مشاهده می شود.

هنگامی که نور منعکس می شود، پرتو فرودی، پرتو بازتاب شده و عمود بر سطح بازتابنده، که در نقطه برخورد پرتو بازیابی می شود، در یک صفحه قرار می گیرند و زاویه بازتاب برابر با زاویه تابش است. در مورد انکسار، پرتو فرودی، عمودی که در نقطه فرود پرتو به سطح مشترک بین دو محیط باز می گردد و پرتو شکسته در یک صفحه قرار می گیرند. زاویه تابش و زاویه انکسار (شکل 4) مرتبط هستند / که ضریب شکست مطلق محیط دوم در کجا است - اولین. از آنجایی که برای هوا، فرمول شکل خواهد گرفت

شکل 4- انکسار پرتوها در حین انتقال از هوا به آب

هنگامی که پرتوها از هوا به آب می روند، به "عمود بر وقوع" نزدیک می شوند. برای مثال، یک پرتو بر روی آب با زاویه ای عمود بر سطح آب وارد آن می شود که قبلاً با زاویه ای کمتر از (شکل 4a) وارد می شود. اما وقتی یک پرتو فرودی که روی سطح آب می لغزد، تقریباً با زاویه قائم به عمود بر روی سطح آب می افتد، مثلاً با زاویه 89 ⁰ یا کمتر، آنگاه با زاویه کمتر از آن وارد آب می شود. یک خط مستقیم، یعنی با زاویه 48.5 ⁰. در زاویه ای بیشتر از عمود بر 48.5 ⁰، پرتو نمی تواند وارد آب شود: این زاویه "محدود کننده" برای آب است (شکل 4، ب).

در نتیجه، پرتوهایی که در زوایای مختلف بر روی آب می افتند، در زیر آب به شکل یک مخروط نسبتاً محکم با زاویه باز شدن 48.5 ⁰ + 48.5 ⁰ = 97 ⁰ فشرده می شوند (شکل 4c). علاوه بر این، انکسار آب به دمای آن بستگی دارد، اما این تغییرات آنقدر قابل توجه نیستند که نتوانند برای تمرین مهندسی در موضوع مورد بررسی جالب باشند.

اجازه دهید روند بازگشت پرتوها را دنبال کنیم (از نقطه P) - از آب به هوا (شکل 5). طبق قوانین اپتیک، مسیرها یکسان خواهد بود و تمام پرتوهای موجود در مخروط 97 درجه ذکر شده در زوایای مختلف به هوا رفته و در کل فضای 180 درجه بالای آب پخش می شود. پرتوهای زیر آب که خارج از زاویه ذکر شده (97 درجه) هستند از زیر آب خارج نمی شوند، بلکه کاملاً از سطح آن مانند آینه منعکس می شوند.

شکل 5- انکسار پرتوها در حین انتقال از آب به هوا

اگر فقط پرتو بازتابی وجود داشته باشد، هیچ پرتو شکسته ای وجود ندارد (پدیده انعکاس کلی داخلی).

هر پرتوی زیر آب که با زاویه ای بیشتر از "محدود کننده" (به عنوان مثال، بیشتر از 48.5 ⁰) به سطح آب برخورد کند، شکسته نمی شود، بلکه منعکس می شود: تحت "بازتاب داخلی کامل" قرار می گیرد. انعکاس در این مورد کل نامیده می‌شود، زیرا تمام پرتوهای فرود در اینجا منعکس می‌شوند، در حالی که حتی بهترین آینه نقره‌ای صیقلی تنها بخشی از پرتوهای تابیده شده بر روی خود را منعکس می‌کند، در حالی که بقیه را جذب می‌کند. آب در این شرایط یک آینه ایده آل است. در این مورد، ما در مورد نور مرئی صحبت می کنیم. به طور کلی، ضریب شکست آب مانند سایر مواد به طول موج بستگی دارد (به این پدیده پراکندگی می گویند). در نتیجه، زاویه محدود کننده ای که در آن بازتاب داخلی کل رخ می دهد برای طول موج های مختلف یکسان نیست، اما برای نور مرئی که در مرز آب و هوا منعکس می شود، این زاویه کمتر از 1⁰ تغییر می کند.

با توجه به این واقعیت که در یک زاویه بیشتر از عمود بر 48.5 ⁰، پرتو خورشید نمی تواند وارد آب شود: این زاویه "محدود کننده" برای آب است (شکل 4، b)، سپس جرم آب، در کل محدوده مقادیر. ارتفاع خورشید نسبت به هوا خیلی کم تغییر نمی کند - همیشه کمتر است.

با این حال، از آنجایی که چگالی آب 800 برابر بیشتر از چگالی هوا است، جذب تابش خورشید توسط آب به طور قابل توجهی تغییر خواهد کرد. علاوه بر این، اگر تابش نور از یک محیط شفاف عبور کند، طیف چنین نوری دارای ویژگی هایی است. خطوط خاصی در آن به شدت ضعیف شده اند، یعنی امواج با طول متناظر به شدت توسط محیط مورد بررسی جذب می شوند. به چنین طیف هایی طیف جذبی می گویند. شکل طیف جذب بستگی به ماده مورد بررسی دارد.

از آنجایی که محلول نمک یک حوضچه نمک خورشیدی می‌تواند حاوی غلظت‌های متفاوتی از کلریدهای سدیم و منیزیم و نسبت‌های آنها باشد، منطقی نیست که درباره طیف‌های جذبی صحبت کنیم. اگرچه تحقیقات و داده ها در این زمینه فراوان است.

بنابراین، به عنوان مثال، مطالعات انجام شده در اتحاد جماهیر شوروی (Yu. Usmanov) برای شناسایی میزان عبور تابش طول موج های مختلف برای آب و محلول کلرید منیزیم با غلظت های مختلف، نتایج زیر را به دست آورد (شکل 6). و B. J. Brinkworth وابستگی گرافیکی جذب تابش خورشیدی و چگالی شار تک رنگ تابش خورشیدی (تابش) را بسته به طول موج نشان می دهد (شکل 7).

در نتیجه، عرضه کمی تابش مستقیم خورشید به آب نمک داغ حوضچه، پس از ورود به آب، به موارد زیر بستگی دارد: چگالی تک رنگ شار تابش (تابش) خورشید؛ از بلندی خورشید و همچنین از آلبیدوی سطح حوضچه، از خلوص لایه فوقانی حوضچه نمک خورشیدی، متشکل از آب شیرین، با ضخامت معمولاً 0.1 - 0.3 متر، که در آن نمی توان اختلاط را مهار کرد، ترکیب، غلظت و ضخامت محلول در لایه گرادیان (لایه عایق با غلظت آب نمک رو به پایین افزایش می یابد)، بر خلوص آب و آب نمک.

شکل 6 و 7 نشان می دهد که آب بیشترین ظرفیت انتقال را در ناحیه مرئی طیف خورشیدی دارد. این یک عامل بسیار مطلوب برای عبور تابش خورشیدی از لایه تازه بالای حوضچه نمک خورشیدی است.

کتابشناسی - فهرست کتب

1 Osadchiy G.B. انرژی خورشیدی، مشتقات و فناوری های استفاده از آن (مقدمه ای بر انرژی RES) / G.B. اوسادچی. Omsk: IPK Maksheeva E.A., 2010. 572 p.
2 Twydell J. Renewable Energy Sources / J. Twydell, A. Ware. M.: Energoatomizdat, 1990. 392 p.
3 دافی J. A. فرآیندهای حرارتی با استفاده از انرژی خورشیدی / J. A. Duffy, W. A. Beckman. م.: میر، 1356. 420 ص.
4 منابع اقلیمی بایکال و حوضه آن / N. P. Ladeyshchikov, Novosibirsk, Nauka, 1976, 318p.
5 Pikin S. A. کریستال های مایع / S. A. Pikin, L. M. Blinov. M.: Nauka، 1982. 208 ص.
6 Kitaygorodsky A. I. فیزیک برای همه: فوتون ها و هسته ها / A. I. Kitaygorodsky. M.: Nauka، 1984. 208 ص.
7 Kuhling H. Handbook of Physics. / اچ کولینگ. م.: میر، 1361. 520 ص.
8 Enokhovich A. S. Handbook of Physics and Technology / A. S. Enohovich. مسکو: آموزش و پرورش، 1989. 223 ص.
9 Perelman Ya. I. فیزیک سرگرم کننده. کتاب 2 / Ya. I. Perelman. M.: Nauka، 1986. 272 p.

انرژی تابشی خورشید عملا تنها منبع گرما برای سطح زمین و جو آن است. تابشی که از ستارگان و ماه می‌آید 30 تا 106 برابر کمتر از تابش خورشید است. جریان گرما از اعماق زمین به سطح 5000 برابر کمتر از گرمای دریافتی از خورشید است.

بخشی از تابش خورشیدی نور مرئی است. بنابراین، خورشید نه تنها منبع گرما برای زمین، بلکه منبع نور است که برای زندگی در سیاره ما مهم است.

انرژی تابشی خورشید تا حدی در خود جو، اما عمدتاً در سطح زمین به گرما تبدیل می شود، جایی که از آن برای گرم کردن لایه های بالایی خاک و آب و از آنها - هوا استفاده می شود. سطح گرم شده زمین و اتمسفر گرم شده به نوبه خود تابش مادون قرمز نامرئی ساطع می کنند. با دادن تابش به فضای جهان، سطح زمین و جو سرد می شود.

تجربه نشان می دهد که میانگین دمای سالانه سطح زمین و جو در هر نقطه از زمین از سالی به سال دیگر تفاوت چندانی ندارد. اگر شرایط دمایی روی زمین را در دوره‌های زمانی طولانی چند ساله در نظر بگیریم، می‌توانیم این فرضیه را بپذیریم که زمین در تعادل گرمایی است: هجوم گرما از خورشید با از دست دادن آن به فضای بیرونی متعادل می‌شود. اما از آنجایی که زمین (با جو) با جذب تابش خورشید گرما دریافت می کند و با تابش خود گرما را از دست می دهد، فرضیه تعادل گرمایی در همان زمان به این معنی است که زمین در تعادل تابشی است: هجوم تابش موج کوتاه به با بازگشت تابش موج بلند به فضای جهان متعادل می شود.

تابش مستقیم خورشید

تشعشعی که مستقیماً از قرص خورشید به سطح زمین می رسد را می گویند تابش مستقیم خورشید. تابش خورشید از خورشید در همه جهات منتشر می شود. اما فاصله زمین تا خورشید به قدری زیاد است که تابش مستقیم بر روی هر سطحی از زمین به شکل پرتویی از پرتوهای موازی می‌تابد که انگار از بی‌نهایت ساطع می‌شوند. حتی کل کره زمین به طور کلی در مقایسه با فاصله تا خورشید آنقدر کوچک است که تمام تابش خورشیدی که بر روی آن می افتد را می توان پرتویی از پرتوهای موازی بدون خطای محسوس در نظر گرفت.

به راحتی می توان فهمید که حداکثر مقدار ممکن تابش در شرایط معین توسط واحدی از مساحت که عمود بر پرتوهای خورشید قرار دارد دریافت می شود. انرژی تابشی کمتری در واحد سطح افقی وجود خواهد داشت. معادله اساسی برای محاسبه تابش مستقیم خورشید توسط زاویه تابش پرتوهای خورشید، به طور دقیق تر، با ارتفاع خورشید ( ساعت): اس" = اسگناه ساعت; جایی که اس"- تابش خورشیدی که به یک سطح افقی می رسد، اس- تابش مستقیم خورشید با پرتوهای موازی.

جریان تابش مستقیم خورشید بر روی یک سطح افقی را تابش می گویند.

تغییرات تابش خورشید در جو و سطح زمین

حدود 30 درصد از تشعشعات مستقیم خورشیدی که روی زمین وارد می‌شوند، به فضای بیرونی منعکس می‌شوند. 70 درصد باقیمانده وارد جو می شود. تابش خورشید با عبور از جو، تا حدی توسط گازهای جوی و ذرات معلق پراکنده می شود و به شکل خاصی از تابش منتشر می شود. تابش تا حدی مستقیم خورشید توسط گازها و ناخالصی های اتمسفر جذب می شود و به گرما منتقل می شود. می رود تا فضا را گرم کند.

