domov » Dvorišče in vrt » Radiacijska bilanca zemlje in osvetljenost morske gladine. Koliko sončne svetlobe absorbira zemeljska površina Koliko sončne energije doseže zemljo

Radiacijska bilanca zemlje in osvetljenost morske gladine. Koliko sončne svetlobe absorbira zemeljska površina Koliko sončne energije doseže zemljo

Za določitev glavnih in sekundarnih dejavnikov, ki vplivajo na učinkovitost shranjevanja sončne energije s solarnim slanikom, osnovnim modulom številnih sistemov in naprav obnovljivih virov energije (OVE), se obrnemo na sliko 1 - ki prikazuje vzporedno in zaporedno napredovanje sončne toplote v vročo slanico solarnega ribnika soli. Kot tudi nenehne spremembe vrednosti različnih vrst sončnega sevanja in njihove skupne vrednosti na poti.

Slika 1 - Histogram sprememb intenzitete sončnega sevanja (energije) na poti do vroče slanice solarnega ribnika soli.

Za oceno učinkovitosti aktivne uporabe različnih vrst sončnega sevanja bomo ugotavljali, kateri od naravnih, tehnogenih in obratovalnih dejavnikov pozitivno in kateri negativno vplivajo na koncentracijo (povečanje pretoka) sončnega sevanja v ribnik in njegovo kopičenje z vročo slanico.

Zemlja in ozračje prejmeta od Sonca 1,3∙1024 cal toplote na leto. Meri se z intenzivnostjo, tj. količina sevalne energije (v kalorijah), ki prihaja od Sonca na enoto časa na površino, pravokotno na sončne žarke.

Sevalna energija Sonca doseže Zemljo v obliki neposrednega in razpršenega sevanja, t.j. skupaj. Zemljina površina jo absorbira in se ne pretvori v celoti v toploto, del se je izgubi v obliki odbitega sevanja.

Direktno in razpršeno (skupno), odbito in absorbirano sevanje spada v kratkovalovni del spektra. Skupaj s kratkovalovnim sevanjem prodira v zemeljsko površje dolgovalovno sevanje iz ozračja (protisevanje), zemeljsko površje pa oddaja dolgovalovno sevanje (samosevanje).

Neposredno sončno obsevanje se nanaša na glavni naravni dejavnik pri oskrbi vodne površine solarnega ribnika z energijo. Sončno sevanje, ki prihaja na aktivno površino v obliki snopa vzporednih žarkov, ki izhajajo neposredno iz sončnega diska, imenujemo direktno sončno sevanje. Neposredno sončno sevanje spada v kratkovalovni del spektra (z valovnimi dolžinami od 0,17 do 4 mikronov, pravzaprav dosežejo zemeljsko površje žarki z valovno dolžino 0,29 mikronov)

Sončni spekter lahko razdelimo na tri glavna področja:

Ultravijolično sevanje (- vidno sevanje (0,4 µm) - infrardeče sevanje (> 0,7 µm) - intenzivnost 46 %. , tako da le majhen delček tega razpona sončne energije doseže zemeljsko površje.

Daljnji infrardeči (>12 µm) sončnega sevanja komaj doseže Zemljo.

Z vidika izrabe sončne energije na Zemlji je treba upoštevati le sevanje v območju valovnih dolžin 0,29 - 2,5 μm / Večina sončne energije izven atmosfere odpade na območje valovnih dolžin 0,2 - 4 μm, in na površini Zemlje - v območju 0,29 - 2,5 µm.

Poglejmo, kako se na splošno prerazporejajo energijski tokovi, ki jih Sonce daje Zemlji. Vzemimo 100 poljubnih enot sončne energije (1,36 kW/m2), ki padejo na Zemljo in zasledimo njihove poti v ozračju. En odstotek (13,6 W/m2), kratkega ultravijoličnega sončnega spektra, absorbirajo molekule v eksosferi in termosferi ter ju segrejejo. Še tri odstotke (40,8 W/m2) bližnjega ultravijoličnega sevanja absorbira stratosferski ozon. Infrardeči rep sončnega spektra (4 % ali 54,4 W/m2) ostaja v zgornjih plasteh troposfere, ki vsebujejo vodno paro (zgoraj je vodne pare praktično ni).

Preostalih 92 delov sončne energije (1,25 kW/m2) sodi v "okno prosojnosti" atmosfere 0,29 µm./m2), ostalo pa se porazdeli med površjem Zemlje in vesoljem. Več gre v vesolje, kot ga pade na površje, 30 deležev (408 W/m2) navzgor, 8 deležev (108,8 W/m2) navzdol.

To je bila splošna, povprečna slika prerazporeditve sončne energije v zemeljski atmosferi. Vendar pa ne omogoča reševanja posebnih problemov uporabe sončne energije za zadovoljevanje potreb osebe na določenem območju njegovega bivanja in dela, in tukaj je razlog.

Zemljina atmosfera bolje odbija poševne sončne žarke, zato je urna osončenost na ekvatorju in v srednjih zemljepisnih širinah veliko večja kot v visokih zemljepisnih širinah.

Višine Sonca (nad obzorjem) 90, 30, 20 in 12 ⁰ (zračna (optična) masa (m) atmosfere ustreza 1, 2, 3 in 5) z ozračjem brez oblaka ustreza do intenzivnosti približno 900, 750, 600 in 400 W / m2 (pri 42 ⁰ - m = 1,5 in pri 15 ⁰ - m = 4). V resnici skupna energija vpadnega sevanja presega navedene vrednosti, saj ne vključuje le neposredne komponente, temveč tudi vrednost razpršene komponente intenzitete sevanja na vodoravni površini, razpršene na zračnih masah 1, 2, 3, in 5 pod temi pogoji je enako 110, 90, 70 in 50 W/m2 (s faktorjem 0,3 - 0,7 za navpično ravnino, saj je vidna le polovica neba). Poleg tega je na območjih neba blizu Sonca "cirkumsolarni halo" v polmeru ≈ 5⁰.

Dnevna količina sončnega sevanja je največja ne na ekvatorju, ampak blizu 40 ⁰. Podobno dejstvo je tudi posledica nagnjenosti zemeljske osi glede na ravnino njene orbite. V času poletnega solsticija je Sonce v tropih skoraj ves dan nad glavo, dnevna svetloba pa traja 13,5 ure, več kot na ekvatorju na dan enakonočja. Z naraščajočo zemljepisno širino se dolžina dneva povečuje, in čeprav se intenzivnost sončnega sevanja zmanjša, se največja dnevna insolacija pojavi na zemljepisni širini približno 40 ⁰ in ostane skoraj nespremenjena (za razmere brez oblakov) do polarnega kroga.

Ob upoštevanju oblačnosti in onesnaženosti ozračja z industrijskimi odpadki, ki je značilna za številne države sveta, bi morale biti vrednosti, navedene v tabeli, vsaj prepolovljene. Tako je na primer za Anglijo v 70. letih 20. stoletja, pred začetkom boja za varstvo okolja, letna količina sončnega sevanja znašala le 900 kWh/m2 namesto 1700 kWh/m2.

Prve podatke o preglednosti ozračja na Bajkalskem jezeru je pridobil V.V. Bufalom leta 1964 Pokazal je, da so vrednosti neposrednega sončnega sevanja nad Bajkalom v povprečju za 13 % višje kot v Irkutsku. Povprečni koeficient spektralne preglednosti ozračja v severnem Bajkalu poleti je 0,949, 0,906, 0,883 za rdeče, zelene in modre filtre. Poleti je ozračje bolj optično nestabilno kot pozimi, ta nestabilnost pa se precej spreminja od predpoldneva do popoldneva. Glede na letni potek slabljenja z vodno paro in aerosoli se spreminja tudi njihov prispevek k skupnemu slabljenju sončnega sevanja. V hladnem delu leta imajo glavno vlogo aerosoli, v toplem delu leta pa vodna para. Bajkalsko kotlino in Bajkalsko jezero odlikuje relativno visoka celostna preglednost ozračja. Pri optični masi m = 2 se povprečne vrednosti koeficienta prosojnosti gibljejo od 0,73 (poleti) do 0,83 (pozimi). Aerosoli bistveno zmanjšajo dotok neposrednega sončnega sevanja v akvatorij ribnika, absorbirajo pa predvsem sevanje vidnega spektra, z valovno dolžino, ki prosto prehaja skozi svežo plast ribnika, kar je velikega pomena za akumulacijo sončnega sevanja. energije ob ribniku. (1 cm debela plast vode je praktično neprozorna za infrardeče sevanje z valovno dolžino večjo od 1 mikrona). Zato se kot toplotno zaščitni filter uporablja nekaj centimetrov debela voda. Za steklo je meja dolgovalovnega infrardečega prenosa 2,7 µm.

Veliko število prašnih delcev, ki se prosto prenašajo po stepi, prav tako zmanjšuje preglednost ozračja.

Elektromagnetno sevanje oddajajo vsa segreta telesa in bolj kot je telo hladno, manjša je intenzivnost sevanja in bolj se maksimum njegovega spektra pomakne v dolgovalovno področje. Obstaja zelo preprosta povezava [ = 0,2898 cm∙deg. (Wienov zakon)], s pomočjo katerega je enostavno ugotoviti, kje se nahaja največje sevanje telesa s temperaturo (⁰K). Na primer, človeško telo s temperaturo 37 + 273 = 310 ⁰K oddaja infrardeče žarke z največjo vrednostjo blizu vrednosti = 9,3 µm. In stene, na primer, solarnega sušilnika s temperaturo 90 ⁰С bodo oddajale infrardeče žarke z največjo vrednostjo blizu vrednosti = 8 mikronov. Vidno sončno sevanje (0,4 mikrona) Nekoč je bil velik napredek prehod od električne žarnice z žarilno nitko z ogljikovo nitko na sodobno žarnico z volframovo nitko.Gre za to, da se lahko ogljikova nitka segreje na temperaturo 2100°C. ⁰K, volframova žarilna nitka pa do 2500 ⁰K "Zakaj je teh 400 ⁰K tako pomembnih? Bistvo je v tem, da namen žarnice z žarilno nitko ni gretje, temveč svetloba. Zato je treba doseči tako položaj, da maksimum krivulje pade na vidno študijo. Idealno bi bilo imeti nit, ki bi vzdržala temperaturo površine Sonca, vendar že prehod iz 2100 na 2500 ⁰K poveča delež energije, ki ga je mogoče pripisati vidnemu sevanju, od 0,5 do 1,6 %.

Infrardeče žarke, ki izhajajo iz telesa, segretega na samo 60 - 70 ⁰С, lahko vsakdo občuti s približevanjem dlani od spodaj (za odpravo toplotne konvekcije). Prihod neposrednega sončnega sevanja v vodno območje ribnika ustreza njegovemu prihodu na vodoravno površino obsevanja. Navedeno hkrati kaže na negotovost kvantitativnih značilnosti prihoda v določeni časovni točki, tako sezonske kot dnevne. Samo višina Sonca (optična masa atmosfere) je konstantna značilnost.

Akumulacija sončnega sevanja na zemeljski površini in ribniku se bistveno razlikujeta.

Naravne površine Zemlje imajo različne odbojne (vpojne) sposobnosti. Tako imajo temne površine (černozem, šotna barja) nizko vrednost albeda okoli 10%. (Albedo površine je razmerje med tokom sevanja, ki ga ta površina odbija v okoliški prostor, in tokom, ki je padel nanjo).

Svetle površine (beli pesek) imajo velik albedo, 35 - 40 %. Albedo travnatih površin je od 15 do 25 %. Albedo krošnje listnatega gozda poleti znaša 14–17 %, iglastega gozda pa 12–15 %. Albedo površja se z naraščajočo sončno višino zmanjšuje.

Albedo vodnih površin je v razponu od 3 - 45 %, odvisno od višine Sonca in stopnje vznemirjenosti.

Pri mirni vodni gladini je albedo odvisen samo od višine Sonca (slika 2).

Slika 2 - Odvisnost odbojnega koeficienta sončnega sevanja za mirno vodno površino od višine sonca.

