Солнечные излучения и его виды. Полякова Л.С., Кашарин Д.В

Солнце – источник тепла и света, дарящий силы и здоровье. Однако не всегда его воздействие является положительным. Нехватка энергии или ее переизбыток могут расстроить естественные процессы жизнедеятельности и спровоцировать различные проблемы. Многие уверены, что загорелая кожа выглядит намного красивее, чем бледная, однако если долгое время провести под прямыми лучами, можно получить сильный ожог. Солнечная радиация – это поток поступающей энергии, распространяющийся в виде электромагнитных волн, проходящих через атмосферу . Измеряется мощностью переносимой ею энергии на единицу площади поверхности (ватт/м 2). Зная, как влияет солнце на человека, можно предотвратить его отрицательное воздействие.

Что представляет собой солнечная радиация

О Солнце и его энергии написано множество книг. Солнце является главным источником энергии всех физико-географических явлений на Земле . Одна двухмиллиардная доля света проникает в верхние слои атмосферы планеты, большая же часть оседает в мировом пространстве.

Лучи света – первоисточники других видов энергии. Попадая на поверхность земли и в воду, они формируются в тепло, воздействуют на климатические особенности и погоду.

Степень воздействия световых лучей на человека зависит от уровня радиации, а также периода, проведенного под солнцем. Многие типы волн люди применяют себе на пользу, пользуясь рентгеновским облучением, инфракрасными лучами, а также ультрафиолетом. Однако солнечные волны в чистом виде в большом количестве могут негативно отразиться на здоровье человека.

Количество радиации зависит от:

• положения Солнца. Наибольшее количество облучения приходится на равнины и пустыни, где солнцестояние довольно высокое, а погода безоблачная . Полярные области получают минимальное количество света, так как облачность поглощает значительную часть светового потока;
• длительности дня. Чем ближе к экватору, тем продолжительнее день. Именно там люди получают больше тепла;
• свойств атмосферы: облачности и влажности. На экваторе повышенная облачность и влажность, что является препятствием для прохождения света. Именно поэтому количество светового потока там меньше, чем в тропических зонах.

Распределение

Распределение солнечного света по земной поверхности неравномерное и имеет зависимость от:

• плотности и влажности атмосферы. Чем они больше, тем уменьшается облучение;
• географической широты местности. Количество получаемого света повышается от полюсов к экватору ;
• движения Земли. Объем излучения меняется в зависимости от времени года;
• характеристик земной поверхности. Большое количество светового потока отражается в светлых поверхностях, например, снеге. Наиболее слабо отражает световую энергию чернозем.

Из-за протяженности своей территории уровень излучения в России значительно варьируется. Солнечное облучение в северных регионах примерно такое — 810 кВт-час/м 2 за 365 дней, в южных – более 4100 кВт-час/м 2 .

Немаловажное значение имеет длительность часов, на протяжении которых светит солнце . Эти показатели разнообразны в различных регионах, на что влияет не только географическая широта, но и наличие гор. На карте солнечной радиации России хорошо заметно, что в некоторых регионах не целесообразно устанавливать линии электроснабжения, так как естественный свет вполне способен обеспечить потребности жителей в электричестве и тепле.

Виды

Световые потоки достигают Земли различными путями. Именно от этого зависят виды солнечной радиации:

• Исходящие от солнца лучи называются прямой радиацией . Их сила имеет зависимость от высоты расположения солнца над уровнем горизонта. Максимальный уровень наблюдается в 12 часов дня, минимальный – в утреннее и вечернее время. Кроме того, интенсивность воздействия имеет связь с временем года: наибольшая возникает летом, наименьшая – зимой. Характерно, что в горах уровень радиации больше, чем на равнинных поверхностях. Также грязный воздух снижает прямые световые потоки. Чем ниже солнце над уровнем горизонта, тем меньше ультрафиолета.
• Отраженная радиация – это излучение, которое отражается водой или поверхностью земли.
• Рассеянная солнечная радиация формируется при рассеивании светового потока. Именно от нее зависит голубая окраска неба при безоблачной погоде.

Поглощенная солнечная радиация имеет зависимость от отражательной способности земной поверхности – альбедо.

