Радіаційний баланс

 Кількість тепла, одержуваного від Сонця земною поверхнею, залежить насамперед від кута падіння сонячних променів. Чим отвеснее падають сонячні промені, тобто чим більше висота сонця над горизонтом, тим менше шлях сонячних променів в атмосфері (рис. 8) і тим більша кількість енергії припадає

Проходження сонячних променів через атмосферу

на одиницю площі. І, навпаки, чим менше кут падіння, тим більше шлях сонячних променів в атмосфері і тим менше енергії припадає на одиницю площі.

Максимальна кількість сонячної радіації надходить на одиницю горизонтальної поверхні землі, перпендикулярної до сонячних променів, тоді, коли сонце знаходиться в зеніті, тобто коли кут падіння сонячних променів дорівнює 90°.

Для вивчення процесів, викликаних припливом сонячної енергії, необхідно знати, яка кількість її отримує Земля разом з атмосферою і гідросферою, як розподіляється ця енергія по земній кулі і як вона витрачається. Але Земля не тільки одержує сонячне тепло, вона і віддає його шляхом випромінювання. Різниця між приходом і витратою променистої енергії Сонця називається радіаційним балансом.

Втрата тепла земною поверхнею шляхом випромінювання в значній мірі компенсується випромінюванням атмосфери, спрямованим зверху вниз. Однак внаслідок того, що температура земної поверхні вище температури атмосфери, земне випромінювання завжди більше випромінювання атмосфери. Інакше кажучи, земна поверхня завжди втрачає деяку кількість тепла. Різниця між величиною земного випромінювання і величиною поглиненої підстильною поверхнею противоизлучения атмосфери називається ефективним випромінюванням. Земне випромінювання вимірюється в калоріях на квадратний сантиметр в хвилину (кал/см2мин).

Величина радіаційного балансу земної поверхні визначається рівнянням:

R=Q(1-a)-I

де Q — сумарна сонячна радіація, яка припадає на одиницю горизонтальної поверхні; а — відбивна здатність земної поверхні для короткохвильової радіації; I — ефективне випромінювання, що дорівнює різниці власного випромінювання земної поверхні та противоизлучения атмосфери.

Температура земної поверхні і вологість повітря впливають на величину ефективного випромінювання, тому величина ефективного випромінювання днем більше, ніж вночі, влітку більше, ніж взимку. У тих районах Землі, де часто спостерігається хмарність, ефективне випромінювання земної поверхні менше, ніж там, де переважає ясна погода. Втрата тепла поверхнею значно зменшується завдяки поглинальною здатності атмосфери. При відсутності атмосфери між приходом сонячного тепла і випромінюванням поверхні землі встановилося б інше рівновагу, чим воно існує в даний час.

Вивчення особливостей радіаційного балансу в різних частинах земної кулі є однією з найважливіших завдань метеорології. Ще в кінці минулого століття (1884) видатний географ і кліматолог А. В. Воєйков писав про необхідність ведення «прибутково-видаткової книги сонячного тепла, одержуваного земною кулею з його повітряної і водяною оболонкою. Нам потрібно знати: скільки виходить сонячного тепла у верхніх меж атмосфери; скільки його йде на нагрівання атмосфери, на зміну стану примешанного до неї водяної пари; потім — яку кількість досягає поверхні суші і вод, яке йде на нагрівання різних тіл, яке на зміну їх стану (з твердого в рідкий і з рідкого в газоподібний); на хімічні реакції, особливо пов’язані з органічним життям; потім потрібно знати, скільки тепла Земля втрачає через випромінювання в небесний простір і як йде ця втрата».

З тих пір вивчено багато. Винайдені спеціальні прилади для вимірювання радіаційного балансу, звані балансомерами, складено карти радіаційного балансу земної поверхні та ін.

Повертаючись до питання про кількість припливу сонячної енергії до Землі, розглянемо розраховані суми сонячної радіації для літнього і зимового сонцестояння при відсутності

 

атмосфери. Такі дані наведені в таблиці 2. З цієї таблиці випливає, що при відсутності атмосфери в дні літнього сонцестояння Арктика отримувала би найбільшу кількість сонячного тепла — 1110 кал/см2сут, тобто більше, ніж екваторіальна зона, де добова сума тепла становила б лише 814 кал/см2.

Розрахунки показують, що при так званої ідеальної атмосфері (абсолютно сухий і чистої) поверхню землі у високих і навіть середніх широтах влітку отримувала б більше тепла, ніж в екваторіальній зоні. Згідно з розрахунками в останніх числах червня при відсутності хмар і при середній прозорості атмосфери на Північний полюс надходило б близько 670 кал/см2сут, на широту 550-630 кал/см2сут, а в екваторіальну зону лише близько 500 кал/см2сут.

В екваторіальній зоні кількість сонячного тепла не відчуває великих сезонних змін (табл. 2). Добові суми його коливаються в межах 814-869 кал/см2. У той же час в середніх широтах від літа до зими, воно зменшується в кілька разів, а на Північному полюсі надходження тепла в період вересень-березень зовсім припиняється.

Такий розподіл сонячної радіації пояснюється тим, що в Полярному басейні влітку сонце круглі добу не заходить за горизонт, а взимку не з’являється над горизонтом, в той час як в екваторіальній зоні тривалість світлого часу доби протягом року не зазнає помітних коливань і дорівнює приблизно 12 годинам. Тому протягом року низькі широти отримують більше тепла, ніж середні та високі широти.

Щоб з’ясувати, в якій мірі кількість енергії, що надходить на перпендикулярну сонячним променям поверхню, залежить від кута їх падіння, звернемося до таблиці 3. У цій таблиці наведено теоретично обчислені дані про кількість сонячної радіації, що припадає на перпендикулярну абсолютно чорну поверхню, залежно від висоти сонця над горизонтом при повній відсутності атмосфери (сонячна постійна) і при проходженні сонячних променів крізь ідеальну атмосферу, а також дані, отримані безпосередньо із спостережень при наявності реальної атмосфери при середній прозорості її.

Як видно з таблиці 3, у порівнянні з сонячної постійної інтенсивність радіації навіть за умови ідеальної атмосфери помітно менше і, звичайно, вона ще менше при наявності реальної атмосфери. При висоті сонця, що дорівнює 20°, інтенсивність сонячної радіації в порівнянні з сонячною постійною в реальній атмосфері зменшується майже вдвічі, а при висоті сонця 60° — на 30%. Різке зменшення інтенсивності сонячної радіації в реальній атмосфері відбувається головним чином з-за вмісту в ній водяної пари та пилу, що володіють великою поглинальною здатністю.

Так йде справа з приходом сонячного тепла на перпендикулярну променів поверхню.

В таблиці 4 наведено приклади надходження сонячної радіації за добу в різних точках Землі у середині літа і величини річних сум її в тих же точках (по Н. П. Русину). З таблиці випливає, наприклад, що на станції «Схід», що знаходиться близько до центру Південного материка, де небо безхмарне і прозоре, влітку за добу надходить тепла в 2-2,5 рази більше, ніж у помірних і низьких широтах Землі. Насправді ж річна сума сонячної енергії на одиницю горизонтальної поверхні в низьких і середніх широтах становить більшу величину, ніж у високих широтах. Це пояснюється кутом падіння сонячних променів.

ПОДІЛИТИСЯ:

Дивіться також:
Морська фауна