Vstop sončnega sevanja in njegov prehod skozi plast vode ima svoje značilnosti.

Na splošno so optične lastnosti vode (njenih raztopin) v vidnem območju sončnega sevanja prikazane na sliki 3.

Slika 3 - Optične lastnosti vode (njenih raztopin) v vidnem območju sončnega sevanja

Na ravni meji dveh medijev, zrak - voda, opazimo pojave odboja in loma svetlobe.

Pri odboju svetlobe ležijo vpadni žarek, odbiti žarek in pravokotnica na zrcalno površino, obnovljena na vpadnem mestu žarka, v isti ravnini, odbojni kot pa je enak vpadnemu kotu. V primeru loma ležijo vpadni žarek, pravokotnica, vzpostavljena na vpadni točki žarka na vmesnik med dvema medijema, in lomljeni žarek v isti ravnini. Vpadni kot in lomni kot (slika 4) sta povezana /, kjer je absolutni lomni količnik drugega medija, - prvega. Ker bo za zrak formula prevzela obliko

Slika 4 - Lom žarkov pri prehodu iz zraka v vodo

Ko gredo žarki iz zraka v vodo, se približajo »vpadni navpičnici«; na primer žarek, ki vpada na vodo pod kotom na pravokotno površino vode, vstopi vanjo že pod kotom, ki je manjši od (slika 4a). Ko pa vpadni žarek, ki drsi po vodni površini, pade na vodno gladino pod skoraj pravim kotom na pravokotno, na primer pod kotom 89 ⁰ ali manj, potem vstopi v vodo pod kotom, manjšim od ravno črto, in sicer pod kotom le 48,5 ⁰. Pri kotu, večjem od navpičnice kot 48,5 ⁰, žarek ne more vstopiti v vodo: to je "mejni" kot za vodo (slika 4, b).

Posledično se žarki, ki padajo na vodo pod različnimi koti, pod vodo stisnejo v precej tesen stožec z odprtim kotom 48,5 ⁰ + 48,5 ⁰ = 97 ⁰ (slika 4c). Poleg tega je lom vode odvisen od njene temperature, vendar te spremembe niso tako pomembne, da ne bi bile zanimive za inženirsko prakso na obravnavano temo.

Sledimo poteku žarkov nazaj (iz točke P) - iz vode v zrak (slika 5). Po zakonih optike bodo poti enake, vsi žarki, ki jih vsebuje omenjeni 97-stopinjski stožec, pa bodo šli v zrak pod različnimi koti in se širili po celotnem 180-stopinjskem prostoru nad vodo. Podvodni žarki, ki so izven omenjenega kota (97 stopinj), ne bodo prišli izpod vode, ampak se bodo v celoti odbili od njene površine, kot od ogledala.

Slika 5 - Lom žarkov pri prehodu iz vode v zrak

Če obstaja samo odbiti žarek, ni lomljenega žarka (pojav popolnega notranjega odboja).

Vsak podvodni žarek, ki se sreča s površino vode pod kotom, ki je večji od "mejnega" (tj. večji od 48,5 ⁰), se ne lomi, ampak odbije: podvržen je "popolnemu notranjemu odboju". Odboj imenujemo v tem primeru popolni, ker se tukaj odbijejo vsi vpadni žarki, medtem ko tudi najboljše polirano srebrno zrcalo odbije le del žarkov, ki vpadajo nanj, ostale pa absorbira. Voda je v teh pogojih idealno ogledalo. V tem primeru govorimo o vidni svetlobi. Na splošno je lomni količnik vode, tako kot drugih snovi, odvisen od valovne dolžine (ta pojav imenujemo disperzija). Posledica tega je, da mejni kot, pri katerem pride do popolnega notranjega odboja, ni enak za različne valovne dolžine, vendar se pri odboju vidne svetlobe na meji voda-zrak ta kot spremeni za manj kot 1⁰.

Zaradi dejstva, da pod kotom, večjim od 48,5⁰, sončni žarek ne more vstopiti v vodo: to je "mejni" kot za vodo (slika 4, b), nato pa vodna masa v celotnem območju vrednosti sončeve višine, se ne spreminja tako nepomembno kot zrak - vedno je manjša.

Ker pa je gostota vode 800-krat večja od gostote zraka, se bo absorpcija sončnega sevanja v vodi bistveno spremenila. Poleg tega, če svetlobno sevanje prehaja skozi prozoren medij, potem ima spekter takšne svetlobe nekaj značilnosti. Nekatere črte v njem so močno oslabljene, tj. valove ustrezne dolžine močno absorbira obravnavani medij. Takšni spektri se imenujejo absorpcijski spektri. Oblika absorpcijskega spektra je odvisna od obravnavane snovi.

Ker lahko solna raztopina sončnega slanika vsebuje različne koncentracije natrijevega in magnezijevega klorida ter njuna razmerja, ni smiselno nedvoumno govoriti o absorpcijskih spektrih. Čeprav je raziskav in podatkov o tem vprašanju veliko.

Tako so na primer študije, izvedene v ZSSR (Yu. Usmanov) za identifikacijo prepustnosti sevanja različnih valovnih dolžin za vodo in raztopino magnezijevega klorida različnih koncentracij, dale naslednje rezultate (slika 6). In B. J. Brinkworth prikazuje grafično odvisnost absorpcije sončnega sevanja in monokromatske gostote pretoka sončnega sevanja (sevanja) v odvisnosti od valovne dolžine (slika 7).

Posledično bo količinska oskrba vroče slanice ribnika z neposrednim sončnim sevanjem po vstopu v vodo odvisna od: monokromatske gostote toka sončnega sevanja (sevanja); z višine sonca. In tudi od albeda površine ribnika, od čistosti zgornje plasti sončnega ribnika soli, sestavljene iz sladke vode, z debelino običajno 0,1 - 0,3 m, kjer mešanja ni mogoče preprečiti, sestave, koncentracije in debeline raztopine v gradientni plasti (izolacijski sloj s koncentracijo slanice, ki narašča navzdol), na čistost vode in slanice.

Sliki 6 in 7 prikazujeta, da ima voda največjo prepustnost v vidnem območju sončnega spektra. To je zelo ugoden dejavnik za prehod sončnega sevanja skozi zgornjo svežo plast sončnega slanika.

Bibliografija

1 Osadčij G.B. Sončna energija, njeni derivati in tehnologije za njihovo uporabo (Uvod v energijo OVE) / G.B. Osadčij. Omsk: IPK Maksheeva E.A., 2010. 572 str.
2 Twydell J. Obnovljivi viri energije / J. Twydell, A. Ware. M.: Energoatomizdat, 1990. 392 str.
3 Duffy J. A. Toplotni procesi z uporabo sončne energije / J. A. Duffy, W. A. Beckman. M.: Mir, 1977. 420 str.
4 Podnebni viri Bajkala in njegovega bazena /N. P. Ladejščikov, Novosibirsk, Nauka, 1976, 318 str.
5 Pikin S. A. Tekoči kristali / S. A. Pikin, L. M. Blinov. M.: Nauka, 1982. 208 str.
6 Kitaygorodsky A. I. Fizika za vsakogar: Fotoni in jedra / A. I. Kitaygorodsky. M.: Nauka, 1984. 208 str.
7 Kuhling H. Priročnik za fiziko. / H. Kuhling. M.: Mir, 1982. 520 str.
8 Enokhovich A. S. Priročnik za fiziko in tehnologijo / A. S. Enohovich. Moskva: Izobraževanje, 1989. 223 str.
9 Perelman Ya. I. Zabavna fizika. 2. knjiga / Ya. I. Perelman. M.: Nauka, 1986. 272 str.

Sevalna energija Sonca je praktično edini vir toplote za zemeljsko površje in njeno atmosfero. Sevanje zvezd in Lune je 30?106-krat manjše od sončnega sevanja. Pretok toplote iz globin Zemlje na površje je 5000-krat manjši od toplote, ki jo prejme od Sonca.

Del sončnega sevanja je vidna svetloba. Tako je Sonce za Zemljo ne le vir toplote, temveč tudi svetlobe, ki je pomembna za življenje na našem planetu.

Sončna sevalna energija se delno pretvori v toploto v samem ozračju, večinoma pa na zemeljski površini, kjer se uporablja za ogrevanje zgornjih plasti zemlje in vode ter iz njih - zraka. Segreto zemeljsko površje in segreto ozračje pa oddajata nevidno infrardeče sevanje. Zaradi sevanja svetovnega prostora se zemeljska površina in ozračje ohladita.

Izkušnje kažejo, da se povprečne letne temperature zemeljskega površja in ozračja na kateri koli točki zemlje iz leta v leto malo razlikujejo. Če upoštevamo temperaturne razmere na Zemlji v daljših večletnih obdobjih, potem lahko sprejmemo hipotezo, da je Zemlja v toplotnem ravnovesju: dotok toplote s Sonca se izravna z njeno izgubo v vesolje. Ker pa Zemlja (z atmosfero) prejema toploto z absorbiranjem sončnega sevanja, izgublja pa jo z lastnim sevanjem, hipoteza o toplotnem ravnovesju hkrati pomeni, da je Zemlja v sevalnem ravnovesju: dotok kratkovalovnega sevanja v uravnava se z vračanjem dolgovalovnega sevanja v svetovni prostor.

direktno sončno sevanje

Imenuje se sevanje, ki prihaja na zemeljsko površje neposredno iz Sončevega diska direktno sončno sevanje. Sončevo sevanje se širi od Sonca v vse smeri. Toda razdalja od Zemlje do Sonca je tako velika, da direktno sevanje pade na katero koli površino na Zemlji v obliki snopa vzporednih žarkov, ki izvirajo tako rekoč iz neskončnosti. Celo ves globus kot celota je tako majhen v primerjavi z razdaljo do Sonca, da lahko vse sončno sevanje, ki pade nanj, brez opazne napake obravnavamo kot žarek vzporednih žarkov.

Lahko je razumeti, da največjo možno količino sevanja v danih pogojih prejme enota površine, ki se nahaja pravokotno na sončne žarke. Na enoto vodoravne površine bo manj sevalne energije. Osnovna enačba za izračun direktnega sončnega obsevanja je sestavljena iz vpadnega kota sončnih žarkov, natančneje višine sonca ( h): S" = S greh h; kje S"- sončno sevanje, ki prihaja na vodoravno površino, S- direktno sončno obsevanje z vzporednimi žarki.

Tok neposrednega sončnega sevanja na vodoravno površino imenujemo insolacija.

Spremembe sončnega sevanja v ozračju in na zemeljskem površju

Približno 30 % neposrednega sončnega sevanja, ki pade na Zemljo, se odbije nazaj v vesolje. Preostalih 70% vstopi v ozračje. Pri prehodu skozi ozračje se sončno sevanje delno razprši v atmosferskih plinih in aerosolih ter preide v posebno obliko difuznega sevanja. Delno neposredno sončno sevanje absorbirajo atmosferski plini in nečistoče ter preidejo v toploto, t.j. ogreje ozračje.

Neposredno sončno sevanje, ki se ne razprši in absorbira v ozračju, doseže zemeljsko površje. Manjši del se ga odbije od njega, večino sevanja pa absorbira zemeljsko površje, zaradi česar se zemeljsko površje segreje. Del razpršenega sevanja doseže tudi zemeljsko površje, delno se odbije od njega, delno pa ga absorbira. Drugi del razpršenega sevanja gre v medplanetarni prostor.

Zaradi absorpcije in sipanja sevanja v ozračju se neposredno sevanje, ki je doseglo zemeljsko površje, razlikuje od tistega, ki je prišlo na mejo ozračja. Tok sončnega sevanja se zmanjša, njegova spektralna sestava pa se spremeni, saj se žarki različnih valovnih dolžin absorbirajo in razpršijo v ozračju na različne načine.

V najboljšem primeru, tj. pri najvišji legi Sonca in ob zadostni čistosti zraka lahko na zemeljski površini opazimo neposredni tok sevanja okoli 1,05 kW/m 2 . V gorah na nadmorski višini 4–5 km so opazili tokove sevanja do 1,2 kW/m 2 ali več. Ko se sonce približuje obzorju in se debelina zraka, ki ga preletijo sončni žarki, povečuje, se tok neposrednega sevanja vedno bolj zmanjšuje.