تابش مستقیم خورشید که در جو پراکنده و جذب نمی شود به سطح زمین می رسد. بخش کوچکی از آن از آن منعکس می شود و بیشتر تابش توسط سطح زمین جذب می شود و در نتیجه سطح زمین گرم می شود. بخشی از تشعشعات پراکنده نیز به سطح زمین می رسد که بخشی از آن منعکس شده و بخشی توسط آن جذب می شود. بخش دیگری از تابش پراکنده به فضای بین سیاره ای می رود.

در نتیجه جذب و پراکندگی تشعشعات در جو، تابش مستقیمی که به سطح زمین رسیده است با تابش مستقیمی که به مرز جو رسیده است متفاوت است. شار تابش خورشید کاهش می یابد و ترکیب طیفی آن تغییر می کند، زیرا پرتوهای با طول موج های مختلف به روش های مختلف جذب و در جو پراکنده می شوند.

در بهترین حالت، یعنی در بالاترین جایگاه خورشید و با خلوص هوای کافی، می توان شار تابشی مستقیم حدود 1.05 کیلووات بر متر مربع را در سطح زمین مشاهده کرد. در کوه ها در ارتفاعات 4-5 کیلومتری، شار تشعشع تا 1.2 کیلووات بر متر مربع یا بیشتر مشاهده شد. با نزدیک شدن خورشید به افق و افزایش ضخامت هوای عبور شده توسط پرتوهای خورشید، شار تابش مستقیم بیشتر و بیشتر کاهش می یابد.

حدود 23 درصد از تابش مستقیم خورشید در جو جذب می شود. علاوه بر این، این جذب انتخابی است: گازهای مختلف تابش را در قسمت های مختلف طیف و درجات مختلف جذب می کنند.

نیتروژن تابش را فقط در طول موج های بسیار کوتاه در قسمت فرابنفش طیف جذب می کند. انرژی تابش خورشید در این قسمت از طیف کاملاً ناچیز است، بنابراین جذب نیتروژن عملاً تأثیری بر شار تابش خورشیدی ندارد. تا حدودی بیشتر، اما هنوز بسیار کم، اکسیژن تابش خورشیدی را جذب می کند - در دو بخش باریک از قسمت مرئی طیف و در قسمت فرابنفش آن.

ازن جاذب قوی تری برای تشعشعات خورشیدی است. اشعه ماوراء بنفش و مرئی خورشید را جذب می کند. علیرغم اینکه محتوای آن در هوا بسیار کم است، پرتوهای فرابنفش را در جو فوقانی به شدت جذب می کند به طوری که امواج کوتاهتر از 0.29 میکرون به هیچ وجه در طیف خورشیدی نزدیک به سطح زمین مشاهده نمی شود. مجموع جذب تابش خورشیدی توسط ازن به 3 درصد تابش مستقیم خورشید می رسد.

دی اکسید کربن (دی اکسید کربن) به شدت تابش را در ناحیه مادون قرمز طیف جذب می کند، اما محتوای آن در اتمسفر هنوز کم است، بنابراین جذب تابش مستقیم خورشید به طور کلی کم است. از میان گازها، جاذب اصلی تشعشعات در جو بخار آب است که در تروپوسفر و به ویژه در قسمت پایین آن متمرکز شده است. از مجموع جریان تابش خورشیدی، بخار آب تابش را در فواصل طول موج در نواحی مرئی و مادون قرمز نزدیک طیف جذب می کند. ابرها و ناخالصی های جوی نیز تشعشعات خورشیدی را جذب می کنند. ذرات آئروسل معلق در جو به طور کلی، جذب بخار آب و جذب آئروسل حدود 15٪ و 5٪ توسط ابرها جذب می شود.

در هر مکان جداگانه، جذب در طول زمان تغییر می کند، هم به محتوای متغیر مواد جذب کننده در هوا، عمدتاً بخار آب، ابرها و غبار، و هم به ارتفاع خورشید در بالای افق، یعنی. بر روی ضخامت لایه هوای عبور پرتوها در مسیر خود به زمین.

تابش مستقیم خورشید در مسیر خود در جو نه تنها با جذب، بلکه با پراکندگی کاهش می یابد و به میزان قابل توجهی کاهش می یابد. پراکندگی یک پدیده فیزیکی اساسی از برهمکنش نور با ماده است. این می تواند در تمام طول موج های طیف الکترومغناطیسی رخ دهد، بسته به نسبت اندازه ذرات پراکنده به طول موج تابش فرودی. هنگامی که پراکنده می شود، ذره ای که در مسیر انتشار یک موج الکترومغناطیسی قرار دارد، به طور مداوم "استخراج" می کند. انرژی حاصل از موج تابشی و دوباره آن را در همه جهات تابش می کند. بنابراین، یک ذره را می توان به عنوان منبع نقطه ای انرژی پراکنده در نظر گرفت. پراکندگیتبدیل بخشی از تابش مستقیم خورشید که قبل از پراکندگی به شکل پرتوهای موازی در جهت معینی منتشر می شود به تابشی که در همه جهات می رود نامیده می شود. پراکندگی در هوای جوی ناهمگن نوری رخ می دهد که حاوی کوچکترین ذرات ناخالصی مایع و جامد است - قطره ها، کریستال ها، کوچکترین ذرات معلق در هوا، به عنوان مثال. در محیطی که ضریب شکست از نقطه ای به نقطه دیگر متفاوت است. اما یک محیط نوری ناهمگن نیز هوای خالص و عاری از ناخالصی است، زیرا در آن، به دلیل حرکت حرارتی مولکول ها، تراکم و نادر شدن، نوسانات چگالی دائما رخ می دهد. پرتوهای خورشید در برخورد با مولکول‌ها و ناخالصی‌های جو، جهت مستقیم انتشار و پراکندگی خود را از دست می‌دهند. تابش از پراکندگی ذرات به گونه ای منتشر می شود که گویی خود آنها ساطع کننده هستند.

با توجه به قوانین پراکندگی، به ویژه، طبق قانون رایلی، ترکیب طیفی تابش پراکنده با ترکیب طیفی خط مستقیم متفاوت است. قانون ریلی بیان می کند که پراکندگی پرتوها با توان چهارم طول موج نسبت معکوس دارد:

اس ? = 32? 3 (متر-1) / 3n؟ 4

جایی که اس? – ضریب پراکندگی؛ مترضریب شکست در گاز است. nتعداد مولکول ها در واحد حجم است. ? طول موج است.

حدود 26 درصد از انرژی کل شار تابش خورشیدی در جو به تابش پراکنده تبدیل می شود. سپس حدود 2/3 از تشعشعات پراکنده شده به سطح زمین می آید. اما این نوع خاصی از تابش خواهد بود که به طور قابل توجهی با تابش مستقیم متفاوت است. اولاً، تشعشعات پراکنده نه از قرص خورشید، بلکه از کل فلک به سطح زمین می آید. بنابراین، اندازه گیری جریان آن به یک سطح افقی ضروری است. همچنین بر حسب W/m2 (یا kW/m2) اندازه گیری می شود.

ثانیاً، تابش پراکنده با تابش مستقیم در ترکیب طیفی متفاوت است، زیرا پرتوهای با طول موج های مختلف به درجات مختلف پراکنده می شوند. در طیف تابش پراکنده، نسبت انرژی طول موج های مختلف در مقایسه با طیف تابش مستقیم به نفع پرتوهای با طول موج کوتاه تر تغییر می کند. هرچه اندازه ذرات پراکنده کوچکتر باشد، پرتوهای با طول موج کوتاه در مقایسه با طول موج‌های بلند قوی‌تر پراکنده می‌شوند.

پدیده های پراکندگی تشعشع

پدیده هایی مانند رنگ آبی آسمان، غروب و سپیده دم و همچنین دید با پراکندگی تشعشعات همراه است. رنگ آبی آسمان به دلیل پراکندگی پرتوهای خورشیدی در آن، رنگ خود هوا است. هوا در یک لایه نازک شفاف است، همانطور که آب در یک لایه نازک شفاف است. اما در ضخامت قوی جو، هوا رنگ آبی دارد، همانطور که آب در ضخامت نسبتاً کمی (چند متر) رنگ مایل به سبز دارد. پس چگونه پراکندگی مولکولی نور به صورت معکوس اتفاق می افتد؟ 4، سپس در طیف نور پراکنده ارسال شده توسط فلک، حداکثر انرژی به آبی منتقل می شود. با ارتفاع، با کاهش چگالی هوا، یعنی. با تعداد ذرات پراکنده، رنگ آسمان تیره تر می شود و به آبی عمیق تبدیل می شود و در استراتوسفر - به بنفش سیاه. هرچه ناخالصی های موجود در هوای با اندازه های بزرگتر از مولکول های هوا بیشتر باشد، نسبت پرتوهای موج بلند در طیف تابش خورشیدی بیشتر می شود و رنگ آسمان سفیدتر می شود. هنگامی که قطر ذرات مه، ابرها و ذرات معلق در هوا بیش از 1-2 میکرون می شود، پرتوهای تمام طول موج ها دیگر پراکنده نمی شوند، بلکه به طور یکسان منعکس می شوند. بنابراین، اجسام دور در مه و غبار غبارآلود دیگر توسط یک آبی ابری نمی شوند، بلکه توسط یک پرده سفید یا خاکستری پوشیده می شوند. بنابراین، ابرهایی که نور خورشید (یعنی سفید) روی آنها می‌افتد، سفید به نظر می‌رسند.

پراکندگی تابش خورشیدی در جو اهمیت عملی زیادی دارد، زیرا نور پراکنده ای را در طول روز ایجاد می کند. در غیاب جو روی زمین، فقط در جایی که نور مستقیم خورشید یا نور خورشید منعکس شده توسط سطح زمین و اشیاء روی آن می‌افتد، نور خواهد بود. در نتیجه نور پراکنده، کل اتمسفر در طول روز به عنوان منبع روشنایی عمل می کند: در طول روز نیز نور است که پرتوهای خورشید مستقیماً نمی تابند، و حتی زمانی که خورشید توسط ابرها پنهان می شود.

پس از غروب آفتاب در شب، تاریکی بلافاصله نمی آید. آسمان، به ویژه در آن قسمت از افق که خورشید در آن غروب کرده است، روشن باقی می ماند و تشعشعات پراکنده ای کم کم به سطح زمین می فرستد. به همین ترتیب، در صبح، حتی قبل از طلوع خورشید، آسمان بیش از همه در جهت طلوع خورشید روشن می شود و نور پراکنده ای را به زمین می فرستد. این پدیده تاریکی ناقص گرگ و میش - عصر و صبح نامیده می شود. دلیل آن روشن شدن لایه های مرتفع جو و پراکنده شدن نور خورشید توسط خورشید است که در زیر افق قرار دارد.

به اصطلاح گرگ و میش نجومی در غروب ادامه می یابد تا زمانی که خورشید 18 درجه زیر افق غروب کند. در این نقطه آنقدر تاریک است که کم نورترین ستاره ها قابل مشاهده هستند. گرگ و میش صبحگاهی نجومی زمانی آغاز می شود که خورشید در زیر افق همان موقعیت را داشته باشد. قسمت اول گرگ و میش نجومی عصر یا آخرین قسمت بامداد که خورشید حداقل 8 درجه در زیر افق قرار دارد، گرگ و میش مدنی نامیده می شود. مدت زمان گرگ و میش نجومی بسته به عرض جغرافیایی و زمان سال متفاوت است. در عرض های جغرافیایی میانی از 1.5 تا 2 ساعت، در مناطق استوایی کمتر، در خط استوا کمی بیشتر از یک ساعت است.

در عرض های جغرافیایی بالا در تابستان، خورشید ممکن است اصلاً در زیر افق فرو نرود یا بسیار کم عمق فرو رود. اگر خورشید کمتر از 18 درجه به زیر افق بیفتد، تاریکی کامل به هیچ وجه رخ نمی دهد و گرگ و میش عصر با صبح یکی می شود. این پدیده را شب های سفید می نامند.

گرگ و میش با تغییرات زیبا و گاهی بسیار دیدنی در رنگ فلک در جهت خورشید همراه است. این تغییرات قبل از غروب خورشید شروع می شود و پس از طلوع خورشید ادامه می یابد. آنها شخصیت نسبتا منظمی دارند و سحر نامیده می شوند. رنگ های مشخص سحر بنفش و زرد است. اما شدت و تنوع سایه های رنگی سپیده دم بسته به محتوای ناخالصی های آئروسل در هوا بسیار متفاوت است. رنگ ابرهای روشن در غروب نیز متنوع است.

