Учебно-методический комплекс дисциплины «Климатология и метрология» для специальности 5М060800 «Экология» учебно-методические материалы

1. Спектральный состав солнечной радиации

Доля лучистой энергии звезд составляет 10^-8 энергии Солнца;

космического излучения – 2×10^-9 энергии Солнца;

внутреннее тепло Земли – 5×10^-3 энергии Солнца.

Солнце – основной источник жизни на нашей планете и создатель энергетических запасов, которые все в большей степени используются человеком (нефть, каменный уголь, гидроресурсы, энергия ветра и др.).

Размеры Солнца огромны. Его диаметр около 1 392 000 км, т.е. в 110 раз больше, чем у Земли. Его вес, по расчетам, около 2×10²⁷ т. Если бы Солнце ежесекундно теряло 1 млрд. т. своей массы, то и в этом случае ½ своей массы она потеряла бы только через 30 млрд. лет. Благодаря своей огромной массе, и, следовательно, большой силе тяжести Солнце удерживает на разных расстояниях от себя 9 больших планет, несколько тысяч мелких планет (астероидов) и других небесных тел.

Только благодаря громадным размерам и ослепительной яркости Солнца мы видим его на небосклоне в виде сверкающего диска, а не крохотной точки. Астроном Юнг писал: «представьте себе ребенка с такой длинной рукой, что он может коснуться Солнца. Он прикоснулся к Солнцу и обжегся, но скончался бы от глубокой старости, прежде чем почувствовал боль, т.к. нервное раздражение, согласно Гельмгольцу, распространяется со скоростью 30 м/с». Звук, направленный от Земли, мог бы достичь Солнца за 14 лет, аппарат, летящий со скоростью 800 км/ч, за 21 год.

Солнечные лучи, распространяясь в мировом пространстве со скоростью около 300 000 км/с, проходят путь от Солнца до Земли, равный в среднем 149,5 млн. км, за 8,3 минуты. Несмотря на огромное расстояние, отделяющее нас от Солнца, и положение Земли в космическом пространстве, поверхность Земли и нижние слои атмосферы нагреваются солнечными лучами достаточно сильно, чтобы поддерживать жизнь на нашей планете.

Мощность излучения Солнца составляет 3,8×10²⁰ МВт. Общее количество энергии, получаемой Землей от Солнца, составляет около 1/2 000 000 000 долю всей энергии Солнца. Основная же часть энергии звезды рассеивается в космическом пространстве. За год Земля получает 5,44×10²⁴ Дж. Чтобы представить ее размеры, скажем, что ее достаточно для того, чтобы вся вода на Земле в морях и океанах закипела за 1,5 с.

Почти вся энергия Солнца генерируется в центральной области, часть которой составляет 1/3 солнечного. Температура в центре Солнца составляет более 15 000 000К, а давление превышает сотни млрд. атмосфер. В таких условиях происходит непрерывный процесс превращения атомов водорода в гелий. При образовании 1 г гелия выделяется 155 млрд. кал. На это тратится 0,007 г вещества. Суммарные же потери на Солнце составляют более 4 млн. т/с (4 200 000 т/с). Таким образом, Солнце «худеет» каждую секунду на 4,3 млн. т! Однако масса Солнца настолько велика (1,98·1030 кг), что для него такая потеря совсем неощутима. Однако это мало сказывается на «сгорании» Солнца. За 5 млрд. лет существования Солнца сгорела почти ½ всего водорода.

Почти вся энергия Солнца генерируется в центральной области, часть которой составляет 1/3 солнечного. Температура в центре Солнца составляет более 15 000 000К, а давление превышает сотни млрд. атмосфер. В таких условиях происходит непрерывный процесс превращения атомов водорода в гелий. При образовании 1 г гелия выделяется 155 млрд. кал. На это тратится 0,007 г вещества. Суммарные же потери на Солнце составляют более 4 млн. т/с. Однако это мало сказывается на «сгорании» Солнца. За 5 млрд. лет существования Солнца сгорела почти ½ всего водорода.

Из 4,3 млн. т массы, излучаемой Солнцем в окружающее пространство, на земную поверхность падает (на половину Земли, освещенную Солнцем) всего около 1,9 кг. Вот из этих 1,9 кг солнечной массы и черпается энергия на все процессы, протекающие в атмосфере и на земной поверхности!

1. 
   Электромагнитная радиация – периодические, связанные между собой излучения электрической и магнитной сил в каждой точке пространства. Создается колебательным движением электрических разрядов или непериодическим изменением электрического тока, протекающего по проводнику.
   

Радиация в диапазоне от 0,1 до 10³ мкм называется тепловой или температурной. К ней относится ультрафиолетовая (УФ), видимая и инфракрасная (ИК) радиация. Видимая радиация обычно называется светом, но термин «свет» иногда распространяется на тепловую радиацию вообще.

Тепловая радиация испускается при перестройке (электронных оболочек) атомов и молекул, а также при изменениях колебательного состояния атомов в молекулах, при вращении молекул.