Približno 23 % neposrednega sončnega sevanja se absorbira v atmosferi. Poleg tega je ta absorpcija selektivna: različni plini absorbirajo sevanje v različnih delih spektra in v različnih stopnjah.

Dušik absorbira sevanje le pri zelo kratkih valovnih dolžinah v ultravijoličnem delu spektra. Energija sončnega sevanja je v tem delu spektra popolnoma zanemarljiva, zato absorpcija dušika praktično nima vpliva na tok sončnega sevanja. V nekoliko večji meri, a še vedno zelo malo, kisik absorbira sončno sevanje - v dveh ozkih delih vidnega dela spektra in v njegovem ultravijoličnem delu.

Ozon je močnejši absorber sončnega sevanja. Absorbira ultravijolično in vidno sončno sevanje. Kljub temu, da je njegova vsebnost v zraku zelo majhna, absorbira ultravijolično sevanje v zgornji atmosferi tako močno, da valov, krajših od 0,29 mikronov, v sončnem spektru ob zemeljski površini sploh ne opazimo. Celotna absorpcija sončnega sevanja z ozonom doseže 3 % neposrednega sončnega sevanja.

Ogljikov dioksid (ogljikov dioksid) močno absorbira sevanje v infrardečem območju spektra, vendar je njegova vsebnost v ozračju še vedno majhna, zato je njegova absorpcija neposrednega sončnega sevanja praviloma majhna. Od plinov je glavni absorber sevanja v ozračju vodna para, skoncentrirana v troposferi in predvsem v njenem spodnjem delu. Iz celotnega toka sončnega sevanja vodna para absorbira sevanje v intervalih valovnih dolžin v vidnem in bližnjem infrardečem območju spektra. Oblaki in atmosferske nečistoče absorbirajo tudi sončno sevanje, tj. aerosolni delci, suspendirani v ozračju. Na splošno absorpcija vodne pare in aerosola predstavlja približno 15 %, 5 % pa absorbirajo oblaki.

Na vsakem posameznem mestu se absorbcija skozi čas spreminja, odvisno tako od spremenljive vsebnosti absorbcijskih snovi v zraku, predvsem vodne pare, oblakov in prahu, kot tudi od višine Sonca nad obzorjem, tj. na debelino zračne plasti, ki jo preidejo žarki na poti do Zemlje.

Neposredno sončno sevanje na poti skozi atmosfero oslabi ne samo z absorpcijo, ampak tudi s sipanjem in se oslabi občutneje. Sipanje je temeljni fizikalni pojav interakcije svetlobe s snovjo. Pojavlja se lahko na vseh valovnih dolžinah elektromagnetnega spektra, odvisno od razmerja med velikostjo sipajočih delcev in valovno dolžino vpadajočega sevanja.Pri sipanju se delec, ki je na poti širjenja elektromagnetnega valovanja, nenehno "izloča" energijo vpadnega vala in jo ponovno seva v vse smeri. Tako lahko delec obravnavamo kot točkovni vir razpršene energije. razpršenost imenujemo transformacija dela neposrednega sončnega sevanja, ki se pred sipanjem širi v obliki vzporednih žarkov v določeno smer, v sevanje, ki gre v vse smeri. Sipanje se pojavi v optično nehomogenem atmosferskem zraku, ki vsebuje najmanjše delce tekočih in trdnih primesi - kapljice, kristale, najmanjše aerosole, tj. v mediju, kjer se lomni količnik spreminja od točke do točke. Toda optično nehomogen medij je tudi čist zrak brez primesi, saj v njem zaradi toplotnega gibanja molekul, kondenzacij in redčenj nenehno prihaja do nihanj gostote. Ob srečanju z molekulami in nečistočami v atmosferi sončni žarki izgubijo svojo premočrtno smer širjenja in se razpršijo. Sevanje se širi iz razpršenih delcev tako, kot da bi bili sami sevalci.

Glede na zakone sipanja, zlasti po Rayleighovem zakonu, se spektralna sestava razpršenega sevanja razlikuje od spektralne sestave ravne črte. Rayleighov zakon pravi, da je sipanje žarkov obratno sorazmerno s 4. potenco valovne dolžine:

S ? = 32? 3 (m-1) / 3n? štiri

kje S? – koef. razpršenost; m je lomni količnik v plinu; n je število molekul na prostorninsko enoto; ? je valovna dolžina.

Približno 26 % energije celotnega toka sončnega sevanja se v ozračju pretvori v difuzno sevanje. Približno 2/3 razpršenega sevanja nato pride na zemeljsko površje. A to bo že posebna vrsta sevanja, bistveno drugačna od neposrednega sevanja. Prvič, razpršeno sevanje prihaja na zemeljsko površje ne s sončnega diska, temveč s celotnega neba. Zato je treba izmeriti njegov pretok na vodoravno površino. Prav tako se meri v W/m2 (ali kW/m2).

Drugič, razpršeno sevanje se od neposrednega sevanja razlikuje po spektralni sestavi, saj so žarki različnih valovnih dolžin različno razpršeni. V spektru razpršenega sevanja je razmerje med energijami različnih valovnih dolžin v primerjavi s spektrom direktnega sevanja spremenjeno v korist krajših valovnih dolžin. Manjša kot je velikost sipajočih delcev, močneje se sipajo kratkovalovni žarki v primerjavi z dolgovalovnimi.

Pojavi sipanja sevanja

S sipanjem sevanja so povezani pojavi, kot so modra barva neba, mrak in zora, pa tudi vidljivost. Modra barva neba je barva samega zraka, zaradi sipanja sončnih žarkov v njem. Zrak je prozoren v tanki plasti, kakor je voda prozorna v tanki plasti. Toda v močni debelini ozračja ima zrak modro barvo, tako kot ima voda že v relativno majhni debelini (nekaj metrov) zelenkasto barvo. Kako torej pride do molekularnega sipanja svetlobe obratno? 4, potem se v spektru razpršene svetlobe, ki jo pošilja nebesni svod, energijski maksimum premakne v modro. Z višino, ko se gostota zraka zmanjšuje, t.j. število razpršenih delcev postane barva neba temnejša in se spremeni v temno modro, v stratosferi pa v črno-vijolično. Več ko je v zraku nečistoč, ki so večje od zračnih molekul, večji je delež dolgovalovnih žarkov v spektru sončnega sevanja in bolj belkasta postaja barva nebesnega svoda. Ko premer delcev megle, oblakov in aerosolov postane večji od 1-2 mikronov, potem žarki vseh valovnih dolžin niso več razpršeni, ampak enako razpršeno odbijajo; zato oddaljenih predmetov v megli in prašni meglici ne zakriva več modra, temveč bela ali siva zavesa. Zato so oblaki, na katere pada sončna (tj. bela) svetloba, videti beli.

Sipanje sončnega sevanja v ozračju je velikega praktičnega pomena, saj ustvarja razpršeno svetlobo podnevi. Če na Zemlji ne bi bilo atmosfere, bi bilo svetlo le tam, kjer bi padala neposredna sončna svetloba ali sončna svetloba, ki bi jo odbijala zemeljska površina in predmeti na njej. Zaradi razpršene svetlobe služi celotno ozračje podnevi kot vir osvetlitve: čez dan je svetlo tudi tam, kjer sončni žarki ne padajo neposredno, in tudi takrat, ko je sonce skrito z oblaki.

Po sončnem zahodu zvečer tema ne nastopi takoj. Nebo, zlasti v tistem delu obzorja, kjer je Sonce zašlo, ostane svetlo in pošilja na zemeljsko površje postopno padajoče razpršeno sevanje. Podobno se nebo zjutraj, še pred sončnim vzhodom, najbolj posvetli v smeri sončnega vzhoda in pošlje na zemljo razpršeno svetlobo. Ta pojav nepopolne teme imenujemo somrak – večer in jutro. Razlog za to je osvetlitev visokih plasti atmosfere s Soncem, ki je pod obzorjem, in sipanje sončne svetlobe v njih.

Tako imenovani astronomski mrak se zvečer nadaljuje, dokler Sonce ne zaide 18 stopinj pod obzorje; do te točke je tako temno, da so vidne najšibkejše zvezde. Astronomski jutranji mrak se začne, ko ima sonce enak položaj pod obzorjem. Prvi del večernega astronomskega mraka ali zadnji del jutra, ko je sonce pod obzorjem vsaj 8°, imenujemo civilni mrak. Trajanje astronomskega somraka je odvisno od zemljepisne širine in letnega časa. V srednjih zemljepisnih širinah je od 1,5 do 2 uri, v tropih manj, na ekvatorju nekaj več kot eno uro.

Na visokih zemljepisnih širinah poleti sonce morda sploh ne zaide pod obzorje ali pa zaide zelo plitvo. Če sonce pade pod obzorje za manj kot 18 o, potem popolna tema sploh ne nastane in večerni mrak se združi z jutrom. Ta pojav imenujemo bele noči.

Somrak spremljajo čudovite, včasih zelo spektakularne spremembe barve nebesnega svoda v smeri Sonca. Te spremembe se začnejo pred sončnim zahodom in nadaljujejo po sončnem vzhodu. Imajo precej reden značaj in se imenujejo zora. Značilni barvi zore sta vijolična in rumena. Toda intenzivnost in raznolikost barvnih odtenkov zore se zelo razlikujeta glede na vsebnost aerosolnih nečistoč v zraku. Različni so tudi toni svetlečih oblakov v mraku.

Na delu neba nasproti sonca je antizora, tudi s spremembo barvnih tonov, s prevlado vijolične in vijolično-vijolične barve. Po sončnem zahodu se na tem delu neba pojavi Zemljina senca: sivkastomoder segment, ki se vedno bolj povečuje v višino in vstran. Pojave zore razlagamo s sipanjem svetlobe na najmanjših delcih atmosferskih aerosolov in z uklonom svetlobe na večjih delcih.

Oddaljene predmete vidimo slabše od bližnjih, pa ne samo zato, ker se zmanjša njihova navidezna velikost. Tudi zelo veliki predmeti na takšni ali drugačni razdalji od opazovalca postanejo slabo ločljivi zaradi motnosti atmosfere, skozi katero so vidni. Ta motnost je posledica sipanja svetlobe v ozračju. Jasno je, da se povečuje s povečanjem aerosolnih nečistoč v zraku.

Za številne praktične namene je zelo pomembno vedeti, na kakšni razdalji se obrisi predmetov za zračno zaveso prenehajo razlikovati. Razdalja, pri kateri obrisi predmetov v atmosferi prenehajo biti razločeni, se imenuje območje vidnosti ali preprosto vidnost. Obseg vidnosti se najpogosteje določi z očmi na določenih, vnaprej izbranih objektih (temno proti nebu), katerih razdalja je znana. Obstaja tudi vrsta fotometričnih instrumentov za določanje vidljivosti.

V zelo čistem zraku, na primer arktičnega izvora, lahko obseg vidljivosti doseže več sto kilometrov, saj se slabljenje svetlobe predmetov v takem zraku pojavi zaradi sipanja predvsem na molekulah zraka. V zraku, ki vsebuje veliko prahu ali produktov kondenzacije, se lahko vidljivost zmanjša na nekaj kilometrov ali celo metrov. Tako je v rahli megli razpon vidljivosti 500–1000 m, v močni megli ali močnih peščenih burinah pa se lahko zmanjša na desetine ali celo nekaj metrov.

Celotno sevanje, odbito sončno sevanje, absorbirano sevanje, PAR, Zemljin albedo

Vse sončno sevanje, ki prihaja na zemeljsko površje – neposredno in razpršeno – imenujemo skupno sevanje. Tako skupno sevanje

Q = S* greh h + D,

kje S– energijska osvetlitev z neposrednim sevanjem,

D– energijska osvetlitev z razpršenim sevanjem,

h- višina sonca.