در قسمتی از آسمان روبروی خورشید، ضد سحر، همچنین با تغییر تن رنگ، با غلبه بنفش و بنفش بنفش وجود دارد. پس از غروب خورشید، سایه زمین در این قسمت از آسمان ظاهر می شود: یک بخش آبی مایل به خاکستری که بیشتر و بیشتر در ارتفاع و به طرفین رشد می کند. پدیده سپیده دم با پراکندگی نور توسط کوچکترین ذرات ذرات ذرات معلق در جو و با پراش نور توسط ذرات بزرگتر توضیح داده می شود.

اجسام دور بدتر از اجسام نزدیک دیده می شوند و نه تنها به این دلیل که اندازه ظاهری آنها کاهش می یابد. حتی اجسام بسیار بزرگ در یک فاصله از ناظر به دلیل کدورت جوی که از طریق آن قابل مشاهده هستند، به خوبی قابل تشخیص نیستند. این کدورت به دلیل پراکندگی نور در جو است. واضح است که با افزایش ناخالصی های آئروسل در هوا افزایش می یابد.

برای بسیاری از اهداف عملی، بسیار مهم است که بدانیم خطوط اشیاء پشت پرده هوا در چه فاصله ای از هم متمایز نمی شوند. فاصله ای که در آن خطوط اجسام در اتمسفر متمایز نمی شوند، محدوده دید یا به سادگی دید نامیده می شود. محدوده دید اغلب با چشم بر روی برخی از اجسام از پیش انتخاب شده (تاریک در برابر آسمان) تعیین می شود که فاصله آنها مشخص است. همچنین تعدادی ابزار فتومتریک برای تعیین دید وجود دارد.

در هوای بسیار تمیز، به عنوان مثال، منشاء قطب شمال، محدوده دید می تواند به صدها کیلومتر برسد، زیرا تضعیف نور از اجسام در چنین هوایی به دلیل پراکندگی عمدتاً روی مولکول های هوا رخ می دهد. در هوای حاوی مقدار زیادی گرد و غبار یا محصولات تراکم، محدوده دید را می توان به چندین کیلومتر یا حتی متر کاهش داد. بنابراین، در مه سبک، محدوده دید 500-1000 متر است و در مه شدید یا فرزهای شنی قوی، می توان آن را به ده ها یا حتی چندین متر کاهش داد.

تابش کل، تابش خورشیدی منعکس شده، تابش جذب شده، PAR، آلبدوی زمین

تمام تشعشعات خورشیدی که به سطح زمین می آیند - مستقیم و پراکنده - تابش کل نامیده می شود. بنابراین، تابش کل

س = اس*گناه ساعت + D,

جایی که اس- روشنایی انرژی توسط تابش مستقیم،

D- روشنایی انرژی توسط تابش پراکنده،

ساعت- ارتفاع خورشید

با آسمان بدون ابر، تابش کل دارای تغییرات روزانه با حداکثر حوالی ظهر و تغییرات سالانه با حداکثر در تابستان است. ابری جزئی که صفحه خورشیدی را نمی پوشاند، تابش کل را در مقایسه با آسمان بدون ابر افزایش می دهد. برعکس، ابری کامل آن را کاهش می دهد. به طور متوسط، ابری باعث کاهش تابش کل می شود. بنابراین در تابستان ورود کل تشعشعات در ساعات قبل از ظهر به طور متوسط بیشتر از بعد از ظهر است. به همین دلیل، در نیمه اول سال بزرگتر از نیمه دوم است.

S.P. کروموف و A.M. Petrosyants مقادیر کل تشعشعات نیمروزی را در ماه های تابستان در نزدیکی مسکو با آسمان بدون ابر ارائه می دهد: به طور متوسط 0.78 کیلو وات / متر مربع، با خورشید و ابرها - 0.80، با ابرهای پیوسته - 0.26 کیلو وات / متر مربع.

با افتادن روی سطح زمین، کل تشعشعات بیشتر در لایه نازک بالایی خاک یا لایه ضخیم‌تری از آب جذب شده و به گرما تبدیل می‌شود و تا حدی منعکس می‌شود. میزان بازتاب تابش خورشید توسط سطح زمین به ماهیت این سطح بستگی دارد. نسبت مقدار تابش منعکس شده به مقدار کل تابش تابیده شده بر روی یک سطح معین را آلبدو سطح می نامند. این نسبت به صورت درصد بیان می شود.

بنابراین، از شار کل تابش ( اسگناه ساعت + D) بخشی از آن از سطح زمین منعکس می شود ( اسگناه ساعت + D)و کجا وآلبدو سطح است. بقیه تابش کل ( اسگناه ساعت + D) (1 – و) جذب سطح زمین می شود و برای گرم کردن لایه های بالایی خاک و آب می رود. این قسمت را تشعشع جذب شده می نامند.

آلبدوی سطح خاک بین 10 تا 30 درصد تغییر می کند. در چرنوزم مرطوب به 5% کاهش می یابد و در ماسه سبک خشک می تواند تا 40% افزایش یابد. با افزایش رطوبت خاک، آلبدو کاهش می یابد. آلبیدو پوشش گیاهی - جنگل ها، مراتع، مزارع - 10-25٪ است. آلبیدوی سطح برف تازه باریده 80 تا 90 درصد است، در حالی که سطح برف طولانی مدت حدود 50 درصد و کمتر است. آلبدو سطح آب صاف برای تابش مستقیم از چند درصد (اگر خورشید بالا باشد) تا 70 درصد (اگر کم باشد) متغیر است. به هیجان هم بستگی دارد. برای تابش پراکنده، آلبدوی سطوح آب 5-10٪ است. به طور متوسط، آلبدوی سطح اقیانوس جهانی 5-20٪ است. آلبدوی سطح بالایی ابرها از چند درصد تا 70 تا 80 درصد متغیر است، بسته به نوع و ضخامت پوشش ابر، به طور متوسط 50 تا 60 درصد (S.P. Khromov, M.A. Petrosyants, 2004).

شکل های فوق به بازتاب تابش خورشیدی، نه تنها قابل مشاهده، بلکه در کل طیف آن اشاره دارد. فتومتریک به معنای اندازه گیری آلبدو فقط برای تشعشع مرئی است که البته ممکن است تا حدودی با آلبدو برای کل شار تابش متفاوت باشد.

بخش غالب تابش منعکس شده توسط سطح زمین و سطح بالایی ابرها فراتر از جو به فضای جهان می رود. بخشی (حدود یک سوم) از تابش پراکنده نیز به فضای جهان می رود.

نسبت تابش منعکس شده و پراکنده خورشیدی که از فضا خارج می شود به کل تابش خورشیدی وارد شده به اتمسفر را آلبدوی سیاره ای زمین یا به سادگی می گویند. آلبدوی زمین.

به طور کلی آلبدوی سیاره ای زمین 31 درصد تخمین زده می شود. بخش اصلی آلبدوی سیاره ای زمین انعکاس تابش خورشید توسط ابرها است.

بخشی از تابش مستقیم و منعکس شده در فرآیند فتوسنتز گیاهان دخیل است، بنابراین به آن می گویند تابش فعال فتوسنتزی (دور). دور -بخشی از تشعشعات موج کوتاه (از 380 تا 710 نانومتر) که بیشترین فعالیت را در رابطه با فتوسنتز و فرآیند تولید گیاهان دارد، به دو صورت تابش مستقیم و پراکنده نشان داده می شود.

گیاهان می توانند تابش مستقیم خورشید را مصرف کنند و از اجرام آسمانی و زمینی در محدوده طول موج 380 تا 710 نانومتر منعکس شوند. شار تابش فعال فتوسنتزی تقریباً نیمی از شار خورشیدی است، یعنی. نیمی از کل تشعشعات و عملاً بدون توجه به شرایط آب و هوایی و مکان. اگر چه اگر برای شرایط اروپا مقدار 0.5 معمولی است، برای شرایط اسرائیل تا حدودی بالاتر است (حدود 0.52). با این حال، نمی توان گفت که گیاهان در طول زندگی خود و در شرایط مختلف از PAR به یک شکل استفاده می کنند. کارایی استفاده از PAR متفاوت است، بنابراین، شاخص های "ضریب استفاده PAR" پیشنهاد شد که نشان دهنده کارایی استفاده از PAR و "کارایی فیتوسنوزها" است. کارایی فیتوسنوزها فعالیت فتوسنتزی پوشش گیاهی را مشخص می کند. این پارامتر بیشترین کاربرد را در بین جنگلبانان برای ارزیابی فیتوسنوزهای جنگلی پیدا کرده است.

باید تاکید کرد که گیاهان خود قادر به تشکیل PAR در پوشش گیاهی هستند. این به دلیل قرار گرفتن برگها به سمت پرتوهای خورشید، چرخش برگها، توزیع برگها با اندازه ها و زوایای مختلف در سطوح مختلف فیتوسنوزها، یعنی. از طریق به اصطلاح معماری سایبان. در پوشش گیاهی، اشعه های خورشید به طور مکرر شکسته می شوند، از سطح برگ منعکس می شوند و در نتیجه رژیم تابش داخلی خود را تشکیل می دهند.

تابش پراکنده شده در داخل پوشش گیاهی دارای ارزش فتوسنتزی یکسانی با تابش مستقیم و پراکنده وارد به سطح پوشش گیاهی است.

تابش سطح زمین

لایه های بالایی خاک و آب، پوشش برف و پوشش گیاهی خود تشعشعات موج بلندی را منتشر می کنند. این تابش زمینی بیشتر به عنوان تابش ذاتی سطح زمین شناخته می شود.

تابش خود را می توان با دانستن دمای مطلق سطح زمین محاسبه کرد. طبق قانون استفان بولتزمن با در نظر گرفتن اینکه زمین جسم کاملاً سیاهی نیست و در نتیجه ضریب؟ (معمولاً برابر با 0.95)، تابش زمین Eبا فرمول تعیین می شود

E s = ?? تی 4 ,

جایی که؟ ثابت استفان بولتزمن است، تیدما، K.

در 288 K، E s \u003d 3.73 10 2 W / M2. اگر با فرآیند معکوس - جذب تشعشعات خورشیدی و اتمسفر توسط سطح زمین - از این امر جلوگیری نمی شد، چنین بازگشت بزرگی از تابش از سطح زمین منجر به خنک شدن سریع آن می شد. دمای مطلق سطح زمین بین 190 تا 350 کلوین است. در چنین دماهایی، تابش ساطع شده عملاً دارای طول موجی در محدوده 4-120 میکرومتر است و حداکثر انرژی آن بین 10-15 میکرومتر است. بنابراین، تمام این تابش مادون قرمز است، با چشم درک نمی شود.

ضد تشعشع یا ضد تشعشع

اتمسفر گرم می شود و هم تشعشعات خورشیدی را جذب می کند (البته در کسر نسبتاً کمی که حدود 15 درصد از مقدار کل آن به زمین می رسد) و هم تشعشعات سطح زمین را جذب می کند. علاوه بر این، گرما را از سطح زمین از طریق رسانش و همچنین با تراکم بخار آب تبخیر شده از سطح زمین دریافت می کند. اتمسفر گرم به خودی خود تابش می کند. درست مانند سطح زمین، تشعشعات مادون قرمز نامرئی را در محدوده طول موجی مشابه ساطع می کند.

بیشتر (70٪) تابش اتمسفر به سطح زمین می آید و بقیه به فضای جهان می رود. تشعشعات جوی که به سطح زمین می رسد را تابش متقابل می گویند. Eالف، زیرا به سمت تابش خود سطح زمین هدایت می شود. سطح زمین تقریباً به طور کامل (95-99٪) تشعشعات ضد را جذب می کند. بنابراین، تابش ضد، علاوه بر تابش خورشیدی جذب شده، منبع مهم گرما برای سطح زمین است. تشعشعات ضد تشعشع با افزایش ابر افزایش می یابد، زیرا خود ابرها به شدت تابش می کنند.

ماده اصلی موجود در اتمسفر که تشعشعات زمینی را جذب می کند و تشعشعات را پس می فرستد بخار آب است. تابش مادون قرمز را در ناحیه وسیعی از طیف جذب می کند - از 4.5 تا 80 میکرون، به استثنای فاصله بین 8.5 تا 12 میکرون.