Спектральный состав излучения многообразен:

• цветные или видимые лучи дают освещенность и имеют большое значение в жизни растений;
• ультрафиолет должен проникать в тело человека умеренно, так как его переизбыток или нехватка могут нанести вред;
• инфракрасное облучение дает ощущение тепла и воздействует на рост растительности.

Суммарная солнечная радиация – это проникающие на землю прямые и рассеянные лучи . При отсутствии облачности, примерно около 12 часов дня, а также в летнее время года она достигает своего максимума.

Истории наших читателей

Владимир
61 год

Как происходит воздействие

Электромагнитные волны состоят из различных частей. Есть невидимые, инфракрасные и видимые, ультрафиолетовые лучи. Характерно, что радиационные потоки имеют разную структуру энергии и по-разному влияют на людей.

Световой поток может оказывать благотворное, целебное воздействие на состояние человеческого тела . Проходя через зрительные органы, свет регулирует метаболизм, режим сна, влияет на общее самочувствие человека. Кроме того, световая энергия способна вызывать ощущение тепла. При облучении кожи в организме происходят фотохимические реакции, способствующие правильному обмену веществ.

Высокой биологической способностью обладает ультрафиолет, имеющий длину волны от 290 до 315 нм. Эти волны синтезируют витамин D в организме, а также способны уничтожать вирус туберкулеза за несколько минут, стафилококк – в течение четверти часа, палочки брюшного тифа – за 1 час.

Характерно, что безоблачная погода снижает длительность возникающих эпидемий гриппа и других заболеваний, например, дифтерии, имеющих способность передаваться воздушно-капельным путем.

Естественные силы организма защищают человека от внезапных атмосферных колебаний: температуры воздуха, влажности, давления. Однако иногда подобная защита ослабевает, что под воздействием сильной влажности совместно с повышенной температурой приводит к тепловому удару.

Воздействие облучения имеет связь от степени его проникновения в организм. Чем длиннее волны, тем сильнее сила излучения . Инфракрасные волны способны проникать до 23 см под кожу, видимые потоки – до 1 см, ультрафиолет – до 0,5-1 мм.

Все виды лучей люди получают во время активности солнца, когда пребывают на открытых пространствах. Световые волны позволяют человеку адаптироваться в мире, именно поэтому для обеспечения комфортного самочувствия в помещениях необходимо создать условия оптимального уровня освещения.

Воздействие на человека

Влияние солнечного излучения на здоровье человека определяется различными факторами. Имеет значение место жительства человека, климат, а также количество времени, проведенного под прямыми лучами.

При нехватке солнца у жителей Крайнего Севера, а также у людей, чья деятельность связана с работой под землей, например у шахтеров, наблюдаются различные расстройства жизнедеятельности, снижается прочность костей, возникают нервные нарушения.

Дети, недополучающие света, страдают рахитом чаще, чем остальные . Кроме того, они более подвержены заболеваниям зубов, а также имеют более длительное протекание туберкулеза.

Однако слишком продолжительное воздействие световых волн без периодической смены дня и ночи может пагубно отразиться на состоянии здоровья. Например, жители Заполярья часто страдают раздражительностью, утомлением, бессонницей, депрессиями, снижением трудоспособности.

Радиация в Российской Федерации имеет меньшую активность, чем, к примеру, в Австралии.

Таким образом, люди, которые находятся под длительным излучением:

• подвержены высокой вероятности возникновения рака кожных покровов;
• имеют повышенную склонность к сухости кожи, что, в свою очередь, ускоряет процесс старения и появление пигментации и ранних морщин;
• могут страдать ухудшением зрительных способностей, катарактой, конъюнктивитом;
• обладают ослабленным иммунитетом.

Нехватка витамина D у человека является одной из причин злокачественных новообразований, нарушений обмена веществ , что приводит к излишней массе тела, эндокринным нарушениям, расстройству сна, физическому истощению, плохому настроению.

Человек, который систематически получает свет солнца и не злоупотребляет солнечными ванными, как правило, не испытывает проблем со здоровьем:

• имеет стабильную работу сердца и сосудов;
• не страдает нервными заболеваниями;
• обладает хорошим настроением;
• имеет нормальный обмен веществ;
• редко болеет.

Таким образом, только дозированное поступление излучения способно положительно отразиться на здоровье человека.

