Потоки лучистой энергии в атмосфере

Общие сведения. Земля и атмосфера получают от Солнца огромное количество лучистой энергии, которая в основном поступает на Землю как тепловая и является практически единственным энергетическим источником всех процессов на ее поверхности и в атмосфере.

Солнце излучает энергию, равную в среднем 5,316 х 10²⁷ кал/мин. На внешнюю границу земной атмосферы из этого количества падает 2,4 х 10¹⁸ кал/мин или 0,45 • 10^-9 части энергии, излучаемой Солнцем в мировое пространство.

Солнечные лучи, проходя через атмосферу, испытывают в ней рассеяние и поглощение. В связи с этим на земной поверхности мы наблюдаем:
- прямое излучение Солнца;
- рассеянное излучение, идущее от всех точек небосвода;
- отраженное излучение от земной поверхности (альбедо).

Кроме этого, Земля, нагреваясь от Солнца, сама становится излучателем, ее лучи направлены в атмосферу. Атмосфера также является источником излучения, ее лучи направлены как к земной поверхности (противоизлучение), так и в мировое пространство.

Разность между собственным излучением земной поверхности и поглощенной ею частью встречного излучения называется эффективным излучением.

Общие законы поглощения и рассеяния энергии изложены, в гл. 5. Эти законы справедливы и для распространения лучистой энергии в атмосфере, но коэффициенты поглощения и рассеяния будут другими. Энергию, излучаемую телами, называют радиацией, а излучаемую Солнцем — солнечной радиацией. Для ее измерения употребляются единицы, приведенные в табл. 64.

Интенсивностью солнечной радиации (I) называется количество энергии, которое проходит в единицу времени через единицу площади, перпендикулярную к солнечным лучам.

Просуммировав интенсивность радиации по какой-либо площади при заданном направлении нормали, получим поток радиации (F). Очевидно, поток радиации также характеризует мощность радиации, но уже приходящуюся на определенную поверхность (не обязательно перпендикулярную к солнечным лучам). Поток энергии, приходящийся на единицу поверхности, называется плотностью потока радиации. В метеорологии плотность потока радиации определяется в калориях на квадратный сантиметр в минуту. Эта единица измерения связана с другими следующим соотношением: 1 кал/см² х мин = 0,6976 • 10⁶ эрг/см² * сек. = 0,0697 вт/см².

На границе атмосферы интенсивность солнечной радиации для всего земного шара одинакова и принята равной 1,88 кал/см² • мин по европейской шкале или 1,94 кал/см² • мин по американской. Эта величина носит название солнечной постоянной.

Спектр солнечной радиации. Солнце излучает электромагнитные волны очень широкого спектра — от гамма-излучения с длинами волн порядка 10-’° см и короче до сверхдлинных радиоволн порядка десятков -и сотен километров, В связи с этим разные диапазоны длин волн измеряются в различных единицах. Поскольку в данной главе нас интересует только оптический диапазон электромагнитных колебаний, приведем специфические для него единицы длин волн (табл, 65).

Оптический диапазон электромагнитных волн по их длинам классифицируется следующим образом:

Энергия солнечного спектра по длинам волн распределяется неравномерно. На диапазон от 0,17/4,0 мк приходится не менее 99% всей интенсивности радиации. Около 5% всей солнечной энергии вне земной атмосферы приходится на ультрафиолетовую часть спектра (λ < 0,4 мк), 52% — на видимую часть спектра (λ = 0,4/0,76 мк), а остальные 43% падают на инфракрасную часть (λ > 0,76 мк). Соответствующие цифры у земной поверхности будут 1, 40 и 59% при высоте Солнца 40°. Максимальное количество солнечной энергии на границе атмосферы приходится на зелено-голубой участок спектра.