Тело, испускающее радиацию, охлаждается. Энергия тепловая переходит в энергию радиации (лучистую энергию). Когда радиация падает на другое тело и поглощается им, то лучистая энергия переходит в другие формы энергии, главным образом в тепловую.

Интенсивность радиации, распределение радиации в спектре волн описывается законами излучения (закон Стефана-Больцмана и Вина) и законом Планка.

Измеряется обычно в тепловых единицах на единицу поверхности за единицу времени (кал/мин. см²). В настоящее время применяются механические единицы (Вт/м²).

2. 
   Корпускулярная радиация – поток элементарных частиц вещества, преимущественно протонов и электронов (ē), движущихся со скоростями в сотни км/с, но далекими от скорости света. Энергия корпускулярной радиации в среднем в 10 000 000 раз меньше энергии тепловой радиации. Она сильно зависит от активности Солнца и его физического состояния. Ниже 90 км от земной поверхности корпускулярная радиация в атмосферу почти не проникает.
   

Лучистая энергия Солнца, которая является основным и практически единственным источником энергии для поверхности Земли, превращается в тепло отчасти в самой атмосфере, но главным образом на земной поверхности (нагревание почвы и воды, а от них и воздуха). Нагретые земля и атмосфера сами излучают невидимую ИК радиацию. Отдавая эту радиацию в мировое пространство, земная поверхность и атмосфера охлаждается.

Исследования показывают, что среднегодовые температуры поверхности и атмосферы в любой точке Земли мало меняются от года к году. За историческое время в этих колебаниях не было определенной направленности, т.е. были колебания около средних многолетних величин.

Таким образом, при рассмотрении этого явления за многолетние промежутки времени можно сделать вывод, что Земля находится в тепловом равновесии (приход и расход тепла равны). Но так как Земля получает тепло, поглощая солнечную радиацию, а теряет тепло путем собственного излучения, то можно заключить, что она находится в лучистом равновесии.

Солнце излучает электромагнитные волны разной длины. Спектральный диапазон электромагнитного излучения Солнца очень широк. Одни из них представляют собой свет; другие – инфракрасные лучи, несущие тепло; третьи – целый ряд лучей, невидимых человеческим глазом: гамма-лучи, рентгеновские, ультрафиолетовые и радиоволны (рисунок 10). Земная атмосфера лучше всего пропускает видимый свет и радиоволны коротковолнового диапазона, а губительные для жизни ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи поглощаются атмосферой.

Рисунок 10 – Спектральный состав солнечной радиации (http://www.geoglobus.ru/earth/geo5/earth03.php)

Видимый свет занимает узкий интервал длин волн, всего от 0,39 до 0,76 мкм. Однако в этом интервале заключается почти половина всей солнечной лучистой энергии (47%). Почти столько же (44%) приходится на ИК лучи, а остальные 9% – на УФ.

Распределение энергии в спектре солнечной радиации до поступления ее в атмосферу можно приближенно найти путем экстраполяции результатов наземных наблюдений. В последующее время важные результаты получены также с помощью ракет и спутников.

Это распределение (рисунок 11) достаточно близко к теоретически полученному распределению энергии в спектре абсолютно черного тела при температуре около 6000К. Максимум лучистой энергии в солнечном спектре, как и в спектре абсолютно черного тела, приходится на волны с длинами около 0,475 мкм, т.е. на зелено-голубые лучи видимой части спектра. Однако в ультрафиолетовой части солнечного спектра энергия существенно меньше, чем в ультрафиолетовой части спектра абсолютно черного тела при температуре 6000К.

Рисунок 11 – Распределение лучистой энергии в спектре солнечной радиации до

поступления в атмосферу и в спектре абсолютно черного тела при температуре 6000°С (http://www.energy-bio.ru/suncoll.htm)
Таким образом, Солнце, строго говоря, не является абсолютно черным телом. Однако температуру 6000К можно считать близкой к фактической температуре поверхности Солнца.

Количественной мерой солнечной радиации, поступающей на некоторую поверхность, служит энергетическая освещенность, или плотность потока радиации, т.е. количество лучистой энергии, падающей на единицу площади в единицу времени. Энергетическая освещенность измеряется в Вт/м² (или кВт/м²); это означает, что на 1 м² в секунду поступает 1 Дж (или 1 кДж) лучистой энергии. Энергетическую освещенность солнечной радиации, падающей на верхней границе атмосферы на единицу площади, перпендикулярной к солнечным лучам, при среднем расстоянии Земли от Солнца называют солнечной постоянной I₀. Условие «на верхней границе атмосферы» означает, что рассматривается, энергетическая освещенность солнечной радиации до вступления в атмосферу. Смысл слова «постоянная» в том, что эта величина относится к радиации, на которую атмосфера еще не повлияла. Таким образом, солнечная постоянная зависит только от излучательной способности Солнца и от расстояния от Земли до Солнца.

Так как Земля обращается вокруг Солнца по эллиптической орбите, то величина солнечной постоянной меняется в течение года на ±3,5%. Она больше в январе, когда Земля в перигелии (147 млн. км), и меньше в начале июля, когда Земля в афелии (152 млн. км). Кроме того, солнечная постоянная зависит от солнечной активности – изменяется в пределах 0,02%.