Как защититься

Переизбыток облучения может спровоцировать перегрев организма, ожоги, а также обострение некоторых хронических болезней . Любителям принимать солнечные ванны необходимо позаботиться о выполнении нехитрых правил:

• с осторожностью загорать на открытых пространствах;
• во время жаркой погоды скрываться в тени под рассеянными лучами. В особенности это касается маленьких детей и пожилых людей, страдающих туберкулезом и заболеваниями сердца.

Следует помнить, что загорать необходимо в безопасное время суток, а также не находиться длительное время под палящим солнцем. Кроме того, стоит оберегать от теплового удара голову, нося головной убор, солнцезащитные очки, закрытую одежду, а также использовать различные средства от загара.

Солнечная радиация в медицине

Световые потоки активно применяют в медицине:

• при рентгене используется способность волн проходить через мягкие ткани и костную систему;
• введение изотопов позволяет зафиксировать их концентрацию во внутренних органах, обнаружить многие патологии и очаги воспаления;
• лучевая терапия способна разрушать рост и развитие злокачественных новообразований .

Свойства волн успешно используют во многих физиотерапевтических аппаратах:

• Приборы с инфракрасным излучением применяют для теплолечения внутренних воспалительных процессов, заболеваний костей, остеохондроза, ревматизма, благодаря способности волн восстанавливать клеточные структуры.
• Ультрафиолетовые лучи могут отрицательно сказываться на живых существах, угнетать рост растений, подавлять микроорганизмы и вирусы.

Гигиеническое значение солнечной радиации велико. Аппараты с ультрафиолетовым излучением используют в терапии:

• различных травм кожных покровов: ран, ожогов;
• инфекций;
• болезней ротовой полости;
• онкологических новообразований.

Кроме того, радиация имеет положительное влияние на организм человека в целом: способна придать сил, укрепить иммунную систему, восполнить нехватку витаминов .

Солнечный свет является важным источником полноценной жизни человека. Достаточное его поступление приводит к благоприятному существованию всех живых существ на планете. Человек не может снизить степень радиации, однако в силах оградить себя от его отрицательного воздействия.

Энергия, излучаемая Солнцем, носит название солнечной радиации. Поступая на Землю, солнечная радиация в большей своей части превращается в тепло.

Солнечная радиация является практически единственным источником энергии для Земли и атмосферы. По сравнению с солнечной энергией значение других источников энергии для Земли ничтожно мало. Например, температура Земли в среднем с глубиной возрастает (примерно 1 о С на каждые 35 м). Благодаря этому поверхность Земли получает некоторое количество тепла из внутренних частей. Подсчитано, что в среднем 1см 2 земной поверхности получает из внутренних частей Земли около 220 Дж в год. Это количество в 5000 раз меньше тепла, получаемого от Солнца. Некоторое количество тепла Земля получает от звезд и планет, но и она во много раз (приблизительно в 30 млн.) меньше тепла, поступающего от Солнца.

Количество энергии, посылаемой Солнцем на Землю, огромно. Так, мощность потока солнечной радиации, поступающей на площадь в 10 км 2, составляет в летний безоблачный (с учетом ослабления атмосферы) 7-9 кВт. Это больше, чем мощность Красноярской ГЭС. Количество лучистой энергии, поступающей от Солнца за 1 секунду на площадь 15Ч15 км (это меньше площади Ленинграда) в околополуденные часы летом, превышает мощность всех электростанций распавшегося СССР (166 млн кВт) .

Рисунок 1 - Солнце - источник радиации

Виды солнечной радиации

В атмосфере солнечная радиация на пути к поверхности земли частично поглощается, а частично рассеивается и отражается от облаков и земной поверхности. В атмосфере наблюдается три вида солнечной радиации: прямая, рассеянная и суммарная.

Прямая солнечная радиация - радиация, приходящая к земной поверхности непосредственно от диска Солнца. Солнечная радиация распространяется от Солнца по всем направлениям. Но расстояние от Земли до Солнца так велико, что прямая радиация падает на любую поверхность на Земле в виде пучка параллельных лучей, исходящего как бы из бесконечности. Даже весь земной шар в целом так мал в сравнении с расстоянием до Солнца, что всю солнечную радиацию, падающую на него, без заметной погрешности можно считать пучком параллельных лучей.

