3. Радиационный режим атмосферы

Основным источником энергии почти для всех природных про­цессов, происходящих на поверхности земли и в атмосфере, является лучистая энергия, поступающая на Землю от Солнца.

Кроме лучистой энергии, т. е. электромагнитных волн, от Солнца приходят к Земле также различные потоки заряжен­ных частиц, главным образом электронов и протонов, движу­щихся со скоростями в сотни и даже тысячи километров в се­кунду. Электромагнитные же волны распространяются со ско­ростью 300 000 км/с. Длина волн увеличивается от рентгеновских и гамма-лучей до радиоволн. Основная часть энергии, излучаемой Солнцем и поступающей на Землю, представляет собой ультра­фиолетовые, видимые и инфракрасные лучи, имеющие длины волн 0,1-30 мкм. Эта часть электромагнитного излучения Солнца и называется в метеорологии солнечной радиацией.

Строение Солнца. Солнце представляет собой газовый шар радиусом 695 300 км. Радиус Солнца в 109 раз больше радиуса Земли. Угловой размер солнечного диска, видимого с Земли, составляет 32'.

Расстояние между центрами Земли и Солнца равно в сред­нем 1,496- 10⁸ км.

Солнце состоит в основном из водорода (64%) и гелия (32%). На долю остальных элементов приходится всего 4% его массы. По строению Солнце делится на внутреннюю часть и на солнечную атмосферу. В недрах Солнца происходят слож­ные ядерные реакции, при которых выделяются огромные количества энергии.

Нижняя, наиболее плотная часть солнечной атмосферы, на­зывается фотосферой (сферой света). Толщина ее составляет 100-140 км. Фотосфера является основным источником энер­гии, излучаемой Солнцем.

Лучистая энергия Солнца является основным, и практически единственным источником тепла для поверхности Земли и для ее атмосферы. Радиация, поступающая от звезд и от Луны, ничтожно мала по сравнению с солнечной радиацией. Также ничтожно мал и поток тепла, направленный к земной поверхности и в атмосферу из глубин Земли. Часть солнечной радиации представляет собой видимый свет. Тем самым Солнце является для Земли источником не только тепла, но и света, важного для жизни на земной поверхности.

Лучистая энергия Солнца превращается в тепло отчасти в самой атмосфере, но главным образом – на земной поверхности. Она идет здесь на нагревание верхних слоев почвы и воды, а от них и воздуха. Нагретая земная поверхность и нагретая атмосфера, в свою очередь, сами излучают невидимую инфракрасную радиацию. Отдавая эту радиацию в мировое пространство, земная поверхность и атмосфера охлаждаются. Средние годовые температуры земной поверхности и атмосферы в любой точке Земли мало меняются от года к году. Таким образом, Земля находится и в лучистом равновесии: приток радиации к ней уравновешивается отдачей радиации в мировое пространство.

Важной характеристикой солнечной радиации является ее спектральный состав. В зависимости от длины волны излучения выделяют три спектральные составляющие: ультрафиолетовое излучение с интервалом длин волн от 0,1 до 0,4 мкм, видимое излучение – от 0,4 до 0,75 мкм и инфракрасное – с длинами волн более 0,75 мкм. В общем потоке солнечной радиации ультрафиолетовое излучение несет 7% энергии, видимое – 46% и инфракрасное – 47%.

Радиацию, приходящую к земной поверхности непосредственно от солнечного диска, называют прямой солнечной радиацией. Приток прямой солнечной радиации на земную поверхность или на любой вышележащий уровень в атмосфере характеризуется интенсивностью радиации I, т. е. количеством лучистой энергии, поступающим за единицу времени на единицу площади, перпендикулярной к солнечным лучам. Эту величину называют плотностью потока радиации. В метеорологии интенсивность прямой солнечной радиации принято выражать в калориях на квадратный сантиметр в минуту (кал/см²мин). Эта величина связана с единицей плотности потока в системе СИ соотношением: 1 кал/(см²мин)=698 Вт/м².

Интенсивность солнечной радиации перед попаданием ее в атмосферу называют солнечной постоянной. Эта величина (по данным новейших измерений) равна 2,00±0,04 кал/см² мин. Однако за стандартное ее значение по международному соглашению принята величина 1,98 кал/см²мин. В среднем на каждый квадратный километр земной поверхности приходится за год 2,610¹⁵ кал. За 1,5 суток Солнце дает Земле столько же энергии, сколько дают электростанции всех стран в течение года. При этом солнечная радиация, приходящая к Земле, - менее чем одна двухмиллиардная доля всего излучения Солнца.

Прямая радиация зависит от высоты Солнца над горизонтом. Днем интенсивность ее с момента восхода Солнца растет, и максимальная интенсивность прямой солнеч­ной радиации наблюдается в околополуденные часы. После полудня, с уменьшением высоты Солнца над горизонтом, ин­тенсивность ее уменьшается и доходит до нуля с заходом Солнца.

В годовом ходе полуденная интенсивность прямой солнеч­ной радиации на горизонтальную поверхность зависит от гео­графической широты места, поскольку она определяет полуденную высоту Солнца над горизонтом. Интенсивность растет с понижением широты.

На интенсивность прямой солнечной радиации в сильной степени влияет облачность. Легкие и прозрачные облака ра­диацию несколько задерживают, мощные же облака ее не пропускают.

Интенсивность прямой радиации возрастает с высотой ме­ста над уровнем моря вследствие убыли водяного пара и пыли.

Проходя сквозь атмосферу, солнечная радиация частично рассеивается атмосферными газами и аэрозольными примесями и переходит в особую форму рассеянной радиации. Рассеянием называется частичное преобразование радиации, имеющей определенное направление распространения (прямая солнечная радиация, распространяется в виде параллельных лучей), в радиацию, идущую по всем направлениям. Около 25% энергии общего потока солнечной радиации превращается в атмосфере в рассеянную радиацию. Голубой цвет неба - это цвет самого воздуха, обусловленный рассеянием в нем солнечных лучей. Кроме того, солнечная радиация поглощается молекулами атмосферных газов и примесями к воздуху и переходит в теплоту, идет на нагревание атмосферы. Особо следует подчеркнуть роль молекул озона ( ). В результате поглощения в верхних слоях атмосферы (в озоновом слое) в солнечном спектре у земной поверхности не наблюдаются волны короче 0,29 мкм.

Рассеяние, поглощение, преломление света вызывают возникновение ряда оптических явлений в атмосфере, которые тесно связаны с погодой и могут быть использованы для ее предсказания:

- заря – совокупность красочных световых явлений в атмосфере, сопровождающих заход и восход Солнца, явление обусловлено сложным сочетанием явлений поглощения, рассеяния, дифракции и преломления лучей света в различных слоях атмосферы (в более чистом воздухе зори бледные, а в запыленном - интенсивных красных тонов);

- сумерки – оптическое явление, наблюдаемое в атмосфере перед восходом и после заката солнца, состоящее в плавном переходе от ночного мрака к дневному свету и обратно. Сумерки вызываются тем, что солнечные лучи освещают высокие слои земной атмосферы, тогда как на уровне земной поверхности солнце еще не взошло или уже зашло. Продолжительность сумерек зависит от географической широты места и от склонения солнца;

- гало – оптическое явление в атмосфере в виде светлого или радужного кольца вокруг Солнца (или Луны), возникающее в результате отражения и преломления света в ледяных кристаллах высоких (перисто-слоистых) облаков или тумана, является признаком близкого прохождения теплого фронта;