Ob nebu brez oblačka ima skupno sevanje dnevno variacijo z maksimumom okoli poldneva in letno variacijo z maksimumom poleti. Delna oblačnost, ki ne pokriva sončnega diska, poveča skupno sevanje v primerjavi z nebom brez oblačka; popolna oblačnost pa jo, nasprotno, zmanjša. V povprečju oblačnost zmanjša skupno sevanje. Zato je poleti prihod skupnega sevanja v predpoldanskih urah v povprečju večji kot v popoldanskem. Iz istega razloga je v prvi polovici leta večja kot v drugi.

S.P. Khromov in A.M. Petrosyants daje opoldanske vrednosti skupnega sevanja v poletnih mesecih v bližini Moskve z nebom brez oblakov: povprečno 0,78 kW / m 2, s Soncem in oblaki - 0,80, z neprekinjenimi oblaki - 0,26 kW / m 2.

Celotno sevanje, ki pade na zemeljsko površje, se večinoma absorbira v zgornji tanki plasti zemlje ali v debelejši plasti vode in se spremeni v toploto, delno pa se odbije. Količina odboja sončnega sevanja od zemeljske površine je odvisna od narave te površine. Razmerje med količino odbitega sevanja in celotno količino sevanja, ki vpade na določeno površino, se imenuje površinski albedo. To razmerje je izraženo v odstotkih.

Torej, iz celotnega toka celotnega sevanja ( S greh h + D) del se odbija od zemeljske površine ( S greh h + D)In kje AMPAK je površinski albedo. Preostanek celotnega sevanja ( S greh h + D) (1 – AMPAK) absorbira zemeljska površina in gre za ogrevanje zgornjih plasti zemlje in vode. Ta del se imenuje absorbirano sevanje.

Albedo površine tal se spreminja v območju 10–30 %; v mokrem černozemu se zmanjša na 5%, v suhem lahkem pesku pa se lahko dvigne na 40%. Ko se vlažnost tal poveča, se albedo zmanjša. Albedo vegetacije - gozdovi, travniki, polja - je 10–25%. Albedo površine sveže zapadlega snega je 80–90 %, dolgotrajnega pa okoli 50 % in manj. Albedo gladke vodne površine za neposredno sevanje se spreminja od nekaj odstotkov (če je Sonce visoko) do 70 % (če je nizko); odvisno tudi od vznemirjenja. Za razpršeno sevanje je albedo vodnih površin 5–10 %. V povprečju je albedo površine Svetovnega oceana 5–20%. Albedo zgornje površine oblakov se giblje od nekaj odstotkov do 70-80%, odvisno od vrste in debeline oblačnosti, v povprečju 50-60% (S.P. Khromov, M.A. Petrosyants, 2004).

Zgornje številke se nanašajo na odboj sončnega sevanja, ne le vidnega, ampak tudi v celotnem spektru. Fotometrična sredstva merijo albedo le za vidno sevanje, ki se seveda lahko nekoliko razlikuje od albeda za celoten tok sevanja.

Pretežni del sevanja, ki se odbije od zemeljske površine in zgornje površine oblakov, gre izven atmosfere v svetovni prostor. Del (približno ena tretjina) razpršenega sevanja gre tudi v svetovni prostor.

Razmerje med odbitim in razpršenim sončnim sevanjem, ki zapušča vesolje, ter celotno količino sončnega sevanja, ki vstopa v ozračje, se imenuje planetarni albedo Zemlje ali preprosto Zemljin albedo.

Na splošno je planetarni albedo Zemlje ocenjen na 31 %. Glavni del planetarnega albeda Zemlje je odboj sončnega sevanja od oblakov.

Del neposrednega in odbitega sevanja je vključen v proces rastlinske fotosinteze, zato se imenuje fotosintetsko aktivno sevanje (DALEČ). DALEČ - del kratkovalovnega sevanja (od 380 do 710 nm), ki je najbolj aktiven v zvezi s fotosintezo in proizvodnim procesom rastlin, predstavlja tako direktno kot difuzno sevanje.

Rastline lahko zaužijejo neposredno sončno sevanje in se odbijejo od nebesnih in zemeljskih teles v območju valovnih dolžin od 380 do 710 nm. Tok fotosintetsko aktivnega sevanja je približno polovica sončnega toka, tj. polovico celotnega sevanja in tako rekoč ne glede na vremenske razmere in lokacijo. Čeprav je za evropske razmere značilna vrednost 0,5, je za izraelske razmere nekoliko višja (približno 0,52). Ne moremo pa trditi, da rastline uporabljajo PAR na enak način vse življenje in pod različnimi pogoji. Učinkovitost rabe PAR je različna, zato sta bila predlagana kazalca »Koeficient rabe PAR«, ki odraža učinkovitost rabe PAR in »Učinkovitost fitocenoz«. Učinkovitost fitocenoz označuje fotosintetično aktivnost vegetacijskega pokrova. Ta parameter je našel najširšo uporabo med gozdarji za ocenjevanje gozdnih fitocenoz.

Poudariti je treba, da so rastline same sposobne tvoriti PAR v vegetacijskem pokrovu. To dosežemo zaradi lege listov proti sončnim žarkom, rotacije listov, razporeditve listov različnih velikosti in kotov na različnih nivojih fitocenoz, tj. skozi tako imenovano arhitekturo nadstreška. V vegetacijskem pokrovu se sončni žarki večkrat lomijo, odbijajo od listne površine in s tem tvorijo svoj notranji režim sevanja.

Sevanje, razpršeno v rastlinskem pokrovu, ima enako fotosintetsko vrednost kot neposredno in razpršeno sevanje, ki vstopa na površino rastlinskega pokrova.

Sevanje zemeljske površine

Zgornje plasti prsti in vode, snežna odeja in vegetacija same oddajajo dolgovalovno sevanje; to zemeljsko sevanje se pogosteje imenuje lastno sevanje zemeljske površine.

Lastno sevanje lahko izračunamo, če poznamo absolutno temperaturo zemeljske površine. Po Stefan-Boltzmannovem zakonu, ob upoštevanju, da Zemlja ni popolnoma črno telo in zato uvajamo koeficient? (običajno enako 0,95), sevanje tal E določeno s formulo

E s = ?? T 4 ,

kje? je Stefan-Boltzmannova konstanta, T temperatura, K.

Pri 288 K, E s \u003d 3,73 10 2 W / m 2. Tako velik povratek sevanja z zemeljskega površja bi povzročil njegovo hitro ohlajanje, če tega ne bi preprečil obraten proces – absorpcija sončnega in atmosferskega sevanja na zemeljskem površju. Absolutne temperature zemeljskega površja so med 190 in 350 K. Pri takšnih temperaturah ima oddano sevanje praktično valovne dolžine v območju 4–120 µm, njegova največja energija pa je pri 10–15 µm. Zato je vse to sevanje infrardeče in ga oko ne zazna.

Protisevanje ali protisevanje

Atmosfera se segreva, absorbira tako sončno sevanje (čeprav v razmeroma majhnem deležu, približno 15% celotne količine, ki prihaja na Zemljo), kot tudi lastno sevanje zemeljskega površja. Poleg tega prejema toploto z zemeljskega površja s prevajanjem, pa tudi s kondenzacijo vodne pare, ki je izhlapela z zemeljskega površja. Razgreto ozračje seva samo po sebi. Tako kot zemeljsko površje oddaja nevidno infrardeče sevanje v približno istem območju valovnih dolžin.

Večina (70 %) atmosferskega sevanja pride na zemeljsko površje, ostalo gre v svetovni prostor. Atmosfersko sevanje, ki doseže zemeljsko površje, imenujemo protisevanje. E a, saj je usmerjena proti lastnemu sevanju zemeljskega površja. Zemljina površina skoraj v celoti absorbira nasprotno sevanje (za 95–99 %). Tako je protisevanje poleg absorbiranega sončnega sevanja pomemben vir toplote za zemeljsko površje. Protisevanje se poveča z naraščajočo oblačnostjo, saj sami oblaki močno sevajo.

Glavna snov v ozračju, ki absorbira zemeljsko sevanje in pošilja nazaj sevanje, je vodna para. Absorbira infrardeče sevanje v velikem območju spektra - od 4,5 do 80 mikronov, z izjemo intervala med 8,5 in 12 mikronov.

Ogljikov monoksid (ogljikov dioksid) močno absorbira infrardeče sevanje, vendar le v ozkem območju spektra; ozon je šibkejši in tudi v ozkem območju spektra. Res je, da absorpcija ogljikovega dioksida in ozona pade na valove, katerih energija v spektru zemeljskega sevanja je blizu maksimuma (7–15 μm).

Protisevanje je vedno nekoliko manjše od zemeljskega. Zato zemeljsko površje izgublja toploto zaradi pozitivne razlike med lastnim in nasprotnim sevanjem. Razliko med lastnim sevanjem zemeljskega površja in protisevanjem atmosfere imenujemo efektivno sevanje E e:

E e = E s- E a.

Učinkovito sevanje je neto izguba sevalne energije in s tem toplote z zemeljskega površja ponoči. Lastno sevanje lahko določimo po Stefan-Boltzmannovem zakonu ob poznavanju temperature zemeljskega površja, protisevanje pa izračunamo po zgornji formuli.

Efektivno sevanje v jasnih nočeh je okoli 0,07–0,10 kW/m 2 na nižinskih postajah v zmernih geografskih širinah in do 0,14 kW/m 2 na višinskih postajah (kjer je protisevanje manjše). Z večanjem oblačnosti, ki povečuje protisevanje, se efektivno sevanje zmanjšuje. V oblačnem vremenu je veliko manj kot v jasnem vremenu; posledično je tudi nočno ohlajanje zemeljskega površja manjše.

Učinkovito sevanje seveda obstaja tudi podnevi. Toda čez dan je blokiran ali delno kompenziran z absorbiranim sončnim sevanjem. Zato je zemeljsko površje podnevi toplejše kot ponoči, vendar je efektivno sevanje podnevi večje.

V povprečju zemeljsko površje v srednjih zemljepisnih širinah izgubi z efektivnim sevanjem približno polovico količine toplote, ki jo prejme od absorbiranega sevanja.

Atmosfera s tem, da absorbira zemeljsko sevanje in pošilja protisevanje na zemeljsko površje, zmanjša ohlajanje slednjega ponoči. Čez dan le malo preprečuje segrevanje zemeljske površine s sončnim sevanjem. Ta vpliv atmosfere na toplotni režim zemeljske površine se imenuje učinek tople grede ali učinek tople grede zaradi zunanje analogije z delovanjem toplogrednih stekel.

Radiacijska bilanca zemeljske površine

Razliko med absorbiranim sevanjem in efektivnim sevanjem imenujemo sevalna bilanca zemeljske površine:

AT=(S greh h + D)(1 – AMPAK) – E e.

Ponoči, ko skupnega sevanja ni, je negativna sevalna bilanca enaka efektivnemu sevanju.

Bilanca sevanja se spreminja od nočnih negativnih vrednosti do dnevnih pozitivnih vrednosti po sončnem vzhodu na višini 10–15°. Od pozitivnih do negativnih vrednosti prehaja pred sončnim zahodom na isti višini nad obzorjem. V prisotnosti snežne odeje se bilanca sevanja spremeni v pozitivne vrednosti le na sončni višini približno 20–25 o, saj je z velikim snežnim albedom absorpcija celotnega sevanja majhna. Čez dan sevalna bilanca narašča z naraščanjem sončne višine in pada z njenim zmanjševanjem.

Povprečne opoldanske vrednosti sevalne bilance v Moskvi poleti z jasnim nebom, ki jih navaja S.P. Khromov in M.A. Petrosyants (2004) so okoli 0,51 kW/m 2, pozimi le 0,03 kW/m 2, ob povprečni oblačnosti poleti okoli 0,3 kW/m 2, pozimi pa so blizu ničle.

Sonce seva ogromno energije – približno 1,1x1020 kWh na sekundo. Kilovatna ura je količina energije, ki je potrebna za delovanje 100-vatne žarnice z žarilno nitko 10 ur. Zemljina zunanja atmosfera prestreže približno milijoninko energije, ki jo oddaja Sonce, ali približno 1500 kvadrilijonov (1,5 x 1018) kWh letno. Vendar pa zaradi odboja, sipanja in absorpcije atmosferskih plinov in aerosolov le 47 % vse energije ali približno 700 kvadrilijonov (7 x 1017) kWh doseže Zemljino površje.