مونوکسید کربن (دی اکسید کربن) تابش مادون قرمز را به شدت جذب می کند، اما فقط در ناحیه باریکی از طیف. ازن ضعیف تر است و همچنین در ناحیه باریکی از طیف قرار دارد. درست است، جذب دی اکسید کربن و ازن روی امواجی می افتد که انرژی آنها در طیف تابش زمینی نزدیک به حداکثر (7-15 میکرومتر) است.

تابش شمارنده همیشه تا حدودی کمتر از تابش زمینی است. بنابراین، سطح زمین به دلیل اختلاف مثبت بین تابش خود و تابش متضاد، گرما را از دست می دهد. تفاوت بین خود تابش سطح زمین و ضد تابش جو را تابش موثر می گویند. E e:

E e = E s- Eآ.

تشعشع موثر عبارت است از از دست دادن خالص انرژی تشعشعی و در نتیجه گرما از سطح زمین در شب. تابش خود را می توان با توجه به قانون استفان بولتزمن با دانستن دمای سطح زمین تعیین کرد و با استفاده از فرمول بالا می توان تابش متقابل را محاسبه کرد.

تشعشع موثر در شب‌های صاف حدود 0.07-0.10 کیلووات بر متر مربع در ایستگاه‌های پست در عرض‌های جغرافیایی معتدل و تا 0.14 کیلووات بر متر مربع در ایستگاه‌های ارتفاع بالا (جایی که تابش شمارنده کمتر است) است. با افزایش ابر، که ضد تشعشع را افزایش می دهد، تابش موثر کاهش می یابد. در هوای ابری بسیار کمتر از هوای صاف است. در نتیجه خنک شدن شبانه سطح زمین نیز کمتر است.

البته تشعشعات مؤثر در ساعات روشنایی روز نیز وجود دارد. اما در طول روز توسط تابش خورشیدی جذب شده مسدود یا تا حدی جبران می شود. بنابراین سطح زمین در روز گرمتر از شب است، اما تابش موثر در روز بیشتر است.

به طور متوسط، سطح زمین در عرض های جغرافیایی میانی از طریق تابش موثر حدود نیمی از گرمای دریافتی از تشعشعات جذب شده را از دست می دهد.

اتمسفر با جذب تشعشعات زمینی و ارسال تشعشعات متقابل به سطح زمین، خنک شدن دومی را در شب کاهش می دهد. در طول روز از گرم شدن سطح زمین توسط تابش خورشید جلوگیری می کند. این تأثیر اتمسفر بر رژیم حرارتی سطح زمین به دلیل تشابه خارجی با عملکرد شیشه های گلخانه ای، اثر گلخانه ای یا اثر گلخانه ای نامیده می شود.

تعادل تابشی سطح زمین

تفاوت بین تشعشعات جذب شده و تشعشع موثر را تعادل تشعشعی سطح زمین می نامند:

AT=(اسگناه ساعت + D)(1 – و) – Eه.

در شب، زمانی که تشعشع کلی وجود ندارد، تعادل تابش منفی برابر با تابش موثر است.

تعادل تشعشع از مقادیر منفی شبانه به مقادیر مثبت روز پس از طلوع خورشید در ارتفاع 10-15 درجه تغییر می کند. از مقادیر مثبت به منفی، قبل از غروب خورشید در همان ارتفاع بالای افق می گذرد. در حضور پوشش برف، تعادل تشعشع تنها در ارتفاع خورشیدی حدود 20-25 درجه به مقادیر مثبت تغییر می کند، زیرا با یک برف بزرگ، جذب کل تشعشع توسط آن کم است. در طول روز، تعادل تشعشع با افزایش ارتفاع خورشیدی افزایش و با کاهش آن کاهش می یابد.

میانگین مقادیر ظهر تعادل تشعشع در مسکو در تابستان با آسمان صاف، به نقل از S.P. کروموف و M.A. Petrosyants (2004) حدود 0.51 کیلووات بر متر مربع، در زمستان تنها 0.03 کیلووات بر متر مربع، در شرایط ابری متوسط در تابستان حدود 0.3 کیلووات بر متر مربع، و در زمستان نزدیک به صفر هستند.

خورشید مقدار زیادی انرژی ساطع می کند - تقریباً 1.1x1020 کیلووات ساعت در ثانیه. کیلووات ساعت مقدار انرژی مورد نیاز برای روشن کردن یک لامپ رشته ای 100 وات به مدت 10 ساعت است. جو بیرونی زمین تقریباً یک میلیونم انرژی ساطع شده از خورشید یا تقریباً 1500 کوادریلیون (1.5 x 1018) کیلووات ساعت در سال را قطع می کند. با این حال، به دلیل انعکاس، پراکندگی و جذب توسط گازهای جوی و ذرات معلق در هوا، تنها 47٪ از کل انرژی، یا تقریبا 700 کوادریلیون (7 x 1017) کیلووات ساعت، به سطح زمین می رسد.

تشعشعات خورشیدی در جو زمین به تابش های به اصطلاح مستقیم تقسیم می شوند و توسط ذرات هوا، غبار، آب و غیره موجود در جو پراکنده می شوند. مجموع آنها کل تابش خورشیدی را تشکیل می دهد. میزان افت انرژی در واحد سطح در واحد زمان به عوامل مختلفی بستگی دارد:

عرض جغرافیایی
فصل آب و هوای محلی سال
زاویه شیب سطح نسبت به خورشید.

زمان و موقعیت جغرافیایی

مقدار انرژی خورشیدی که بر روی سطح زمین می افتد به دلیل حرکت خورشید تغییر می کند. این تغییرات به زمان روز و فصل بستگی دارد. معمولاً تابش خورشیدی در ظهر بیشتر از اوایل صبح یا اواخر عصر به زمین برخورد می کند. در ظهر، خورشید بالاتر از افق است و طول مسیر پرتوهای خورشید در جو زمین کاهش می یابد. در نتیجه، تشعشعات خورشیدی کمتری پراکنده و جذب می‌شوند، که به معنای رسیدن بیشتر به سطح است.

مقدار انرژی خورشیدی که به سطح زمین می رسد با مقدار متوسط سالانه متفاوت است: در زمستان - کمتر از 0.8 کیلووات ساعت / متر مربع در روز در شمال اروپا و بیش از 4 کیلووات ساعت / متر مربع در روز در تابستان در همین منطقه. با نزدیک شدن به خط استوا این تفاوت کاهش می یابد.

مقدار انرژی خورشیدی به موقعیت جغرافیایی سایت نیز بستگی دارد: هر چه به خط استوا نزدیکتر باشد، بیشتر است. به عنوان مثال، میانگین سالانه مجموع تابش خورشیدی در یک سطح افقی است: در اروپای مرکزی، آسیای مرکزی و کانادا - تقریبا 1000 کیلووات ساعت در متر مربع. در دریای مدیترانه - تقریباً 1700 کیلووات ساعت / متر مربع؛ در اکثر مناطق بیابانی آفریقا، خاورمیانه و استرالیا، تقریباً 2200 کیلووات ساعت بر متر مربع.

بنابراین، مقدار تابش خورشید بسته به زمان سال و موقعیت جغرافیایی به طور قابل توجهی متفاوت است (جدول را ببینید). در استفاده از انرژی خورشیدی باید این فاکتور را در نظر گرفت.

	اروپای جنوبی	اروپای مرکزی	اروپای شمالی	منطقه کارائیب
ژانویه	2,6	1,7	0,8	5,1
فوریه	3,9	3,2	1,5	5,6
مارس	4,6	3,6	2,6	6,0
آوریل	5,9	4,7	3,4	6,2
ممکن است	6,3	5,3	4,2	6,1
ژوئن	6,9	5,9	5,0	5,9
جولای	7,5	6,0	4,4	6,0
مرداد	6,6	5,3	4,0	6,1
سپتامبر	5,5	4,4	3,3	5,7
اکتبر	4,5	3,3	2,1	5,3
نوامبر	3,0	2,1	1,2	5,1
دسامبر	2,7	1,7	0,8	4,8
سال	5,0	3,9	2,8	5,7

تاثیر ابرها بر انرژی خورشیدی

میزان تابش خورشیدی که به سطح زمین می رسد به پدیده های مختلف جوی و موقعیت خورشید در طول روز و در طول سال بستگی دارد. ابرها اصلی ترین پدیده جوی هستند که میزان تابش خورشیدی را که به سطح زمین می رسد تعیین می کند. در هر نقطه از زمین، تابش خورشیدی که به سطح زمین می رسد با افزایش ابر کاهش می یابد. در نتیجه، کشورهایی که هوای عمدتا ابری دارند، تابش خورشیدی کمتری نسبت به بیابان ها دریافت می کنند، جایی که آب و هوا عمدتاً بدون ابر است.

تشکیل ابرها تحت تأثیر وجود ویژگی های محلی مانند کوه ها، دریاها و اقیانوس ها و همچنین دریاچه های بزرگ است. بنابراین، میزان تابش خورشیدی دریافتی در این مناطق و مناطق مجاور آنها ممکن است متفاوت باشد. به عنوان مثال، کوه ها ممکن است تابش خورشیدی کمتری نسبت به کوهپایه ها و دشت های مجاور دریافت کنند. بادهایی که به سمت کوه ها می وزد باعث بالا آمدن بخشی از هوا و خنک شدن رطوبت هوا، تشکیل ابر می شود. میزان تشعشعات خورشیدی در مناطق ساحلی نیز ممکن است با تابش های ثبت شده در مناطق واقع در داخل کشور متفاوت باشد.

مقدار انرژی خورشیدی دریافتی در طول روز تا حد زیادی به پدیده های جوی محلی بستگی دارد. ظهر با آسمان صاف کل خورشیدی

تشعشعاتی که روی یک سطح افقی می افتند (به عنوان مثال، در اروپای مرکزی) می توانند به مقدار 1000 وات بر متر مربع برسد (در شرایط آب و هوایی بسیار مساعد این رقم می تواند بیشتر باشد)، در حالی که در آب و هوای بسیار ابری حتی در شرایط آب و هوایی زیر 100 وات بر متر مربع است. ظهر.

اثرات آلودگی اتمسفر بر انرژی خورشیدی

پدیده های انسانی و طبیعی نیز می توانند میزان تابش خورشیدی که به سطح زمین می رسد را محدود کنند. مه دود شهری، دود ناشی از آتش سوزی جنگل ها و خاکستر آتشفشانی موجود در هوا با افزایش پراکندگی و جذب تابش خورشیدی، استفاده از انرژی خورشیدی را کاهش می دهد. یعنی این عوامل تأثیر بیشتری بر تابش مستقیم خورشید نسبت به کل دارند. با آلودگی شدید هوا، به عنوان مثال، با مه دود، تابش مستقیم 40٪ کاهش می یابد و کل - فقط 15-25٪. یک فوران آتشفشانی قوی می تواند تابش خورشیدی مستقیم را تا 20٪ و در یک منطقه بزرگ از سطح زمین برای مدت 6 ماه تا 2 سال کاهش دهد و در کل - 10٪. با کاهش مقدار خاکستر آتشفشانی در جو، اثر ضعیف می شود، اما روند بازیابی کامل ممکن است چندین سال طول بکشد.

پتانسیل انرژی خورشیدی

خورشید 10000 برابر بیشتر از آنچه در سراسر جهان استفاده می شود، انرژی رایگان به ما می دهد. بازار تجاری جهانی به تنهایی کمتر از 85 تریلیون (8.5 x 1013) کیلووات ساعت انرژی در سال خرید و فروش می کند. از آنجایی که نمی‌توان کل فرآیند را دنبال کرد، نمی‌توان با قطعیت گفت که مردم چقدر انرژی غیرتجاری مصرف می‌کنند (مثلاً چقدر چوب و کود جمع‌آوری و سوزانده می‌شود، چقدر آب برای تولید انرژی مکانیکی یا الکتریکی مصرف می‌شود. انرژی). برخی کارشناسان تخمین می زنند که چنین انرژی های غیرتجاری یک پنجم کل انرژی مصرفی را تشکیل می دهد. اما حتی اگر این درست باشد، کل انرژی مصرف شده توسط بشر در طول سال تنها تقریباً یک هفت هزارم انرژی خورشیدی است که در همان دوره به سطح زمین برخورد می کند.