На верхнюю границу атмосферы приходит только прямая радиация. Около 30 % падающей на Землю радиации отражается в космическое пространство. Кислород, азот, озон, диоксид углерода, водяные пары (облака) и аэрозольные частицы поглощают 23 % прямой солнечной радиации в атмосфере. Озон поглощает ультрафиолетовую и видимую радиацию. Несмотря на то, что его содержание в воздухе очень мало, он поглощает всю ультрафиолетовую часть радиации (это примерно 3 %). Таким образом, у земной поверхности ее вообще не наблюдается, что очень важно для жизни на Земле.

Прямая солнечная радиация на пути сквозь атмосферу также рассеивается. Частица (капля, кристалл или молекула) воздуха, находящаяся на пути электромагнитной волны, непрерывно «извлекает» энергию из падающей волны и переизлучает ее по всем направлениям, становясь излучателем энергии.

Около 25 % энергии общего потока солнечной радиации проходя через атмосферу, рассеивается молекулами атмосферных газов и аэрозолем и превращается в атмосфере в рассеянную солнечную радиацию. Таким образом рассеянная солнечная радиация - солнечная радиация, претерпевшая рассеяние в атмосфере. Рассеянная радиация приходит к земной поверхности не от солнечного диска, а от всего небесного свода. Рассеянная радиация отлична от прямой по спектральному составу, так как лучи различных длин волн рассеиваются в разной степени.

Так как первоисточником рассеянной радиации является прямая солнечная радиация, поток рассеянной зависит от тех же факторов, которые влияют на поток прямой радиации. В частности, поток рассеянной радиации возрастает по мере увеличение высоты Солнца и наоборот. Он возрастает также с увеличением в атмосфере количества рассеивающих частиц, т.е. со снижением прозрачности атмосферы, и уменьшается с высотой над уровнем моря в связи с уменьшение количества рассеивающих частиц в вышележащих слоях атмосферы. Очень большое влияние на рассеянную радиацию оказывают облачность и снежный покров, которые за счет рассеяния и отражения падающей на них прямой и рассеянной радиации и повторного рассеяния их в атмосфере могут в несколько раз увеличить рассеянную солнечную радиацию.

Рассеянная радиация существенно дополняет прямую солнечную радиацию и значительно увеличивает поступление солнечной энергии на земную поверхность. Особенно велика ее роль в зимнее время в высоких широтах и в других районах с повышенной облачностью, где доля рассеянной радиации может превышать долю прямой. Например, в годовой сумме солнечной энергии на долю рассеянной радиации приходится в Архангельске - 56 %, в Санкт-Петербурге - 51 %.

Суммарная солнечная радиация - это сумма потоков прямой и рассеянной радиаций, поступающих на горизонтальную поверхность. До восхода и после захода Солнца, а также днем при сплошной облачности суммарная радиация полностью, а при малых высотах Солнца преимущественно состоит из рассеянной радиации. При безоблачном или малооблачном небе с увеличением высоты Солнца доля прямой радиации в составе суммарной быстро возрастает и в дневные часы поток ее многократно превышает поток рассеянной радиации. Облачность в среднем ослабляет суммарную радиацию (на 20-30 %), однако при частичной облачности, не закрывающей солнечного диска, поток ее может быть больше, чем при безоблачном небе. Существенно увеличивает поток суммарной радиации снежный покров за счет увеличения потока рассеянной радиации.

Суммарная радиация, падая на земную поверхность, большей частью поглощается верхним слоем почвы или более толстым слоем воды (поглощенная радиация) и переходит в тепло, а частично отражается (отраженная радиация) .

ЛЕКЦИЯ 2.

СОЛНЕЧНАЯ РАДИАЦИЯ.

План:

1.Значение солнечной радиации для жизни на Земле.

2. Виды солнечной радиации.

3. Спектральный состав солнечной радиации.

4. Поглощение и рассеивание радиации.

5.ФАР (фотосинтетически активная радиация).

6. Радиационный баланс.

1. Основным источником энергии на Земле для всего живого (растений, животных и человека) является энергия солнца.

Солнце представляет собой газовый шар радиусом 695300км. Радиус Солнца в 109 раз больше радиуса Земли (экваториальный 6378,2км, полярный 6356,8км). Солнце состоит в основном из водорода (64%) и гелия (32%). На долю остальных приходится всего 4% его массы.