Sončno sevanje v zemeljski atmosferi delimo na tako imenovano direktno sevanje in razpršeno od delcev zraka, prahu, vode itd., ki jih vsebuje ozračje. Njihova vsota tvori celotno sončno sevanje. Količina energije, ki pade na enoto površine na enoto časa, je odvisna od številnih dejavnikov:

zemljepisna širina
lokalno podnebno sezono v letu
kot naklona površine glede na sonce.

Čas in geografska lokacija

Količina sončne energije, ki pade na Zemljino površino, se spreminja zaradi gibanja Sonca. Te spremembe so odvisne od časa dneva in sezone. Običajno več sončnega sevanja doseže Zemljo opoldne kot zgodaj zjutraj ali pozno zvečer. Opoldne je Sonce visoko nad obzorjem, dolžina poti sončnih žarkov skozi Zemljino atmosfero pa se zmanjša. Posledično se manj sončnega sevanja razprši in absorbira, kar pomeni, da ga več doseže površino.

Količina sončne energije, ki doseže zemeljsko površje, se razlikuje od povprečne letne vrednosti: pozimi - manj kot 0,8 kWh / m2 na dan v Severni Evropi in več kot 4 kWh / m2 na dan poleti v tej isti regiji. Razlika se zmanjšuje, ko se približujete ekvatorju.

Količina sončne energije je odvisna tudi od geografske lege mesta: bližje ekvatorju, večja je. Na primer, povprečno letno skupno sončno sevanje, ki pada na vodoravno površino, je: v srednji Evropi, srednji Aziji in Kanadi - približno 1000 kWh/m2; v Sredozemlju - približno 1700 kWh / m2; v večini puščavskih predelov Afrike, Bližnjega vzhoda in Avstralije približno 2200 kWh/m2.

Tako se količina sončnega obsevanja močno spreminja glede na letni čas in geografsko lego (glej tabelo). Ta dejavnik je treba upoštevati pri uporabi sončne energije.

	Južna Evropa	Srednja Evropa	Severna Evropa	Karibska regija
januar	2,6	1,7	0,8	5,1
februar	3,9	3,2	1,5	5,6
marec	4,6	3,6	2,6	6,0
aprila	5,9	4,7	3,4	6,2
maja	6,3	5,3	4,2	6,1
junija	6,9	5,9	5,0	5,9
julija	7,5	6,0	4,4	6,0
avgusta	6,6	5,3	4,0	6,1
septembra	5,5	4,4	3,3	5,7
oktobra	4,5	3,3	2,1	5,3
novembra	3,0	2,1	1,2	5,1
decembra	2,7	1,7	0,8	4,8
LETO	5,0	3,9	2,8	5,7

Vpliv oblakov na sončno energijo

Količina sončnega sevanja, ki doseže zemeljsko površje, je odvisna od različnih atmosferskih pojavov in od položaja Sonca tako podnevi kot skozi vse leto. Oblaki so glavni atmosferski pojav, ki določa količino sončnega sevanja, ki doseže zemeljsko površje. Kjer koli na Zemlji se sončno sevanje, ki doseže Zemljino površje, zmanjšuje z naraščajočo oblačnostjo. Zato države s pretežno oblačnim vremenom prejmejo manj sončnega sevanja kot puščave, kjer je vreme večinoma brez oblačka.

Na nastanek oblakov vpliva prisotnost lokalnih značilnosti, kot so gore, morja in oceani, pa tudi velika jezera. Zato se lahko količina sončnega sevanja, prejetega na teh območjih in območjih, ki mejijo nanje, razlikuje. Na primer, gore lahko prejmejo manj sončnega sevanja kot sosednja vznožja in ravnine. Vetrovi, ki pihajo proti goram, povzročijo, da se del zraka dvigne in s hlajenjem vlage v zraku nastanejo oblaki. Količina sončnega sevanja na obalnih območjih se lahko razlikuje tudi od tiste, zabeležene na območjih v notranjosti.

Količina sončne energije, prejete čez dan, je v veliki meri odvisna od lokalnih atmosferskih pojavov. Opoldne z jasnim nebom, skupno sončno

sevanje, ki pade na vodoravno površino, lahko doseže (npr. v Srednji Evropi) vrednost 1000 W/m2 (v zelo ugodnih vremenskih razmerah je ta številka lahko višja), medtem ko je v zelo oblačnem vremenu pod 100 W/m2 tudi pri opoldne.

Učinki onesnaženosti ozračja na sončno energijo

Antropogeni in naravni pojavi lahko tudi omejijo količino sončnega sevanja, ki doseže zemeljsko površje. Mestni smog, dim iz gozdnih požarov in vulkanski pepel v zraku zmanjšujejo porabo sončne energije s povečanjem disperzije in absorpcije sončnega sevanja. To pomeni, da imajo ti dejavniki večji vpliv na direktno sončno obsevanje kot na skupno. Pri močnem onesnaženju zraka, na primer s smogom, se neposredno sevanje zmanjša za 40%, skupno pa le za 15-25%. Močan vulkanski izbruh lahko zmanjša neposredno sončno sevanje na velikem območju zemeljske površine za 20%, skupno pa za 10% za obdobje od 6 mesecev do 2 let. Z zmanjšanjem količine vulkanskega pepela v atmosferi učinek oslabi, vendar lahko proces popolne obnovitve traja več let.

Potencial sončne energije

Sonce nam zagotavlja 10.000-krat več brezplačne energije, kot je dejansko porabimo po vsem svetu. Samo svetovni komercialni trg kupi in proda nekaj manj kot 85 bilijonov (8,5 x 1013) kWh energije na leto. Ker je nemogoče slediti celotnemu procesu, ni mogoče z gotovostjo trditi, koliko nekomercialne energije ljudje porabijo (na primer, koliko lesa in gnojil se zbere in zažge, koliko vode se porabi za proizvodnjo mehanske ali električne energije). energija). Nekateri strokovnjaki ocenjujejo, da takšna nekomercialna energija predstavlja petino vse porabljene energije. Toda tudi če je to res, je skupna energija, ki jo človeštvo porabi v enem letu, le približno ena sedemtisočinka sončne energije, ki udari na površje Zemlje v istem obdobju.

V razvitih državah, kot so ZDA, je poraba energije približno 25 trilijonov (2,5 x 1013) kWh na leto, kar ustreza več kot 260 kWh na osebo na dan. To je enakovredno delovanju več kot 100 100 W žarnic z žarilno nitko na dan cel dan. Povprečen državljan ZDA porabi 33-krat več energije kot Indijec, 13-krat več kot Kitajec, dvainpolkrat več kot Japonec in dvakrat več kot Šved.

Količina sončne energije, ki doseže površje Zemlje, je večkrat večja od njene porabe, tudi v državah, kot so ZDA, kjer je poraba energije ogromna. Če bi samo 1 % ozemlja države uporabljali za namestitev solarne opreme (fotovoltaičnih panelov ali solarnih sistemov za pripravo tople vode), ki delujejo z 10 % učinkovitostjo, bi bile ZDA v celoti preskrbljene z energijo. Enako lahko rečemo za vse ostale razvite države. Vendar je to v določenem smislu nerealno – prvič zaradi visokih stroškov fotonapetostnih sistemov, drugič pa je nemogoče pokriti tako velika območja s solarno opremo brez škode za ekosistem. Toda sam princip je pravilen.

Isto območje je mogoče pokriti z razpršitvijo inštalacij na strehah stavb, na hišah, ob cestah, na vnaprej določenih zemljiščih itd. Poleg tega je v mnogih državah že več kot 1 % zemljišč namenjenih pridobivanju, pretvorbi, proizvodnji in transportu energije. In ker je večina te energije v obsegu človeškega obstoja neobnovljiva, je tovrstna proizvodnja energije veliko bolj škodljiva za okolje kot sončni sistemi.

) , poglejmo sliko 1 - ki prikazuje vzporedno in zaporedno napredovanje toplote Sonca do vroča slanica sončni slani ribnik. Kot tudi nenehne spremembe vrednosti različnih vrst sončnega sevanja in njihove skupne vrednosti na poti.

Slika 1 - Histogram sprememb intenzitete sončnega sevanja (energije) na poti do vroče slanice solarnega ribnika soli.

Zemlja in ozračje prejmeta od Sonca 1,3∙10 24 cal toplote na leto. Meri se z intenzivnostjo, tj. količina sevalne energije (v kalorijah), ki prihaja od Sonca na enoto časa na površino, pravokotno na sončne žarke.

Direktno in razpršeno (skupno), odbito in absorbirano sevanje spada v kratkovalovni del spektra. Skupaj s kratkovalovnim sevanjem dolgovalovno atmosfersko sevanje (prihajajoče), zemeljska površina pa oddaja dolgovalovno sevanje (intrinzično).

Neposredno sončno obsevanje se nanaša na glavni naravni dejavnik pri oskrbi vodne površine solarnega ribnika z energijo.

Sončno sevanje, ki prihaja na aktivno površino v obliki snopa vzporednih žarkov, ki izvirajo neposredno iz Sončevega diska, se imenuje direktno sončno sevanje.

Neposredno sončno sevanje spada v kratkovalovni del spektra (z valovnimi dolžinami od 0,17 do 4 mikronov, pravzaprav dosežejo zemeljsko površje žarki z valovno dolžino 0,29 mikronov)

Sončni spekter lahko razdelimo na tri glavna področja:

Ultravijolično sevanje (λ< 0,4 мкм) - 9 % интенсивности.

Kratkovalovno ultravijolično območje (λ< 0,29 мкм) практически полностью отсутствует на уровне моря вследствие поглощения О 2 , О 3 , О, N 2 и их ионами.

Blizu ultravijoličnega območja (0,29 µm<λ < 0,4 мкм) достигает Земли малой долей излучения, но вполне достаточной для загара;

Vidno sevanje (0,4 µm< λ < 0,7 мкм) - 45 % интенсивности.

Čisto ozračje skoraj v celoti prepušča vidno sevanje in postane »okno«, odprto za prehod te vrste sončne energije na Zemljo. Prisotnost aerosolov in onesnaženost ozračja sta lahko vzroka za znatno absorpcijo sevanja v tem spektru;

Infrardeče sevanje (λ> 0,7 µm) - 46% intenzivnost. Bližnji infrardeči (0,7 µm< < 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 %.

Pri valovnih dolžinah nad 2,5 mikrona CO 2 in voda intenzivno absorbirata šibko nezemeljsko sevanje, tako da le majhen del tega obsega sončne energije doseže Zemljino površje.

Daljnje infrardeče območje (λ> 12 mikronov) sončnega sevanja praktično ne doseže Zemlje.

Z vidika izrabe sončne energije na Zemlji je treba upoštevati le sevanje v območju valovnih dolžin 0,29 - 2,5 μm.

Večina sončne energije zunaj atmosfere je v območju valovnih dolžin 0,2 - 4 mikrona, na površju Zemlje pa v območju valovnih dolžin 0,29 - 2,5 mikrona.

Poglejmo, kako se prerazporejajo na splošno , tokovi energije, ki jih Sonce daje Zemlji. Vzemimo 100 poljubnih enot sončne energije (1,36 kW/m 2 ), ki padejo na Zemljo, in sledimo njihovi poti v ozračju. En odstotek (13,6 W/m2), kratkega ultravijoličnega sončnega spektra, absorbirajo molekule v eksosferi in termosferi ter ju segrejejo. Še tri odstotke (40,8 W / m 2) bližnjega ultravijoličnega sevanja absorbira ozon stratosfere. Infrardeči rep sončnega spektra (4% ali 54,4 W / m 2) ostane v zgornjih plasteh troposfere, ki vsebuje vodno paro (zgoraj vodne pare praktično ni).

Preostalih 92 deležev sončne energije (1,25 kW / m 2) pade na "okno prosojnosti" atmosfere 0,29 mikronov< < 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. Štirideset deležev energije sončnih žarkov in še 8 iz atmosfere (skupaj 48 ali 652,8 W/m 2) absorbira zemeljsko površje, segreva kopno in ocean.