در کشورهای توسعه یافته مانند ایالات متحده آمریکا، مصرف انرژی تقریباً 25 تریلیون (2.5 x 1013) کیلووات ساعت در سال است که معادل بیش از 260 کیلووات ساعت برای هر نفر در روز است. این معادل کارکردن روزانه بیش از 100 لامپ رشته ای 100 واتی برای یک روز کامل است. یک شهروند آمریکایی به طور متوسط 33 برابر بیشتر از یک هندی، 13 برابر بیشتر از یک چینی، دو و نیم برابر بیشتر از یک ژاپنی و دو برابر یک سوئدی انرژی مصرف می کند.

میزان انرژی خورشیدی که به سطح زمین می رسد چندین برابر بیشتر از مصرف آن است، حتی در کشورهایی مانند ایالات متحده که مصرف انرژی در آنها بسیار زیاد است. اگر تنها 1 درصد از خاک کشور برای نصب تجهیزات خورشیدی (پانل های فتوولتائیک یا سیستم های آب گرم خورشیدی) که با راندمان 10 درصد کار می کنند، استفاده می شود، آنگاه انرژی ایالات متحده به طور کامل تامین می شود. همین را می توان در مورد سایر کشورهای توسعه یافته نیز گفت. با این حال، به یک معنا، این غیر واقعی است - اولا، به دلیل هزینه بالای سیستم های فتوولتائیک، و ثانیا، پوشش چنین مناطق وسیعی با تجهیزات خورشیدی بدون آسیب رساندن به اکوسیستم غیرممکن است. اما اصل خود درست است.

می توان همان منطقه را با پراکنده کردن تاسیسات روی پشت بام ساختمان ها، خانه ها، کنار جاده ها، مناطق از پیش تعیین شده زمین و غیره پوشش داد. علاوه بر این، در بسیاری از کشورها در حال حاضر بیش از 1٪ از زمین برای استخراج، تبدیل، تولید و حمل و نقل انرژی اختصاص داده شده است. و از آنجایی که بیشتر این انرژی در مقیاس وجودی انسان تجدید ناپذیر است، این نوع تولید انرژی برای محیط زیست بسیار مضرتر از سیستم های خورشیدی است.

) ، به شکل 1 می پردازیم - که پیشروی موازی و متوالی گرمای خورشید را به آب نمک داغحوضچه نمک خورشیدی و همچنین تغییرات مداوم در مقادیر انواع مختلف تابش خورشیدی و ارزش کل آنها در طول مسیر.

شکل 1- هیستوگرام تغییرات شدت تابش خورشیدی (انرژی) در مسیر رسیدن به آب نمک داغ حوضچه نمک خورشیدی.

زمین و اتمسفر سالانه 1.3∙10 24 کالری گرما از خورشید دریافت می کنند. با شدت اندازه گیری می شود، یعنی. مقدار انرژی تابشی (به کالری) که از خورشید در واحد زمان به سطح عمود بر پرتوهای خورشید می رسد.

تابش مستقیم و پراکنده (کل)، بازتابیده و جذب شده متعلق به بخش موج کوتاه طیف است. همراه با تابش موج کوتاه، تابش اتمسفر موج بلند (به سمت نزدیک)، به نوبه خود، سطح زمین تابش موج بلند (ذاتی) ساطع می کند.

تابش مستقیم خورشید به عامل طبیعی اصلی در تامین انرژی به سطح آب یک حوضچه نمک خورشیدی اشاره دارد.

تابش خورشیدی که به صورت پرتویی از پرتوهای موازی که مستقیماً از قرص خورشید به سطح فعال می رسد را می گویند. تابش مستقیم خورشید

تابش مستقیم خورشید متعلق به قسمت موج کوتاه طیف است (با طول موج 0.17 تا 4 میکرون، در واقع پرتوهایی با طول موج 0.29 میکرون به سطح زمین می رسند)

طیف خورشیدی را می توان به سه حوزه اصلی تقسیم کرد:

اشعه ماوراء بنفش (λ< 0,4 мкм) - 9 % интенсивности.

ناحیه فرابنفش موج کوتاه (λ< 0,29 мкм) практически полностью отсутствует на уровне моря вследствие поглощения О 2 , О 3 , О, N 2 и их ионами.

محدوده نزدیک به فرابنفش (0.29 میکرومتر<λ < 0,4 мкм) достигает Земли малой долей излучения, но вполне достаточной для загара;

تابش مرئی (0.4 میکرومتر< λ < 0,7 мкм) - 45 % интенсивности.

جو شفاف تشعشعات مرئی را تقریباً به طور کامل منتقل می کند و تبدیل به "پنجره ای" برای عبور این نوع انرژی خورشیدی به زمین می شود. وجود ذرات معلق در هوا و آلودگی اتمسفر می تواند از دلایل جذب قابل توجه تشعشعات در این طیف باشد.

تابش مادون قرمز (λ> 0.7 میکرومتر) - شدت 46٪. مادون قرمز نزدیک (0.7 میکرومتر< < 2,5 мкм). На этот диапазон спектра приходится почти половина интенсивности солнечного излучения. Более 20 % солнечной энергии поглощается в атмосфере, в основном парами воды и СО 2 (диоксидом углерода). Концентрация СО 2 в атмосфере относительно постоянна и составляет 0,03 %, а концентрация паров воды меняется очень сильно - почти до 4 %.

در طول موج های بیشتر از 2.5 میکرون، تشعشعات ضعیف فرازمینی به شدت توسط CO 2 و آب جذب می شود، به طوری که تنها بخش کوچکی از این محدوده انرژی خورشیدی به سطح زمین می رسد.

محدوده مادون قرمز دور (λ> 12 میکرومتر) تابش خورشیدی عملاً به زمین نمی رسد.

از نقطه نظر استفاده از انرژی خورشیدی در زمین، تنها تابش در محدوده طول موج 0.29 - 2.5 میکرومتر باید در نظر گرفته شود.

بیشتر انرژی خورشیدی خارج از جو در محدوده طول موج 0.2 - 4 میکرون و در سطح زمین - در محدوده طول موج 0.29 - 2.5 میکرون است.

بیایید ببینیم آنها چگونه توزیع مجدد می کنند به طور کلی ، جریان انرژی که خورشید به زمین می دهد. بیایید 100 واحد دلخواه انرژی خورشیدی (1.36 کیلووات بر متر مربع) را که بر روی زمین می افتند، در نظر بگیریم و مسیر آنها را در جو دنبال کنیم. یک درصد (13.6 W/m2)، فرابنفش کوتاه طیف خورشیدی، توسط مولکول‌های موجود در اگزوسفر و ترموسفر جذب می‌شود و آنها را گرم می‌کند. سه درصد دیگر (40.8 وات بر متر مربع) از اشعه ماوراء بنفش نزدیک توسط ازن استراتوسفر جذب می شود. دم مادون قرمز طیف خورشیدی (4٪ یا 54.4 W / m2) در لایه های بالایی تروپوسفر حاوی بخار آب باقی می ماند (عملاً هیچ بخار آب در بالا وجود ندارد).

92 سهم باقی مانده از انرژی خورشیدی (1.25 کیلووات بر متر مربع) بر روی "پنجره شفافیت" جو 0.29 میکرون قرار می گیرد.< < 2,5 мкм. Они проникают в плотные приземные слои воздуха. Значительная часть их (45 единиц или 612 Вт/м 2), преимущественно в синей видимой части спектра, рассеиваются воздухом, придавая голубой цвет небу. Прямые солнечные лучи - оставшиеся 47 процентов (639,2 Вт/м 2) начального светового потока - достигают поверхности. Она отражает примерно 7 процентов (95,2 Вт/м 2) из этих 47 % (639,2 Вт/м 2) и этот свет по пути в космос отдает ещё 3 единицы (40,8 Вт/м 2) диффузному рассеянному свету неба. چهل سهم از انرژی پرتوهای خورشید و 8 سهم دیگر از جو (در مجموع 48 یا 652.8 وات بر متر مربع) توسط سطح زمین جذب می شود و زمین و اقیانوس را گرم می کند.

نیروی نور پراکنده شده در جو (فقط 48 سهم یا 652.8 وات بر متر مربع) تا حدی توسط آن جذب می شود (10 سهم یا 136 وات بر متر مربع) و بقیه بین سطح زمین و فضا توزیع می شود. بیشتر از آنچه که به سطح برخورد می کند، به فضای بیرونی می رود، 30 سهم (408 وات بر متر مربع) بالا، 8 سهم (108.8 وات بر متر مربع) پایین.

به طور مشترک شرح داده شده است، متوسط، تصویری از توزیع مجدد انرژی خورشیدی در جو زمین. با این حال، اجازه حل مشکلات خاص استفاده از انرژی خورشیدی را برای رفع نیازهای یک فرد در یک منطقه خاص از محل سکونت و کار خود نمی دهد و در اینجا دلیل آن است.

جو زمین پرتوهای مایل خورشید را بهتر منعکس می کند، بنابراین تابش ساعتی در استوا و در عرض های جغرافیایی میانی بسیار بیشتر از عرض های جغرافیایی بالا است.

جدول 1 داده های مربوط به تابش نور را برای مناطق مختلف زمین نشان می دهد.

جدول 1 - عایق بندی جزء مستقیم به تفکیک منطقه برای یک فضای تمیز

جدول 1 نشان می دهد که مقدار روزانه تابش خورشید حداکثر نه در استوا، بلکه نزدیک به 40 ⁰ است. واقعیت مشابهی نیز نتیجه تمایل محور زمین به صفحه مدار آن است. در انقلاب تابستانی، خورشید در مناطق استوایی تقریباً در تمام روز بالای سر است و ساعات روشنایی روز 13.5 ساعت است که بیشتر از استوا در روز اعتدال است. با افزایش عرض جغرافیایی، طول روز افزایش می یابد و اگرچه شدت تابش خورشیدی کاهش می یابد، حداکثر مقدار تابش خورشیدی در طول روز در عرض جغرافیایی حدود 40 ⁰ رخ می دهد و تقریباً (برای شرایط آسمان بدون ابر) تا دایره قطب شمال ثابت می ماند.

لازم به تاکید است که داده های جدول 1 فقط برای یک جو خالص معتبر است. با در نظر گرفتن ابر و آلودگی اتمسفر توسط زباله های صنعتی که برای بسیاری از کشورهای جهان معمول است، مقادیر ارائه شده در جدول باید حداقل به نصف کاهش یابد. به عنوان مثال، برای انگلستان در 70 قرن بیستم، قبل از شروع مبارزه برای حفاظت از محیط زیست، مقدار سالانه تابش خورشید به جای 1700 کیلووات ساعت در متر مربع، تنها 900 کیلووات ساعت در متر مربع بود.

آئروسل ها به طور قابل توجهی جریان تابش مستقیم خورشید را به منطقه آبی حوضچه کاهش می دهند و عمدتاً تابش طیف مرئی را با طول موجی که آزادانه از لایه تازه حوض عبور می کند جذب می کنند. زیرا انباشت انرژی خورشیدی توسط حوضچه از اهمیت بالایی برخوردار است.(لایه ای از آب به ضخامت 1 سانتی متر عملاً در برابر تابش مادون قرمز با طول موج بیش از 1 میکرون مات است). بنابراین از آب به ضخامت چند سانتی متر به عنوان فیلتر محافظ حرارتی استفاده می شود. برای شیشه، حد انتقال مادون قرمز با طول موج بلند 2.7 میکرومتر است.

تعداد زیادی از ذرات گرد و غبار که آزادانه در سراسر استپ منتقل می شوند، شفافیت جو را نیز کاهش می دهند.

تشعشعات الکترومغناطیسی از تمام اجسام گرم ساطع می شود و هر چه بدن سردتر باشد، شدت تابش کمتر می شود و حداکثر طیف آن بیشتر به ناحیه موج بلند منتقل می شود. یک رابطه بسیار ساده λmax×Τ=c¹[ c¹= 0.2898 cm∙deg وجود دارد. (Vina)]، با کمک آن می توان به راحتی تعیین کرد که حداکثر تابش یک جسم با دمای Τ (⁰K) در کجا قرار دارد. به عنوان مثال، بدن انسان با دمای 37 + 273 = 310 ⁰K پرتوهای مادون قرمز با حداکثر مقدار λmax = 9.3 میکرومتر ساطع می کند. و دیوارها، به عنوان مثال، یک خشک کن خورشیدی، با دمای 90 ⁰С، پرتوهای مادون قرمز با حداکثر نزدیک به مقدار λmax = 8 میکرومتر ساطع می کنند.