Солнечная энергия является основным условием существова­ния биосферы и одним из главных климатообразующих факто­ров. За счет энергии Солнца воздушные массы в атмосфере не­прерывно перемещаются, что обеспечивает постоянство газово­го состава атмосферы. Под действием солнечной радиации ис­паряется огромное количество воды с поверхности водоемов , почвы, растений. Водяной пар, переносимый ветром с океанов и морей на материки, является основным источником осадков для суши.

Солнечная энергия - непременное условие существования зеленых растений, превращающих в процессе фотосинтеза сол­нечную энергию в высокоэнергетические органические веще­ства.

Рост и развитие растений представляют собой процесс усвоения и переработки солнечной энергии, поэтому сельскохозяйственное производство возможно только при условии поступления солнечной энергии на поверхность Земли. Русский ученый писал: « Дайте самому лучшему повару сколько угодно свежего воздуха, солнечного света, целую речку чистой воды, попросите, чтобы из всего этого он приготовил вам сахар, крахмал, жиры и зерно, и он решит, что вы над ним смеетесь. Но то, что кажется совершенно фантастическим человеку, беспрепятственно совершается в зеленых листьях растений под действием энергии Солнца». Подсчитано, что 1 кв. метр листьев за час продуцирует грамм сахара. В связи с тем, что Земля окружена сплошной оболочкой атмосферы, солнечные лучи, прежде чем достичь поверхности земли, проходят всю толщу атмосферы, которая частично отражает их, частично рассеивает, т. е. изменяет количество и качество солнечного света, поступающего на поверхность земли. Живые организмы чутко реагируют на изменение интенсивности освещенности, создаваемой сол­нечным излучением. Вследствие различной реакции на интен­сивность освещенности все формы растительности делят на све­толюбивые и теневыносливые. Недостаточная освещенность в посевах обусловливает, например, слабую дифференциацию тканей соломины зерновых культур. В результате уменьшаются крепость и эластичность тканей, что часто приводит к полега­нию посевов. В загущенных посевах кукурузы из-за слабой осве­щенности солнечной радиацией ослабляется образование почат­ков на растениях.

Солнечная радиация влияет на химический состав сельскохо­зяйственной продукции. Например, сахаристость свеклы и пло­дов, содержание белка в зерне пшеницы непосредственно зави­сят от числа солнечных дней. Количество масла в семенах под­солнечника, льна также возрастает с увеличением прихода сол­нечной радиации.

Освещенность надземной части растений существенно влия­ет на поглощение корнями питательных веществ. При слабой освещенности замедляется перевод ассимилятов в корни, и в результате тормозятся биосинтетические процессы, происходящие в клетках растений.

Освещенность влияет и на появление, распространение и развитие болезней растений. Период заражения состоит из двух фаз, различающихся между собой по реакции на световой фак­тор. Первая из них - собственно прорастание спор и проникно­вение заразного начала в ткани поражаемой культуры - в боль­шинстве случаев не зависит от наличия и интенсивности света. Вторая - после прорастания спор - наиболее активно проходит при повышенной освещенности.

Положительное действие света сказывается также на скорос­ти развития патогена в растении-хозяине. Особенно четко это проявляется у ржавчинных грибов. Чем больше света, тем коро­че инкубационный период у линейной ржавчины пшеницы, желтой ржавчины ячменя, ржавчины льна и фасоли и т. д. А это увеличивает число генераций гриба и повышает интенсивность поражения. В условиях интенсивного освещения у этого патоге­на возрастает плодовитость

Некоторые заболевания наиболее активно развиваются при недостаточном освещении, вызывающем ослабление растений и снижение их устойчивости к болезням (возбудителям разного рода гнилей, особенно овощных культур).

Продолжительность осве­щения и растения. Ритм сол­нечной радиации (чередова­ние светлой и темной части суток) является наиболее устойчивым и повторяющимся из года в год фактором внешней среды. В результате многолетних исследований физиологами ус­тановлена зависимость перехода растений к генеративному раз­витию от определенного соотношения длины дня и ночи. В свя­зи с этим культуры по фотопериодической реакции можно клас­сифицировать по группам: короткого дня, развитие которых задерживается при продол­жительности дня больше 10ч. Короткий день способствует закладке цветков, а длинный день препятствует этому. К таким культурам относятся соя, рис, просо, сорго, кукуруза и др.;

длинного дня до 12-13час., требующие для своего развития продолжитель­ного освещения. Их развитие ускоряется, когда продолжитель­ность дня составляет около 20 ч. К этим культурам относятся рожь, овес, пшеница, лен, горох, шпинат, клевер и др.;

нейтральные по отношению к длине дня , развитие которых не зависит от продолжительности дня, например томат, гречиха, бобовые, ревень.