Svetlobna moč, razpršena v atmosferi (le 48 deležev ali 652,8 W/m 2), le-ta delno absorbira (10 deležev ali 136 W/m 2), preostanek pa se porazdeli med zemeljsko površino in vesoljem. Več gre v vesolje, kot ga pade na površje, 30 deležev (408 W/m 2 ) navzgor, 8 deležev (108,8 W/m 2 ) navzdol.

Opisano je bilo skupno, povprečno, slika prerazporeditve sončne energije v zemeljski atmosferi. Vendar pa ne omogoča reševanja posebnih problemov uporabe sončne energije za zadovoljevanje potreb osebe na določenem območju njegovega bivanja in dela, in tukaj je razlog.

Zemljina atmosfera bolje odbija poševne sončne žarke, zato je urna osončenost na ekvatorju in v srednjih zemljepisnih širinah veliko večja kot v visokih zemljepisnih širinah.

Višine Sonca (nad obzorjem) 90, 30, 20 in 12 ⁰ (zračna (optična) masa (m) atmosfere ustreza 1, 2, 3 in 5) z ozračjem brez oblaka ustreza do intenzivnosti približno 900, 750, 600 in 400 W / m 2 (pri 42 ⁰ - m = 1,5 in pri 15 ⁰ - m = 4). V resnici skupna energija vpadnega sevanja presega navedene vrednosti, saj ne vključuje le neposredne komponente, temveč tudi vrednost razpršene komponente intenzitete sevanja na vodoravni površini, razpršene na zračnih masah 1, 2, 3, in 5 pod temi pogoji je enako 110, 90, 70 in 50 W / m 2 (s koeficientom 0,3 - 0,7 za navpično ravnino, saj je vidna le polovica neba). Poleg tega je na območjih neba blizu Sonca "cirkumsolarni halo" v polmeru ≈ 5⁰.

Tabela 1 prikazuje podatke o osončenosti za različne predele Zemlje.

Tabela 1 - Insolacija neposredne komponente po regijah za čisto ozračje

Tabela 1 kaže, da je dnevna količina sončnega sevanja največja ne na ekvatorju, ampak blizu 40 ⁰. Podobno dejstvo je tudi posledica nagnjenosti zemeljske osi glede na ravnino njene orbite. V času poletnega solsticija je Sonce v tropih skoraj ves dan nad glavo, dnevna svetloba pa traja 13,5 ure, več kot na ekvatorju na dan enakonočja. Z naraščajočo zemljepisno širino se dolžina dneva povečuje, in čeprav se intenzivnost sončnega sevanja zmanjša, se največja dnevna insolacija pojavi na zemljepisni širini približno 40 ⁰ in ostane skoraj nespremenjena (za razmere brez oblakov) do polarnega kroga.

Poudariti je treba, da podatki v tabeli 1 veljajo le za čisto atmosfero. Ob upoštevanju oblačnosti in onesnaženosti ozračja z industrijskimi odpadki, ki je značilna za številne države sveta, bi morale biti vrednosti, navedene v tabeli, vsaj prepolovljene. Tako je na primer za Anglijo v 70. letih 20. stoletja, pred začetkom boja za zaščito okolja, letna količina sončnega sevanja znašala le 900 kWh/m 2 namesto 1700 kWh/m 2 .

Aerosoli bistveno zmanjšajo pretok neposrednega sončnega sevanja v vodno površino ribnika in absorbirajo predvsem sevanje vidnega spektra, z valovno dolžino, ki prosto prehaja skozi svežo plast ribnika, in to saj je kopičenje sončne energije ob ribniku zelo pomembno.(1 cm debela plast vode je praktično neprozorna za infrardeče sevanje z valovno dolžino večjo od 1 mikrona). Zato se kot toplotno zaščitni filter uporablja nekaj centimetrov debela voda. Za steklo je meja dolgovalovnega infrardečega prenosa 2,7 µm.

Veliko število prašnih delcev, ki se prosto prenašajo po stepi, prav tako zmanjšuje preglednost ozračja.

Vidno sončno sevanje (0,4 µm< λ < 0,7 мкм) имеет 45 % интенсивности потому, что температура поверхности Солнца 5780 ⁰К.

V velikem napredku je bil prehod od električne žarnice z žarilno nitko z ogljikovo nitko na moderno žarnico z volframovo nitko. Stvar je v tem, da lahko ogljikov filament segrejemo na temperaturo 2100 ⁰K, volframov filament pa do 2500 ⁰K. Zakaj je teh 400 ⁰K tako pomembnih? Stvar je v tem, da namen žarnice z žarilno nitko ni gretje, ampak dajanje svetlobe. Zato je treba doseči tak položaj, da maksimum krivulje pade na vidno študijo. Idealno bi bilo imeti žarilno nitko, ki bi lahko vzdržala temperaturo Sončeve površine. Toda tudi prehod iz 2100 na 2500 ⁰K poveča delež energije, ki ga je mogoče pripisati vidnemu sevanju, z 0,5 na 1,6 %.

Infrardeče žarke, ki izhajajo iz telesa, segretega na samo 60 - 70 ⁰С, lahko vsakdo občuti s približevanjem dlani od spodaj (za odpravo toplotne konvekcije).

Prihod neposrednega sončnega sevanja v vodno območje ribnika ustreza njegovemu prihodu na vodoravno površino obsevanja. Navedeno hkrati kaže na negotovost kvantitativnih značilnosti prihoda v določeni časovni točki, tako sezonske kot dnevne. Samo višina Sonca (optična masa atmosfere) je konstantna značilnost.

Akumulacija sončnega sevanja na zemeljski površini in ribniku se bistveno razlikujeta.

Naravne površine Zemlje imajo različne odbojne (vpojne) sposobnosti. Tako imajo temne površine (černozem, šotna barja) nizko vrednost albeda okoli 10%. ( Površinski albedo je razmerje med tokom sevanja, ki ga ta površina odbija v okoliški prostor, in tokom, ki je padel nanjo).

Albedo vodnih površin je v razponu od 3 - 45 %, odvisno od višine Sonca in stopnje vznemirjenosti.

Pri mirni vodni gladini je albedo odvisen samo od višine Sonca (slika 2).

Slika 2 - Odvisnost odbojnega koeficienta sončnega sevanja za mirno vodno površino od višine sonca.

Vstop sončnega sevanja in njegov prehod skozi plast vode ima svoje značilnosti.

Na splošno so optične lastnosti vode (njenih raztopin) v vidnem območju sončnega sevanja prikazane na sliki 3.

Ф0 - tok (moč) vpadnega sevanja,

Photr - tok sevanja, ki ga odbija vodna gladina,

Фabs je tok sevanja, ki ga absorbira vodna masa,

Fr - tok sevanja, ki je prešel skozi vodno maso.

Odboj telesa Fotr/Ф0

Absorpcijski koeficient Фabl/Ф0

Prepustnost Фpr/Ф0.

Slika 3 - Optične lastnosti vode (njenih raztopin) v vidnem območju sončnega sevanja

Na ravni meji dveh medijev, zrak - voda, opazimo pojave odboja in loma svetlobe.

Pri odboju svetlobe ležijo vpadni žarek, odbiti žarek in pravokotnica na zrcalno površino, obnovljena na vpadnem mestu žarka, v isti ravnini, odbojni kot pa je enak vpadnemu kotu. V primeru loma ležijo vpadni žarek, pravokotnica, vzpostavljena na vpadni točki žarka na vmesnik med dvema medijema, in lomljeni žarek v isti ravnini. Vpadni kot α in lomni kot β (slika 4) sta povezana sin α /sin β=n2|n1, kjer je n2 absolutni lomni količnik drugega medija, n1 - prvega. Ker bo za zrak n1≈1 formula prevzela obliko sin α /sin β=n2

Slika 4 - Lom žarkov pri prehodu iz zraka v vodo

Posledično se žarki, ki padajo na vodo pod različnimi koti, pod vodo stisnejo v precej tesen stožec z odprtim kotom 48,5 ⁰ + 48,5 ⁰ = 97 ⁰ (slika 4c).

Poleg tega je lom vode odvisen od njene temperature (tabela 2), vendar te spremembe niso tako pomembne, da ne bi bile zanimive za inženirsko prakso na obravnavano temo.

Tabela 2 – Indeks lomavode pri različnih temperaturah t

	n			n			n

Slika 5 - Lom žarkov pri prehodu iz vode v zrak

Če je 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 obstaja le odbiti žarek, lomljenega žarka ni ( pojav popolnega notranjega odboja).

Vsak podvodni žarek, ki se sreča s površino vode pod kotom, večjim od "mejnega" (tj. večjim od 48,5 ⁰), se ne lomi, ampak odbije: podvržen je " popolni notranji odboj". Odboj imenujemo v tem primeru popolni, ker se tukaj odbijejo vsi vpadni žarki, medtem ko tudi najboljše polirano srebrno zrcalo odbije le del žarkov, ki vpadajo nanj, ostale pa absorbira. Voda je v teh pogojih idealno ogledalo. V tem primeru govorimo o vidni svetlobi. Na splošno je lomni količnik vode, tako kot drugih snovi, odvisen od valovne dolžine (ta pojav imenujemo disperzija). Posledica tega je, da mejni kot, pri katerem pride do popolnega notranjega odboja, ni enak za različne valovne dolžine, vendar se pri odboju vidne svetlobe na meji voda-zrak ta kot spremeni za manj kot 1⁰.

Ker pa je gostota vode 800-krat večja od gostote zraka, se bo absorpcija sončnega sevanja v vodi bistveno spremenila.

Poleg tega, če svetlobno sevanje prehaja skozi prozoren medij, potem ima spekter takšne svetlobe nekaj značilnosti. Določene linije v njem so močno oslabljene, tj. valove ustrezne valovne dolžine obravnavani medij močno absorbira. Takšni spektri se imenujejo absorpcijski spektri. Oblika absorpcijskega spektra je odvisna od obravnavane snovi.

Od raztopine soli sončni slani ribnik lahko vsebuje različne koncentracije natrijevega in magnezijevega klorida ter njuna razmerja, potem ni smiselno nedvoumno govoriti o absorpcijskih spektrih. Čeprav je raziskav in podatkov o tem vprašanju veliko.

Slika 7 - Absorpcija sončnega sevanja v vodi

Slika 6 - Odvisnost pretoka raztopine magnezijevega klorida od koncentracije

Sliki 6 in 7 prikazujeta, da ima voda največjo prepustnost v vidnem območju sončnega spektra. To je zelo ugoden dejavnik za prehod sončnega sevanja skozi zgornjo svežo plast sončnega slanika.

Bibliografija

1 Osadčij G.B. Sončna energija, njeni derivati in tehnologije za njihovo uporabo (Uvod v energijo OVE) / G.B. Osadčij. Omsk: IPK Maksheeva E.A., 2010. 572 str.

2 Twydell J. Obnovljivi viri energije / J. Twydell, A . Weir. M.: Energoatomizdat, 1990. 392 str.

3 Duffy J. A. Toplotni procesi z uporabo sončne energije / J. A. Duffy, W. A. Beckman. M.: Mir, 1977. 420 str.

4 Podnebni viri Bajkala in njegovega bazena /N. P. Ladejščikov, Novosibirsk, Nauka, 1976, 318 str.

5 Pikin S. A. Tekoči kristali / S. A. Pikin, L. M. Blinov. M.: Nauka, 1982. 208 str.

6 Kitaygorodsky A. I. Fizika za vsakogar: Fotoni in jedra / A. I. Kitaygorodsky. M.: Nauka, 1984. 208 str.

PREDAVANJE 2.

SONČNO SEVANJE.

načrt:

1. Vrednost sončnega sevanja za življenje na Zemlji.

2. Vrste sončnega sevanja.

3. Spektralna sestava sončnega sevanja.

4. Absorpcija in disperzija sevanja.

5.PAR (fotosintetsko aktivno sevanje).