تابش خورشیدی مرئی (0.4 میکرومتر< λ < 0,7 мкм) имеет 45 % интенсивности потому, что температура поверхности Солнца 5780 ⁰К.

در پیشرفت بزرگ آن، انتقال از یک لامپ رشته ای الکتریکی با رشته کربن به یک لامپ مدرن با رشته تنگستن بود. نکته این است که یک رشته کربن را می توان به دمای 2100 ⁰K و یک رشته تنگستن - تا 2500 ⁰K رساند. چرا این 400 ⁰K اینقدر مهم هستند؟ موضوع این است که هدف یک لامپ رشته ای گرم کردن نیست، بلکه نور دادن است. بنابراین، دستیابی به چنین موقعیتی ضروری است که حداکثر منحنی بر روی مطالعه قابل مشاهده باشد. ایده آل این است که رشته ای داشته باشیم که بتواند دمای سطح خورشید را تحمل کند. اما حتی انتقال از 2100 به 2500 ⁰K کسر انرژی قابل انتساب به تابش مرئی را از 0.5 به 1.6٪ افزایش می دهد.

همه می توانند با آوردن کف دست از پایین (برای از بین بردن همرفت حرارتی) پرتوهای فروسرخ را که از بدنی که تنها به 60 تا 70 ⁰С گرم شده است، احساس کنند.

ورود تابش مستقیم خورشید به منطقه آبی حوض با ورود آن به سطح تابش افقی مطابقت دارد. در عین حال، موارد فوق عدم قطعیت ویژگی های کمی ورود در یک نقطه خاص از زمان، اعم از فصلی و روزانه را نشان می دهد. فقط ارتفاع خورشید (جرم نوری جو) یک مشخصه ثابت است.

تجمع تابش خورشیدی توسط سطح زمین و حوضچه به طور قابل توجهی متفاوت است.

سطوح طبیعی زمین قابلیت بازتابی (جذب) متفاوتی دارند. بنابراین، سطوح تیره (چرنوزم، باتلاق ذغال سنگ نارس) دارای مقدار آلبدوی پایینی در حدود 10٪ هستند. ( آلبدوی سطحینسبت شار تشعشعی است که توسط این سطح به فضای اطراف منعکس می شود به شاری که روی آن می افتد).

آلبدوی سطوح آب بسته به ارتفاع خورشید و درجه هیجان در محدوده 3 تا 45 درصد است.

با سطح آب آرام، آلبدو فقط به ارتفاع خورشید بستگی دارد (شکل 2).

شکل 2- وابستگی ضریب انعکاس تابش خورشید برای سطح آب آرام به ارتفاع خورشید.

ورود تابش خورشید و عبور آن از لایه ای از آب ویژگی های خاص خود را دارد.

به طور کلی، خواص نوری آب (محلول های آن) در ناحیه مرئی تابش خورشیدی در شکل 3 نشان داده شده است.

Ф0 - شار (قدرت) تابش فرودی،

Photr - شار تابش منعکس شده توسط سطح آب،

Фabs شار تابش جذب شده توسط توده آب است.

Фр - شار تابشی که از توده آب عبور کرده است.

بازتاب بدن Fotr/Ф0

ضریب جذب Фabl/Ф0

قابلیت عبور Фpr/Ф0.

شکل 3- خواص نوری آب (محلول های آن) در ناحیه مرئی تابش خورشیدی

در مرز مسطح دو محیط هوا - آب، پدیده انعکاس و شکست نور مشاهده می شود.

هنگامی که نور منعکس می شود، پرتو فرودی، پرتو بازتاب شده و عمود بر سطح بازتابنده، که در نقطه برخورد پرتو بازیابی می شود، در یک صفحه قرار می گیرند و زاویه بازتاب برابر با زاویه تابش است. در مورد انکسار، پرتو فرودی، عمودی که در نقطه فرود پرتو به سطح مشترک بین دو محیط باز می گردد و پرتو شکسته در یک صفحه قرار می گیرند. زاویه تابش α و زاویه انکسار β (شکل 4) مربوط به sin α /sin β=n2|n1 هستند، که در آن n2 ضریب شکست مطلق محیط دوم، n1 - محیط اول است. از آنجایی که برای هوا n1≈1 فرمول به شکل sin α /sin β=n2 خواهد بود

شکل 4- انکسار پرتوها در حین انتقال از هوا به آب

در نتیجه، پرتوهایی که در زوایای مختلف بر روی آب می افتند، در زیر آب به شکل یک مخروط نسبتاً محکم با زاویه باز شدن 48.5 ⁰ + 48.5 ⁰ = 97 ⁰ فشرده می شوند (شکل 4c).

علاوه بر این، شکست آب به دمای آن بستگی دارد (جدول 2)، اما این تغییرات آنقدر قابل توجه نیستند که نتوانند برای تمرین مهندسی در موضوع مورد بررسی جالب باشند.

جدول 2 - ضریب شکستآب در دماهای مختلف t

	n			n			n

شکل 5- انکسار پرتوها در حین انتقال از آب به هوا

اگر n2< n1(вторая среда оптически менее плотная), то α < β. Наибольшему значению β = 90 ⁰ соответствует угол падения α0 , определяемый равенством sinα0=n2/n1. При угле падения α >α0، فقط پرتو بازتابی وجود دارد، هیچ پرتو شکستی وجود ندارد ( پدیده بازتاب داخلی کل).

هر پرتوی زیر آب که با زاویه ای بیشتر از "محدود" (یعنی بیشتر از 48.5 ⁰) به سطح آب برخورد کند، منکسر نمی شود، بلکه منعکس می شود. بازتاب داخلی کل". انعکاس در این مورد کل نامیده می‌شود، زیرا تمام پرتوهای فرود در اینجا منعکس می‌شوند، در حالی که حتی بهترین آینه نقره‌ای صیقلی تنها بخشی از پرتوهای تابیده شده بر روی خود را منعکس می‌کند، در حالی که بقیه را جذب می‌کند. آب در این شرایط یک آینه ایده آل است. در این مورد، ما در مورد نور مرئی صحبت می کنیم. به طور کلی، ضریب شکست آب مانند سایر مواد به طول موج بستگی دارد (به این پدیده پراکندگی می گویند). در نتیجه، زاویه محدود کننده ای که در آن بازتاب داخلی کل رخ می دهد برای طول موج های مختلف یکسان نیست، اما برای نور مرئی که در مرز آب و هوا منعکس می شود، این زاویه کمتر از 1⁰ تغییر می کند.

با توجه به این واقعیت که در یک زاویه بیشتر از عمود بر 48.5 ⁰، پرتو خورشید نمی تواند وارد آب شود: این زاویه "محدود کننده" برای آب است (شکل 4، b)، سپس جرم آب، در کل محدوده مقادیر. ارتفاع خورشید نسبت به هوا خیلی ناچیز تغییر نمی کند - همیشه کمتر است .

با این حال، از آنجایی که چگالی آب 800 برابر بیشتر از چگالی هوا است، جذب تابش خورشید توسط آب به طور قابل توجهی تغییر خواهد کرد.

علاوه بر این، اگر تابش نور از یک محیط شفاف عبور کند، طیف چنین نوری دارای ویژگی هایی است. خطوط خاصی در آن به شدت تضعیف شده است، به عنوان مثال. امواج با طول موج متناظر به شدت توسط محیط مورد بررسی جذب می شوند.چنین طیف هایی نامیده می شوند طیف های جذبی. شکل طیف جذب بستگی به ماده مورد بررسی دارد.

از آنجایی که محلول نمک است حوضچه نمک خورشیدیممکن است حاوی غلظت‌های متفاوتی از کلریدهای سدیم و منیزیم و نسبت‌های آنها باشد، پس منطقی نیست که درباره طیف‌های جذبی صحبت کنیم. اگرچه تحقیقات و داده ها در این زمینه فراوان است.

شکل 7 - جذب تابش خورشید در آب

شکل 6 - وابستگی توان عملیاتی محلول کلرید منیزیم به غلظت

کتابشناسی - فهرست کتب

1 Osadchiy G.B. انرژی خورشیدی، مشتقات و فناوری های استفاده از آن (مقدمه ای بر انرژی RES) / G.B. اوسادچی. Omsk: IPK Maksheeva E.A., 2010. 572 p.

2 توایدل جی. منابع انرژی تجدیدپذیر / J. Twydell, A . ویر. M.: Energoatomizdat, 1990. 392 p.

3 دافی J. A. فرآیندهای حرارتی با استفاده از انرژی خورشیدی / J. A. Duffy, W. A. Beckman. م.: میر، 1356. 420 ص.

4 منابع اقلیمی بایکال و حوضه آن / N. P. Ladeyshchikov, Novosibirsk, Nauka, 1976, 318p.

5 Pikin S. A. کریستال های مایع / S. A. Pikin, L. M. Blinov. M.: Nauka، 1982. 208 ص.

6 Kitaygorodsky A. I. فیزیک برای همه: فوتون ها و هسته ها / A. I. Kitaygorodsky. M.: Nauka، 1984. 208 ص.

سخنرانی 2.

تابش خورشیدی.

طرح:

1. ارزش تابش خورشید برای حیات روی زمین.

2. انواع تشعشعات خورشیدی.

3. ترکیب طیفی تابش خورشیدی.

4. جذب و پراکندگی تابش.

5.PAR (تابش فعال فتوسنتزی).

6. تعادل تشعشع.

1. منبع اصلی انرژی روی زمین برای همه موجودات زنده (گیاهان، حیوانات و انسانها) انرژی خورشید است.

خورشید یک توپ گازی با شعاع 695300 کیلومتر است. شعاع خورشید 109 برابر بیشتر از شعاع زمین است (استوایی 6378.2 کیلومتر، قطبی 6356.8 کیلومتر). خورشید عمدتاً از هیدروژن (64٪) و هلیوم (32٪) تشکیل شده است. بقیه تنها 4 درصد از جرم آن را تشکیل می دهند.

انرژی خورشیدی شرط اصلی وجود زیست کره و یکی از عوامل اصلی تشکیل دهنده آب و هوا است. با توجه به انرژی خورشید، توده های هوا در جو دائما در حال حرکت هستند، که ثبات ترکیب گاز جو را تضمین می کند. تحت تأثیر تابش خورشید، مقدار زیادی آب از سطح مخازن، خاک، گیاهان تبخیر می شود. بخار آب که توسط باد از اقیانوس ها و دریاها به قاره ها منتقل می شود، منبع اصلی بارش برای خشکی است.

انرژی خورشیدی یک شرط ضروری برای وجود گیاهان سبز است که انرژی خورشیدی را در طی فتوسنتز به مواد آلی پرانرژی تبدیل می کنند.

رشد و نمو گیاهان فرآیند جذب و پردازش انرژی خورشیدی است، بنابراین تولید محصولات کشاورزی تنها در صورتی امکان پذیر است که انرژی خورشیدی به سطح زمین برسد. این دانشمند روسی نوشت: «بهترین آشپز را هر چقدر که دوست دارید هوای تازه، نور خورشید، یک رودخانه کامل آب تمیز بدهید، از او بخواهید شکر، نشاسته، چربی و غلات را از همه اینها تهیه کند و او فکر می کند که می خندید. در او اما چیزی که برای شخص کاملاً خارق العاده به نظر می رسد بدون مانع در برگ های سبز گیاهان تحت تأثیر انرژی خورشید انجام می شود. تخمین زده می شود که 1 متر مربع یک متر برگ در ساعت یک گرم قند تولید می کند. با توجه به اینکه زمین توسط پوسته ای پیوسته از جو احاطه شده است، پرتوهای خورشید قبل از رسیدن به سطح زمین از تمام ضخامت جو عبور می کنند که بخشی از آنها را منعکس می کند، بخشی پراکنده می شود، یعنی مقدار و کیفیت آن را تغییر می دهد. ورود نور خورشید به سطح زمین موجودات زنده به تغییرات در شدت روشنایی ایجاد شده توسط تابش خورشید حساس هستند. با توجه به پاسخ متفاوت به شدت نور، همه اشکال پوشش گیاهی به نور دوست و سایه مقاوم تقسیم می شوند. نور کافی در محصولات زراعی باعث تمایز ضعیف بافت های کاه غلات می شود. در نتیجه، استحکام و خاصیت ارتجاعی بافت ها کاهش می یابد که اغلب منجر به خوابیدن محصولات می شود. در محصولات ذرت غلیظ شده، به دلیل نور کم توسط تابش خورشید، تشکیل لپه روی گیاهان ضعیف می شود.