6. Bilanca sevanja.

1. Glavni vir energije na Zemlji za vsa živa bitja (rastline, živali in človeka) je energija sonca.

Sonce je plinska krogla s polmerom 695300 km. Polmer Sonca je 109-krat večji od polmera Zemlje (ekvatorialni 6378,2 km, polarni 6356,8 km). Sonce je sestavljeno predvsem iz vodika (64 %) in helija (32 %). Preostanek predstavlja le 4% njegove mase.

Sončna energija je glavni pogoj za obstoj biosfere in eden glavnih dejavnikov oblikovanja podnebja. Zaradi energije Sonca se zračne mase v ozračju nenehno premikajo, kar zagotavlja konstantnost plinske sestave ozračja. Pod vplivom sončnega sevanja ogromna količina vode izhlapi s površine rezervoarjev, zemlje, rastlin. Vodna para, ki jo veter prenaša iz oceanov in morij na celine, je glavni vir padavin za kopno.

Sončna energija je nepogrešljiv pogoj za obstoj zelenih rastlin, ki med fotosintezo pretvarjajo sončno energijo v visokoenergijske organske snovi.

Rast in razvoj rastlin je proces asimilacije in predelave sončne energije, zato je kmetijska pridelava mogoča le, če sončna energija doseže zemeljsko površje. Ruski znanstvenik je zapisal: »Dajte najboljšemu kuharju toliko svežega zraka, sončne svetlobe, celo reko čiste vode, kolikor želite, prosite ga, naj iz vsega tega pripravi sladkor, škrob, maščobe in žitarice, in mislil bo, da se smejite. pri njem. Toda tisto, kar se človeku zdi naravnost fantastično, se pod vplivom energije Sonca brez ovir uresniči v zelenih listih rastlin. Ocenjuje se, da je 1 kv. meter listov na uro proizvede gram sladkorja. Ker Zemljo obdaja neprekinjena lupina atmosfere, preidejo sončni žarki, preden dosežejo zemeljsko površje, skozi celotno debelino atmosfere, ki jih delno odbija, delno razprši, t.j. spreminja količino in kakovost. sončne svetlobe, ki vstopa v zemeljsko površje. Živi organizmi so občutljivi na spremembe v intenzivnosti osvetlitve, ki jo ustvarja sončno sevanje. Zaradi različnega odziva na jakost svetlobe delimo vse rastlinske oblike na svetloljubne in sencoodporne. Nezadostna osvetlitev v posevkih povzroči na primer šibko diferenciacijo slamnatih tkiv žitnih posevkov. Posledično se zmanjšata moč in elastičnost tkiv, kar pogosto vodi do poleganja pridelkov. V zgoščenih posevkih koruze je zaradi nizke osvetljenosti s sončnim sevanjem oslabljena tvorba storžev na rastlinah.

Sončno sevanje vpliva na kemično sestavo kmetijskih pridelkov. Na primer, vsebnost sladkorja v pesi in sadju, vsebnost beljakovin v pšeničnem zrnju je neposredno odvisna od števila sončnih dni. Količina olja v semenih sončnic, lanu se prav tako povečuje s povečanjem prihoda sončnega sevanja.

Osvetlitev nadzemnih delov rastlin pomembno vpliva na absorpcijo hranil s koreninami. Pri nizki osvetlitvi se prenos asimilatov v korenine upočasni, posledično pa so zavirani biosintetski procesi, ki potekajo v rastlinskih celicah.

Osvetlitev vpliva tudi na nastanek, širjenje in razvoj rastlinskih bolezni. Obdobje okužbe je sestavljeno iz dveh faz, ki se med seboj razlikujeta glede na odziv na svetlobni faktor. Prvi od njih - dejansko kalitev spor in prodiranje nalezljivega principa v tkiva prizadete kulture - v večini primerov ni odvisen od prisotnosti in intenzivnosti svetlobe. Drugi - po kalitvi spor - je najbolj aktiven v pogojih visoke svetlobe.

Pozitivni učinek svetlobe vpliva tudi na hitrost razvoja patogena v gostiteljski rastlini. To je še posebej očitno pri glivah rje. Več svetlobe, krajša je inkubacijska doba pšenične črne rje, ječmenove rumene rje, lanene in fižolove rje itd. To pa poveča število generacij glive in poveča intenzivnost okužbe. Plodnost se pri tem patogenu poveča v pogojih intenzivne svetlobe.

Nekatere bolezni se najbolj aktivno razvijajo pri šibki svetlobi, kar povzroči oslabitev rastlin in zmanjšanje njihove odpornosti na bolezni (povzročitelji različnih vrst gnilobe, zlasti zelenjave).

Trajanje osvetlitve in rastlin. Ritem sončnega obsevanja (menjavanje svetlih in temnih delov dneva) je najbolj stabilen in iz leta v leto ponavljajoč se dejavnik okolja. Kot rezultat dolgoletnih raziskav so fiziologi ugotovili odvisnost prehoda rastlin v generativni razvoj od določenega razmerja dolžine dneva in noči. V zvezi s tem lahko kulture glede na fotoperiodično reakcijo razvrstimo v skupine: kratek dan katerih razvoj je zakasnjen pri dnevu, daljšem od 10 ur. Kratek dan spodbuja nastanek cvetov, dolg dan pa preprečuje. Takšni pridelki vključujejo sojo, riž, proso, sirek, koruzo itd.;

dolg dan do 12-13 ure, ki za svoj razvoj potrebujejo dolgotrajno osvetlitev. Njihov razvoj se pospeši pri dolžini dneva okoli 20 ur.Te poljščine vključujejo rž, oves, pšenico, lan, grah, špinačo, deteljo itd.;

nevtralen glede na dolžino dneva, katerih razvoj ni odvisen od dolžine dneva, na primer paradižnik, ajda, stročnice, rabarbara.

Ugotovljeno je bilo, da je za začetek cvetenja rastlin potrebna prevlada določene spektralne sestave v sevalnem toku. Kratkodnevne rastline se razvijajo hitreje, ko največje sevanje pade na modro-vijolične žarke, dolgodnevne rastline pa rdeče. Trajanje svetlega dela dneva (astronomska dolžina dneva) je odvisno od letnega časa in geografske širine. Na ekvatorju je trajanje dneva skozi vse leto 12 ur ± 30 minut. Pri premikanju od ekvatorja do polov po pomladnem enakonočju (21.03) se dolžina dneva poveča proti severu in skrajša proti jugu. Po jesenskem enakonočju (23.09) se porazdelitev dolžine dneva obrne. Na severni polobli je najdaljši dan 22. junij, katerega trajanje je 24 ur severno od polarnega kroga.Najkrajši dan na severni polobli je 22. december, onkraj polarnega kroga v zimskih mesecih pa Sonce ne sploh dvigniti nad obzorje. Na srednjih zemljepisnih širinah, na primer v Moskvi, se dolžina dneva med letom giblje od 7 do 17,5 ure.

2. Vrste sončnega sevanja.

Sončno sevanje sestavljajo tri komponente: direktno sončno sevanje, razpršeno in skupno.

NEPOSREDNO SONČNO SEVANJES- sevanje, ki prihaja od sonca v ozračje in nato na zemeljsko površje v obliki snopa vzporednih žarkov. Njegova intenzivnost se meri v kalorijah na cm2 na minuto. Odvisno je od višine sonca in stanja ozračja (oblačnost, prah, vodna para). Letna količina neposrednega sončnega sevanja na vodoravni površini ozemlja Stavropolskega ozemlja je 65-76 kcal / cm2 / min. Na gladini morja, z visokim položajem sonca (poleti, opoldne) in dobro preglednostjo, je direktno sončno obsevanje 1,5 kcal / cm2 / min. To je del spektra s kratkimi valovnimi dolžinami. Ko tok neposrednega sončnega sevanja prehaja skozi ozračje, oslabi zaradi absorpcije (približno 15 %) in razpršitve (približno 25 %) energije s plini, aerosoli, oblaki.

Tok neposrednega sončnega sevanja, ki pada na vodoravno površino, imenujemo insolacija. S= S greh hoje vertikalna komponenta neposrednega sončnega sevanja.

S – količina toplote, ki jo prejme površina, pravokotna na žarek ,

ho – višina Sonca, to je kot, ki ga tvori sončni žarek z vodoravno površino .

Na meji atmosfere je intenzivnost sončnega sevanjatorej= 1,98 kcal/cm2/min. - po mednarodni pogodbi iz leta 1958. Imenuje se sončna konstanta. To bi bilo na površini, če bi bila atmosfera popolnoma prozorna.

riž. 2.1. Pot sončnega žarka v ozračju na različnih višinah sonca

RAZPRŠENO SEVANJED – del sončnega sevanja zaradi sipanja v atmosferi gre nazaj v vesolje, precejšen del pa pride na Zemljo v obliki razpršenega sevanja. Maksimalno razpršeno sevanje + 1 kcal/cm2/min. Opazen je na jasnem nebu, če so na njem visoki oblaki. Pod oblačnim nebom je spekter razpršenega sevanja podoben sončnemu. To je del spektra s kratkimi valovnimi dolžinami. Valovna dolžina 0,17-4 mikronov.

SKUPNO SEVANJEQ- sestoji iz difuznega in neposrednega sevanja na vodoravno površino. Q= S+ D.

Razmerje med direktnim in difuznim sevanjem v sestavi skupnega sevanja je odvisno od višine Sonca, oblačnosti in onesnaženosti ozračja ter višine površja nad morsko gladino. Z naraščanjem višine Sonca se delež razpršenega sevanja na nebu brez oblačka zmanjšuje. Čim bolj je prosojno ozračje in čim višje je Sonce, tem manjši je delež razpršenega sevanja. Pri neprekinjenih gostih oblakih je skupno sevanje v celoti sestavljeno iz razpršenega sevanja. Pozimi se zaradi odboja sevanja od snežne odeje in njegovega sekundarnega sipanja v ozračju delež razpršenega sevanja v sestavi skupnega opazno poveča.

Svetloba in toplota, ki jo rastline prejemajo od Sonca, je posledica delovanja celotnega sončnega sevanja. Zato so podatki o količinah sevanja, ki jih površina prejme na dan, mesec, rastno sezono in leto, zelo pomembni za kmetijstvo.

odbito sončno sevanje. Albedo. Celotno sevanje, ki je doseglo zemeljsko površje in se delno odbija od njega, ustvarja odbito sončno sevanje (RK), usmerjeno od zemeljske površine v ozračje. Vrednost odbitega sevanja je v veliki meri odvisna od lastnosti in stanja odbojne površine: barve, hrapavosti, vlažnosti itd. Odbojnost katere koli površine lahko označimo z njenim albedom (Ak), ki ga razumemo kot razmerje odbitega sončnega sevanja do do skupaj. Albedo je običajno izražen v odstotkih:

Opazovanja kažejo, da se albedo različnih površin spreminja v relativno ozkih mejah (10...30%), z izjemo snega in vode.

Albedo je odvisen od vlažnosti tal, s povečanjem katere se zmanjšuje, kar je pomembno v procesu spreminjanja toplotnega režima namakanih polj. Zaradi zmanjšanja albeda se ob navlaženju tal poveča absorbirano sevanje. Albedo različnih površin ima dobro izraženo dnevno in letno variacijo zaradi odvisnosti albeda od višine Sonca. Najnižjo vrednost albeda opazimo okoli poldneva, med letom pa poleti.

Zemljino lastno sevanje in protisevanje atmosfere. Učinkovito sevanje. Zemljino površje kot fizično telo s temperaturo nad absolutno ničlo (-273 °C) je vir sevanja, ki ga imenujemo Zemljino lastno sevanje (E3). Usmerjen je v ozračje in ga vodna para, vodne kapljice in ogljikov dioksid v zraku skoraj popolnoma absorbirajo. Sevanje Zemlje je odvisno od temperature njene površine.

Ozračje, ki absorbira majhno količino sončnega sevanja in skoraj vso energijo, ki jo oddaja zemeljsko površje, se segreje in posledično tudi seva energijo. Okoli 30 % atmosferskega sevanja gre v vesolje, okoli 70 % pa pride na zemeljsko površje in se imenuje protiatmosfersko sevanje (Ea).