تابش خورشید بر ترکیب شیمیایی محصولات کشاورزی تأثیر می گذارد. به عنوان مثال، محتوای قند چغندر و میوه ها، محتوای پروتئین در دانه گندم به طور مستقیم به تعداد روزهای آفتابی بستگی دارد. مقدار روغن دانه های آفتابگردان، کتان نیز با افزایش ورود تابش خورشیدی افزایش می یابد.

روشنایی اندام های هوایی گیاهان به طور قابل توجهی بر جذب عناصر غذایی توسط ریشه تأثیر می گذارد. تحت نور کم، انتقال مواد جذب شده به ریشه کند می شود و در نتیجه فرآیندهای بیوسنتزی که در سلول های گیاهی اتفاق می افتد، مهار می شوند.

روشنایی همچنین بر ظهور، گسترش و توسعه بیماری های گیاهی تأثیر می گذارد. دوره عفونت شامل دو مرحله است که در پاسخ به فاکتور نور با یکدیگر متفاوت هستند. اولین آنها - جوانه زدن واقعی هاگ ها و نفوذ اصل عفونی به بافت های فرهنگ آسیب دیده - در بیشتر موارد به حضور و شدت نور بستگی ندارد. دوم - پس از جوانه زنی هاگ - در شرایط نور زیاد فعال ترین است.

اثر مثبت نور بر سرعت رشد پاتوژن در گیاه میزبان نیز تأثیر می گذارد. این امر به ویژه در قارچ های زنگ زده مشهود است. هر چه نور بیشتر باشد دوره نهفتگی زنگ خط گندم، زنگ زرد جو، زنگ کتان و لوبیا و... کوتاهتر می شود و این باعث افزایش تعداد نسل قارچ و افزایش شدت آلودگی می شود. باروری در این پاتوژن در شرایط نور شدید افزایش می یابد.

برخی از بیماری ها به طور فعال در نور کم ایجاد می شوند، که باعث ضعیف شدن گیاهان و کاهش مقاومت آنها در برابر بیماری ها (عوامل ایجاد کننده انواع پوسیدگی، به ویژه گیاهان سبزی) می شود.

مدت زمان روشنایی و گیاهان. ریتم تابش خورشید (تناوب قسمت های روشن و تاریک روز) پایدارترین و تکرار شونده ترین عامل محیطی سال به سال است. در نتیجه سالها تحقیق، فیزیولوژیست ها وابستگی انتقال گیاهان به رشد زایشی را به نسبت معینی از طول روز و شب ثابت کرده اند. در این راستا، کشت ها را با توجه به واکنش دوره نوری می توان به گروه های زیر طبقه بندی کرد: روز کوتاهکه توسعه آن در طول روز بیش از 10 ساعت به تعویق افتاده است. یک روز کوتاه تشکیل گل را تشویق می کند، در حالی که یک روز طولانی از آن جلوگیری می کند. این گونه محصولات عبارتند از سویا، برنج، ارزن، سورگوم، ذرت و غیره.

روز طولانی تا ساعت 12-13نیاز به روشنایی طولانی مدت برای توسعه آنها. رشد آنها زمانی تسریع می شود که طول روز حدود 20 ساعت باشد.این محصولات شامل چاودار، جو دوسر، گندم، کتان، نخود، اسفناج، شبدر و غیره است.

خنثی نسبت به طول روز، که توسعه آن به طول روز بستگی ندارد، به عنوان مثال، گوجه فرنگی، گندم سیاه، حبوبات، ریواس.

مشخص شده است که غلبه یک ترکیب طیفی خاص در شار تابشی برای شروع گلدهی گیاهان ضروری است. گیاهان روز کوتاه زمانی سریعتر رشد می کنند که حداکثر تابش بر روی پرتوهای آبی-بنفش باشد و گیاهان روز بلند - بر روی گیاهان قرمز. مدت زمان نور روز (طول نجومی روز) به زمان سال و عرض جغرافیایی بستگی دارد. در خط استوا، طول روز در طول سال 30 ± 12 ساعت است. هنگام حرکت از استوا به قطب ها پس از اعتدال بهاری (21.03)، طول روز به سمت شمال افزایش و به سمت جنوب کاهش می یابد. پس از اعتدال پاییزی (23.09) توزیع طول روز معکوس می شود. در نیمکره شمالی، 22 ژوئن طولانی ترین روز است که مدت آن 24 ساعت در شمال دایره قطب شمال است، کوتاه ترین روز در نیمکره شمالی، 22 دسامبر است و خورشید فراتر از دایره قطب شمال در ماه های زمستان، این روز را ندارد. اصلاً از افق بالاتر برود در عرض های جغرافیایی متوسط، به عنوان مثال، در مسکو، طول روز در طول سال از 7 تا 17.5 ساعت متغیر است.

2. انواع تابش خورشیدی.

تابش خورشیدی از سه جزء تشکیل شده است: تابش مستقیم خورشیدی، پراکنده و کل.

تابش مستقیم خورشیدیS-تشعشعاتی که از خورشید به صورت پرتویی از پرتوهای موازی به جو و سپس به سطح زمین می رسد. شدت آن بر حسب کالری بر سانتی متر مربع در دقیقه اندازه گیری می شود. این بستگی به ارتفاع خورشید و وضعیت جو (ابری، گرد و غبار، بخار آب) دارد. مقدار سالانه تابش مستقیم خورشید در سطح افقی قلمرو قلمرو استاوروپل 65-76 کیلو کالری در سانتی متر مربع در دقیقه است. در سطح دریا، با موقعیت بالای خورشید (تابستان، ظهر) و شفافیت خوب، تابش مستقیم خورشید 1.5 کیلو کالری در سانتی متر مربع در دقیقه است. این قسمت طول موج کوتاه طیف است. هنگامی که جریان تابش مستقیم خورشید از جو عبور می کند، به دلیل جذب (حدود 15٪) و پراکندگی (حدود 25٪) انرژی توسط گازها، ذرات معلق در هوا، ابرها ضعیف می شود.

جریان تابش مستقیم خورشیدی که بر روی سطح افقی می افتد را تابش می گویند. اس= اس گناه هوجزء عمودی تابش مستقیم خورشید است.

اس – مقدار گرمای دریافتی توسط یک سطح عمود بر پرتو ,

هو – ارتفاع خورشید، یعنی زاویه ای که توسط یک پرتو خورشید با سطح افقی تشکیل شده است .

در مرز جو، شدت تابش خورشید استبنابراین= 1,98 kcal/cm2/min. - طبق قرارداد بین المللی 1958. ثابت خورشیدی نامیده می شود. اگر اتمسفر کاملا شفاف بود، این در سطح خواهد بود.

برنج. 2.1. مسیر پرتو خورشید در جو در ارتفاعات مختلف خورشید

تابش پراکندهD – بخشی از تابش خورشید در نتیجه پراکندگی جو به فضا باز می گردد، اما بخش قابل توجهی از آن به صورت تابش پراکنده وارد زمین می شود. حداکثر تابش پراکنده + 1 کیلو کالری در سانتی متر مربع در دقیقه. اگر ابرهای بلند روی آن باشد در آسمان صاف مشخص می شود. در زیر یک آسمان ابری، طیف تابش پراکنده شبیه به خورشید است. این قسمت طول موج کوتاه طیف است. طول موج 0.17-4 میکرون.

تابش کلس- از تشعشعات منتشر و مستقیم به سطح افقی تشکیل شده است. س= اس+ D.

نسبت بین تابش مستقیم و پراکنده در ترکیب تابش کل به ارتفاع خورشید، ابری بودن و آلودگی جو و ارتفاع سطح از سطح دریا بستگی دارد. با افزایش ارتفاع خورشید، کسری از تابش پراکنده در آسمان بدون ابر کاهش می یابد. هر چه اتمسفر شفاف تر و خورشید بالاتر باشد، نسبت تابش پراکنده کمتر است. با ابرهای متراکم پیوسته، کل تشعشع کاملاً از تشعشعات پراکنده تشکیل شده است. در زمستان به دلیل انعکاس تابش از پوشش برف و پراکندگی ثانویه آن در جو، نسبت تابش پراکنده در ترکیب کل به طور محسوسی افزایش می یابد.

نور و گرمای دریافتی گیاهان از خورشید، نتیجه عمل تابش کل خورشید است. بنابراین، داده‌های مربوط به میزان تشعشعات دریافتی سطح در روز، ماه، فصل رشد و سال از اهمیت بالایی برای کشاورزی برخوردار است.

تابش خورشیدی منعکس شده آلبیدو. مجموع تشعشعاتی که به سطح زمین رسیده و تا حدی از آن منعکس شده است، تابش خورشیدی منعکس شده (RK) ایجاد می کند که از سطح زمین به جو هدایت می شود. مقدار تابش بازتابی تا حد زیادی به خواص و وضعیت سطح بازتابنده بستگی دارد: رنگ، زبری، رطوبت، و غیره. به کل. آلبیدو معمولاً به صورت درصد بیان می شود:

مشاهدات نشان می دهد که آلبدوی سطوح مختلف به استثنای برف و آب در محدوده های نسبتاً باریک (10...30٪) تغییر می کند.

آلبیدو به رطوبت خاک بستگی دارد که با افزایش آن کاهش می یابد که در روند تغییر رژیم حرارتی مزارع آبی مهم است. به دلیل کاهش آلبدو، زمانی که خاک مرطوب می شود، تشعشع جذب شده افزایش می یابد. آلبدوی سطوح مختلف به دلیل وابستگی آلبدو به ارتفاع خورشید، تغییرات روزانه و سالانه خوبی دارد. کمترین مقدار آلبیدو در حدود ساعت ظهر و در طول سال - در تابستان مشاهده می شود.

تابش خود زمین و تابش متضاد جو. تشعشع کارآمدسطح زمین به عنوان یک جسم فیزیکی با دمای بالاتر از صفر مطلق (273- درجه سانتی گراد) منبع تابش است که به آن تابش خود زمین (E3) می گویند. به جو هدایت می شود و تقریباً به طور کامل توسط بخار آب، قطرات آب و دی اکسید کربن موجود در هوا جذب می شود. تابش زمین به دمای سطح آن بستگی دارد.

جو، با جذب مقدار کمی از تابش خورشید و تقریبا تمام انرژی ساطع شده از سطح زمین، گرم می شود و به نوبه خود، انرژی نیز ساطع می کند. حدود 30 درصد از تشعشعات اتمسفر به فضا می رود و حدود 70 درصد به سطح زمین می رسد و به آن تابش ضد اتمسفر (Ea) می گویند.

مقدار انرژی ساطع شده از اتمسفر به طور مستقیم با دمای آن، محتوای دی اکسید کربن، ازن و پوشش ابری آن متناسب است.

سطح زمین این تابش متقابل را تقریباً به طور کامل جذب می کند (90...99%). بنابراین، علاوه بر تابش خورشیدی جذب شده، منبع مهم گرما برای سطح زمین است. این تأثیر اتمسفر بر رژیم حرارتی زمین به دلیل تشابه بیرونی با عمل شیشه ها در گلخانه ها و گلخانه ها، اثر گلخانه ای یا گلخانه ای نامیده می شود. شیشه اشعه های خورشید را به خوبی منتقل می کند که خاک و گیاهان را گرم می کند، اما تابش حرارتی خاک و گیاهان را به تاخیر می اندازد.

تفاوت بین تابش خود سطح زمین و تابش متضاد جو را تابش مؤثر می گویند: Eef.

Eef= E3-Ea

در شب‌های صاف و کمی ابری، تشعشعات مؤثر بسیار بیشتر از شب‌های ابری است؛ بنابراین سرد شدن شبانه سطح زمین نیز بیشتر است. در طول روز، توسط تابش کل جذب شده مسدود می شود، در نتیجه دمای سطح افزایش می یابد. در همان زمان، تشعشع موثر نیز افزایش می یابد. سطح زمین در عرض های جغرافیایی میانی در اثر تابش موثر 70...140 W/m2 از دست می دهد که تقریباً نیمی از گرمایی است که از جذب تابش خورشیدی دریافت می کند.