Količina energije, ki jo oddaja ozračje, je neposredno sorazmerna z njegovo temperaturo, vsebnostjo ogljikovega dioksida, ozonom in oblačnostjo.

Površina Zemlje skoraj v celoti absorbira to protisevanje (za 90...99%). Tako je poleg absorbiranega sončnega sevanja pomemben vir toplote za zemeljsko površje. Ta vpliv atmosfere na toplotni režim Zemlje imenujemo učinek tople grede ali tople grede zaradi zunanje analogije z delovanjem stekel v rastlinjakih in rastlinjakih. Steklo dobro prepušča sončne žarke, ki segrejejo zemljo in rastline, vendar zadržuje toplotno sevanje segrete zemlje in rastlin.

Razliko med lastnim sevanjem zemeljskega površja in nasprotnim sevanjem atmosfere imenujemo efektivno sevanje: Eef.

Eef= E3-Ea

V jasnih in nekoliko oblačnih nočeh je efektivno sevanje veliko večje kot v oblačnih nočeh, zato je tudi nočno ohlajanje zemeljskega površja večje. Čez dan ga blokira absorbirano skupno sevanje, zaradi česar se površinska temperatura dvigne. Ob tem se poveča tudi efektivno sevanje. Zemljina površina v srednjih zemljepisnih širinah zaradi efektivnega sevanja izgubi 70...140 W/m2, kar je približno polovica količine toplote, ki jo prejme z absorpcijo sončnega sevanja.

3. Spektralna sestava sevanja.

Sonce kot vir sevanja oddaja različne valove. Tokove sevalne energije vzdolž valovne dolžine pogojno delimo na kratkovalovni (X < 4 мкм) и длинноволновую (А. >4 µm) sevanje. Spekter sončnega sevanja na meji zemeljske atmosfere je praktično med valovno dolžino 0,17 in 4 mikronov, zemeljskega in atmosferskega sevanja pa od 4 do 120 mikronov. Posledično se tokovi sončnega sevanja (S, D, RK) nanašajo na kratkovalovno sevanje, sevanje Zemlje (£3) in atmosfere (Ea) pa na dolgovalovno sevanje.

Spekter sončnega sevanja lahko razdelimo na tri kvalitativno različne dele: ultravijolično (Y< 0,40 мкм), видимую (0,40 мкм < Y < 0,75 µm) in infrardeči (0,76 µm < Y < 4 µm). Pred ultravijoličnim delom spektra sončnega sevanja leži rentgensko sevanje, za infrardečim pa radijsko sevanje Sonca. Na zgornji meji atmosfere predstavlja ultravijolični del spektra približno 7 % energije sončnega sevanja, 46 % vidnega in 47 % infrardečega.

Sevanje, ki ga oddajata zemlja in atmosfera, se imenuje daljno infrardeče sevanje.

Biološki učinek različnih vrst sevanja na rastline je različen. ultravijolično sevanje upočasni procese rasti, vendar pospeši prehod faz nastajanja reproduktivnih organov v rastlinah.

Vrednost infrardečega sevanja, ki ga voda aktivno absorbira v listih in steblih rastlin, je njen toplotni učinek, ki pomembno vpliva na rast in razvoj rastlin.

daljno infrardeče sevanje ima le toplotni učinek na rastline. Njegov vpliv na rast in razvoj rastlin je zanemarljiv.

Vidni del sončnega spektra, prvič, ustvarja osvetlitev. Drugič, tako imenovano fiziološko sevanje (A, = 0,35 ... 0,75 μm), ki ga absorbirajo listni pigmenti, skoraj sovpada z območjem vidnega sevanja (delno zajame območje ultravijoličnega sevanja). Njegova energija ima pomemben regulacijski in energetski pomen v življenju rastlin. Znotraj tega področja spektra ločimo območje fotosintetsko aktivnega sevanja.

4. Absorpcija in sipanje sevanja v ozračju.

Pri prehodu skozi zemeljsko atmosfero je sončno sevanje oslabljeno zaradi absorpcije in sipanja v atmosferskih plinih in aerosolih. Ob tem se spremeni tudi njegova spektralna sestava. Pri različnih višinah sonca in različnih višinah opazovalne točke nad zemeljsko površino dolžina poti, ki jo prehodi sončni žarek v ozračju, ni enaka. Z nižanjem nadmorske višine ultravijolični del sevanja še posebej močno upada, nekoliko manj vidni in le malo infrardeči del.

Sipanje sevanja v atmosferi nastane predvsem kot posledica nenehnih nihanj (fluktuacij) gostote zraka na vsaki točki atmosfere, ki nastanejo zaradi nastajanja in uničenja določenih "grozdov" (grud) molekul atmosferskega plina. Aerosolni delci tudi razpršijo sončno sevanje. Intenzivnost sipanja je označena s koeficientom sipanja.

K = dodaj formulo.

Intenzivnost sipanja je odvisna od števila sipajočih delcev na prostorninsko enoto, od njihove velikosti in narave ter od valovnih dolžin samega sipanega sevanja.

Žarki se sipajo tem močneje, čim krajša je valovna dolžina. Na primer, vijolični žarki se razpršijo 14-krat več kot rdeči, kar pojasnjuje modro barvo neba. Kot je navedeno zgoraj (glej razdelek 2.2), se neposredno sončno sevanje, ki prehaja skozi ozračje, delno razprši. V čistem in suhem zraku je intenzivnost koeficienta molekularnega sipanja v skladu z Rayleighovim zakonom:

k= s/Y4 ,

kjer je C koeficient, odvisen od števila molekul plina na prostorninsko enoto; X je dolžina razpršenega vala.

Ker so daljne valovne dolžine rdeče svetlobe skoraj dvakrat daljše od valovne dolžine vijolične svetlobe, se prve razpršijo z molekulami zraka 14-krat manj kot druge. Ker je začetna energija (pred sipanjem) vijoličnih žarkov manjša od modrih in modrih, se največja energija v razpršeni svetlobi (razpršeno sončno sevanje) premakne na modro-modre žarke, kar določa modro barvo neba. Tako je difuzno sevanje bogatejše s fotosintetsko aktivnimi žarki kot direktno sevanje.

V zraku, ki vsebuje primesi (majhne vodne kapljice, ledeni kristali, prašni delci itd.), je sipanje enako za vsa področja vidnega sevanja. Zato nebo pridobi belkast odtenek (pojavi se meglica). Elementi oblaka (velike kapljice in kristali) sončnih žarkov sploh ne sipajo, temveč jih razpršeno odbijajo. Posledično so oblaki, ki jih osvetljuje Sonce, beli.

5. PAR (fotosintetično aktivno sevanje)

Fotosintetsko aktivno sevanje. V procesu fotosinteze se ne uporablja celoten spekter sončnega sevanja, ampak le njegov

del v območju valovnih dolžin 0,38 ... 0,71 mikronov, - fotosintetsko aktivno sevanje (PAR).

Znano je, da vidno sevanje, ki ga človeško oko zazna kot belo, sestavljajo barvni žarki: rdeči, oranžni, rumeni, zeleni, modri, indigo in vijolični.

Asimilacija energije sončnega sevanja z listi rastlin je selektivna (selektivna). Listi najbolj intenzivno absorbirajo modro-vijolične (X = 0,48 ... 0,40 mikronov) in oranžno-rdeče (X = 0,68 mikronov) žarke, manj rumeno-zelene (A. = 0,58 ... 0,50 mikronov) in daleč rdeče (A .\u003e 0,69 mikronov) žarki.

Na zemeljski površini največja energija v spektru direktnega sončnega sevanja, ko je Sonce visoko, pade na območje rumeno-zelenih žarkov (disk Sonca je rumen). Ko je Sonce blizu obzorja, imajo največjo energijo oddaljeni rdeči žarki (sončev disk je rdeč). Zato je energija neposredne sončne svetlobe malo vključena v proces fotosinteze.

Ker je PAR eden najpomembnejših dejavnikov produktivnosti kmetijskih rastlin, so podatki o količini vhodnega PAR, ob upoštevanju njegove porazdelitve po ozemlju in v času, velikega praktičnega pomena.

Intenzivnost PAR je mogoče izmeriti, vendar so za to potrebni posebni svetlobni filtri, ki prepuščajo le valove v območju 0,38 ... 0,71 mikronov. Takšne naprave obstajajo, vendar se ne uporabljajo na mreži aktinometričnih postaj, temveč merijo intenziteto integralnega spektra sončnega sevanja. Vrednost PAR se lahko izračuna iz podatkov o prihodu neposrednega, razpršenega ali skupnega sevanja z uporabo koeficientov, ki jih je predlagal H. G. Tooming in:

Qfar = 0,43 S"+0,57 D);

Izdelane so karte porazdelitve mesečnih in letnih količin Far na ozemlju Rusije.

Za opredelitev stopnje uporabe PAR s pridelki se uporablja učinkovitost PAR:

KPIfar = (vsotaQ/ žarometi/zbirQ/ žarometi) 100%,

kje vsotaQ/ žarometi- količina PAR, porabljena za fotosintezo v rastni sezoni rastlin; vsotaQ/ žarometi- znesek prejetega PAR za pridelke v tem obdobju;

Pridelki glede na njihove povprečne vrednosti CPIF so razdeljeni v skupine (glede na): običajno opazimo - 0,5 ... 1,5%; dobro-1,5...3,0; zapis - 3,5...5,0; teoretično možno - 6,0 ... 8,0%.

6. SEVALNA BILANCA ZEMELJSKEGA POVRŠJA

Razlika med vhodnimi in izhodnimi tokovi sevalne energije se imenuje radiacijska bilanca zemeljske površine (B).

Vhodni del sevalne bilance zemeljskega površja podnevi sestavljajo direktno sončno in razpršeno sevanje ter atmosfersko sevanje. Odhodkovni del bilance predstavlja sevanje zemeljske površine in odbito sončno sevanje:

B= S / + D+ Ea-E3-Rk

Enačbo lahko zapišemo tudi v drugi obliki: B = Q- RK - Eef.

Za nočni čas ima enačba bilance sevanja naslednjo obliko:

B \u003d Ea - E3 ali B \u003d -Eef.

Če je vnos sevanja večji od izhoda, je bilanca sevanja pozitivna in se aktivna površina* segreje. Z negativno bilanco se ohladi. Poleti je sevalna bilanca podnevi pozitivna, ponoči pa negativna. Prečkanje ničle se zgodi zjutraj približno 1 uro po sončnem vzhodu in zvečer 1-2 uri pred sončnim zahodom.

Letna bilanca sevanja na območjih s stabilno snežno odejo ima negativne vrednosti v hladni sezoni in pozitivne vrednosti v topli sezoni.

Radiacijska bilanca zemeljske površine pomembno vpliva na porazdelitev temperature v tleh in površinski plasti ozračja, pa tudi na procese izhlapevanja in taljenja snega, nastajanje megle in zmrzali, spremembe lastnosti zračnih mas (njihove preoblikovanje).

Poznavanje sevalnega režima kmetijskih zemljišč omogoča izračun količine sevanja, ki ga absorbirajo pridelki in tla glede na višino sonca, strukturo pridelka in fazo razvoja rastlin. Podatki o režimu so potrebni tudi za oceno različnih načinov uravnavanja temperature in vlage v tleh, izhlapevanja, od katerih je odvisna rast in razvoj rastlin, oblikovanje pridelka, njegova količina in kakovost.

Učinkovite agrotehnične metode vplivanja na sevanje in posledično na toplotni režim aktivne površine so mulčenje (prekrivanje tal s tanko plastjo šotnih sekancev, pregnilega gnoja, žagovine itd.), prekrivanje tal s plastično folijo in namakanje. . Vse to spremeni odbojno in absorpcijsko sposobnost aktivne površine.

* Aktivna površina - površina tal, vode ali vegetacije, ki neposredno absorbira sončno in atmosfersko sevanje ter oddaja sevanje v ozračje, s čimer uravnava toplotni režim sosednjih plasti zraka in spodaj ležečih plasti prsti, vode, vegetacije.

Vrsta