3. ترکیب طیفی تابش.

خورشید به عنوان منبع تشعشع، دارای انواع امواج ساطع شده است. شارهای انرژی تابشی در طول طول موج مشروط به تقسیم می شوند موج کوتاه (ایکس < 4 мкм) и длинноволновую (А. >4 میکرومتر) تشعشع.طیف تابش خورشید در مرز جو زمین عملاً بین طول موج های 0.17 تا 4 میکرون و تابش زمینی و جوی - از 4 تا 120 میکرون است. در نتیجه، شار تابش خورشیدی (S, D, RK) به تابش موج کوتاه و تابش زمین (3 پوند) و اتمسفر (Ea) به تابش موج بلند اشاره دارد.

طیف تابش خورشیدی را می توان از نظر کیفی به سه بخش مختلف تقسیم کرد: فرابنفش (Y< 0,40 мкм), видимую (0,40 мкм < Y < 0.75 میکرومتر) و مادون قرمز (0.76 میکرومتر). < Y < 4 میکرومتر). قبل از بخش فرابنفش طیف تابش خورشیدی، تابش اشعه ایکس، و فراتر از مادون قرمز - انتشار رادیویی خورشید قرار دارد. در مرز بالایی جو، قسمت فرابنفش طیف حدود 7 درصد از انرژی تابش خورشیدی، 46 درصد برای مرئی و 47 درصد برای مادون قرمز را تشکیل می دهد.

تشعشعات ساطع شده از زمین و جو نامیده می شود تابش مادون قرمز دور

اثر بیولوژیکی انواع مختلف تابش بر گیاهان متفاوت است. اشعه ماوراء بنفشفرآیندهای رشد را کند می کند، اما گذر از مراحل تشکیل اندام های تولید مثل در گیاهان را تسریع می کند.

ارزش تابش مادون قرمزکه به طور فعال توسط آب در برگ و ساقه گیاهان جذب می شود، اثر حرارتی آن است که به طور قابل توجهی بر رشد و نمو گیاهان تأثیر می گذارد.

تابش مادون قرمز دورفقط یک اثر حرارتی روی گیاهان ایجاد می کند. تأثیر آن بر رشد و نمو گیاهان ناچیز است.

بخش قابل مشاهده از طیف خورشیدیاولاً باعث ایجاد روشنایی می شود. ثانیاً، به اصطلاح تابش فیزیولوژیکی (A، = 0.35 ... 0.75 میکرومتر)، که توسط رنگدانه‌های برگ جذب می‌شود، تقریباً با ناحیه تشعشع مرئی (تا حدودی منطقه پرتو فرابنفش را جذب می‌کند) منطبق است. انرژی آن اهمیت تنظیمی و انرژی مهمی در زندگی گیاهان دارد. در این ناحیه از طیف، ناحیه ای از تابش فعال فتوسنتزی متمایز می شود.

4. جذب و پراکندگی تشعشعات در جو.

تابش خورشید با عبور از جو زمین به دلیل جذب و پراکندگی توسط گازهای جوی و ذرات معلق در هوا کاهش می یابد. در عین حال ترکیب طیفی آن نیز تغییر می کند. در ارتفاعات مختلف خورشید و ارتفاعات مختلف نقطه رصد بالای سطح زمین، طول مسیری که پرتو خورشید در جو طی می کند یکسان نیست. با کاهش ارتفاع، قسمت ماوراء بنفش تشعشع به شدت کاهش می یابد، قسمت مرئی تا حدودی کمتر و فقط کمی قسمت مادون قرمز کاهش می یابد.

پراکندگی تابش در اتمسفر عمدتاً در نتیجه نوسانات (نوسانات) مداوم در چگالی هوا در هر نقطه از جو رخ می دهد که در اثر تشکیل و تخریب "خوشه ها" (توده ها) خاصی از مولکول های گاز اتمسفر ایجاد می شود. ذرات آئروسل نیز تشعشعات خورشیدی را پراکنده می کنند. شدت پراکندگی با ضریب پراکندگی مشخص می شود.

K = افزودن فرمول.

شدت پراکندگی به تعداد ذرات پراکنده در واحد حجم، اندازه و ماهیت آنها و همچنین به طول موج خود تابش پراکنده بستگی دارد.

پرتوها هر چه قوی تر باشند، طول موج کوتاه تر است. به عنوان مثال، پرتوهای بنفش 14 برابر بیشتر از قرمز پراکنده می شوند که رنگ آبی آسمان را توضیح می دهد. همانطور که در بالا ذکر شد (به بخش 2.2 مراجعه کنید)، تابش مستقیم خورشیدی که از جو عبور می کند تا حدی از بین می رود. در هوای تمیز و خشک، شدت ضریب پراکندگی مولکولی از قانون ریلی پیروی می کند:

k=s/Y4 ,

که در آن C ضریب بسته به تعداد مولکول های گاز در واحد حجم است. X طول موج پراکنده است.

از آنجایی که طول موج های دور نور قرمز تقریبا دو برابر طول موج های نور بنفش است، اولی توسط مولکول های هوا 14 برابر کمتر از دومی پراکنده می شود. از آنجایی که انرژی اولیه (قبل از پراکندگی) پرتوهای بنفش کمتر از آبی و آبی است، حداکثر انرژی در نور پراکنده (تابش خورشیدی پراکنده) به پرتوهای آبی-آبی منتقل می شود که رنگ آبی آسمان را تعیین می کند. بنابراین، تابش پراکنده در پرتوهای فعال فتوسنتزی غنی تر از تابش مستقیم است.

در هوای حاوی ناخالصی ها (قطرات کوچک آب، کریستال های یخ، ذرات گرد و غبار و غیره)، پراکندگی برای همه مناطق پرتوهای مرئی یکسان است. بنابراین، آسمان رنگ سفیدی پیدا می کند (مه ظاهر می شود). عناصر ابر (قطرات و بلورهای بزرگ) به هیچ وجه پرتوهای خورشید را پراکنده نمی کنند، بلکه آنها را به طور پراکنده منعکس می کنند. در نتیجه، ابرهایی که توسط خورشید روشن می شوند، سفید هستند.

5. PAR (تابش فعال فتوسنتزی)

تابش فعال فتوسنتزی. در فرآیند فتوسنتز، از کل طیف تابش خورشیدی استفاده نمی شود، بلکه فقط از آن استفاده می شود

بخشی در محدوده طول موج 0.38 ... 0.71 میکرون، - تابش فعال فتوسنتزی (PAR).

مشخص است که تابش مرئی که توسط چشم انسان به عنوان سفید درک می شود، از پرتوهای رنگی تشکیل شده است: قرمز، نارنجی، زرد، سبز، آبی، نیلی و بنفش.

جذب انرژی تابش خورشید توسط برگ های گیاه انتخابی (انتخابی) است. شدیدترین برگها پرتوهای آبی-بنفش (X = 0.48 ... 0.40 میکرون) و نارنجی-قرمز (X = 0.68 میکرون) را جذب می کنند، کمتر سبز زرد (A. = 0.58 ... 0.50 میکرون) و قرمز دور (A .\u003e 0.69 میکرون) پرتوها.

در سطح زمین، حداکثر انرژی در طیف تابش مستقیم خورشیدی، زمانی که خورشید زیاد است، روی ناحیه پرتوهای زرد-سبز می افتد (صفحه خورشید زرد است). هنگامی که خورشید نزدیک به افق است، پرتوهای قرمز دور بیشترین انرژی را دارند (صفحه خورشیدی قرمز است). بنابراین، انرژی نور مستقیم خورشید در فرآیند فتوسنتز دخالت چندانی ندارد.

از آنجایی که PAR یکی از مهمترین عوامل در بهره وری گیاهان کشاورزی است، اطلاعات مربوط به میزان PAR ورودی با در نظر گرفتن توزیع آن در قلمرو و در زمان از اهمیت عملی بالایی برخوردار است.

شدت PAR را می توان اندازه گیری کرد، اما این نیاز به فیلترهای نوری خاصی دارد که فقط امواجی در محدوده 0.38 ... 0.71 میکرون را منتقل می کند. چنین دستگاه هایی وجود دارند، اما در شبکه ایستگاه های اکتینومتری استفاده نمی شوند، اما شدت طیف انتگرال تابش خورشیدی را اندازه گیری می کنند. مقدار PAR را می توان با استفاده از ضرایب پیشنهاد شده توسط H. G. Tooming و از داده های مربوط به ورود تابش مستقیم، پراکنده یا کل محاسبه کرد:

Qfar = 0.43 اس"+0.57 D)؛

نقشه های توزیع مقادیر ماهانه و سالانه فار در خاک روسیه تهیه شد.

برای مشخص کردن درجه استفاده از PAR توسط محصولات، کارایی PAR استفاده می شود:

KPIfar = (جمعس/ چراغ های جلو / مجموعس/ چراغ های جلو) 100%

جایی که مجموعس/ چراغ های جلو- مقدار PAR صرف شده برای فتوسنتز در طول فصل رشد گیاهان؛ مجموعس/ چراغ های جلو- مقدار PAR دریافتی برای محصولات در این دوره؛

محصولات زراعی با توجه به مقادیر متوسط CPIF به گروه ها تقسیم می شوند (بر اساس): معمولاً مشاهده می شود - 0.5 ... 1.5٪. خوب-1.5...3.0; رکورد - 3.5...5.0; از نظر تئوری ممکن است - 6.0 ... 8.0%.

6. تعادل تابشی سطح زمین

تفاوت بین شار ورودی و خروجی انرژی تابشی را تعادل تابشی سطح زمین (B) می گویند.

بخش ورودی تعادل تشعشعی سطح زمین در طول روز از تشعشعات مستقیم خورشیدی و پراکنده و همچنین تشعشعات جوی تشکیل شده است. بخش مخارج تراز، تابش سطح زمین و تابش خورشیدی منعکس شده است:

ب= اس / + D+ ایا-E3-Rk

معادله را می توان به شکل دیگری نیز نوشت: ب = س- RK - ایف

برای شب، معادله تعادل تشعشع به شکل زیر است:

B \u003d Ea - E3 یا B \u003d -Eef.

اگر ورودی تابش بیشتر از خروجی باشد، تعادل تابش مثبت است و سطح فعال* گرم می شود. با تعادل منفی، خنک می شود. در تابستان تعادل تشعشع در روز مثبت و در شب منفی است. عبور از صفر در صبح تقریباً 1 ساعت پس از طلوع خورشید و در عصر 1-2 ساعت قبل از غروب خورشید رخ می دهد.

تراز تشعشعی سالانه در مناطقی که پوشش پایدار برف برقرار است در فصل سرد مقادیر منفی و در فصل گرم مقادیر مثبت دارد.

تعادل تابش سطح زمین به طور قابل توجهی بر توزیع دما در خاک و لایه سطحی جو و همچنین فرآیندهای تبخیر و ذوب برف، تشکیل مه و یخبندان، تغییر در خواص توده های هوا تأثیر می گذارد. دگرگونی).

آگاهی از رژیم تشعشع زمین کشاورزی این امکان را فراهم می کند که میزان تابش جذب شده توسط محصولات و خاک بسته به ارتفاع خورشید، ساختار محصولات و مرحله رشد گیاه محاسبه شود. داده‌های مربوط به رژیم همچنین برای ارزیابی روش‌های مختلف تنظیم دما و رطوبت خاک، تبخیر، که به رشد و توسعه گیاه، تشکیل محصول، کمیت و کیفیت آن بستگی دارد، ضروری است.

روشهای مؤثر زراعی برای تأثیرگذاری بر تشعشعات و در نتیجه رژیم حرارتی سطح فعال عبارتند از مالچ پاشی (پوشاندن خاک با لایه نازکی از تراشه ذغال سنگ نارس، کود دامی پوسیده، خاک اره و غیره)، پوشاندن خاک با پوشش پلاستیکی و آبیاری. . همه اینها ظرفیت بازتابی و جذب سطح فعال را تغییر می دهد.

* سطح فعال - سطح خاک، آب یا پوشش گیاهی که مستقیماً تشعشعات خورشیدی و جوی را جذب می کند و تشعشعات را در جو منتشر می کند و در نتیجه رژیم حرارتی لایه های مجاور هوا و لایه های زیرین خاک، آب، پوشش گیاهی را تنظیم می کند.

تایپ کنید