Установлено, что для начала цветения растений необходимо преобладание в лучистом потоке определенного спектрального состава. Растения короткого дня быстрее развиваются, когда максимум излучения приходится на сине-фиолетовые лучи, а растения длинного дня - на красные. Продолжительность светлой части суток (астрономическая длина дня) зависит от времени года и географической широты. На экваторе продолжительность дня в течение всего года равна 12 ч ± 30 мин. При продвижении от экватора к полюсам после весеннего равноденствия (21.03) длина дня увеличивается к се­веру и уменьшается к югу. После осеннего равноденствия (23.09) распределение продолжительности дня обратное. В Северном полушарии на 22.06 приходится самый длинный день, продолжительность которого севернее Полярного круга 24 ч. Самый короткий день в Северном полушарии 22.12, а за Полярным кру­гом в зимние месяцы Солнце вообще не поднимается над гори­зонтом. В средних же широтах, например в Москве, продолжи­тельность дня в течение года меняется от 7 до 17,5 ч.

2. Виды солнечной радиации.

Солнечная радиация состоит из трех составляющих: прямой солнечной радиации, рассеянной и суммарной.

ПРЯМАЯ СОЛНЕЧНАЯ РАДИАЦИЯ S – радиация, поступающая от Солнца в атмосферу и затем на земную поверхность в виде пучка параллельных лучей. Ее интенсивность измеряется в калориях на см2 в минуту. Она зависит от высоты солнца и состояния атмосферы (облачность, пыль, водяной пар). Годовая сумма прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность территории Ставропольского края составляет 65-76 ккал/ см2/мин. На уровне моря при высоком положении Солнца (лето, полдень) и хорошей прозрачности прямая солнечная радиация составляет 1,5 ккал/ см2/мин. Это коротковолновая часть спектра. При прохождении потока прямой солнечной радиации через атмосферу происходит его ослабление, вызванное поглощением (около 15 %) и рассеянием (около 25 %) энергии газами, аэрозо­лями, облаками.

Поток прямой солнечной радиации, падающий на горизонтальную поверхность называют инсоляцией S = S sin ho – вертикальная составляющая прямой солнечной радиации.

S – количество тепла, получаемого перпендикулярной к лучу поверхностью,

ho – высота Солнца, т. е. угол, образованный солнечным лучом с горизонтальной поверхностью.

На границе атмосферы интенсивность солнечной радиации составляет So = 1,98 ккал/ см2/мин. – по международному соглашению 1958г. И называется солнечной постоянной. Такой бы она была у поверхности, если бы атмосфера была абсолютно прозрачной.

Рис. 2.1. Путь солнечного луча в атмосфере при разной высоте Солнца

РАССЕЯНАЯ РАДИАЦИЯ D – часть солнечной радиации в результате рассеяния атмосферой уходит обратно в космос, но значительная ее часть поступает на Землю в виде рассеянной радиации. Максимум рассеянной радиации + 1 ккал/ см2/мин. Отмечается при чистом небе, если на нем высокие облака. При пасмурном небе спектр рассеянной радиации сходен с солнечным. Это коротковолновая часть спектра. Длина волны 0,17-4мк.

СУММАРНАЯ РАДИАЦИЯ Q - состоит из рассеянной и прямой радиации на горизонтальную поверхность. Q = S + D .

Соотношение между прямой и рассеянной радиацией в со­ставе суммарной радиации зависит от высоты Солнца, облачно­сти и загрязненности атмосферы, высоты поверхности над уров­нем моря. С увеличением высоты Солнца доля рассеянной ра­диации при безоблачном небе уменьшается. Чем прозрачнее ат­мосфера и чем выше Солнце, тем меньше доля рассеянной радиации. При сплошной плотной облачности суммарная ради­ация полностью состоит из рассеянной радиации. Зимой вслед­ствие отражения радиации от снежного покрова и ее вторичного рассеяния в атмосфере доля рассеянной радиации в составе сум­марной заметно увеличивается.

Свет и тепло, получаемые растениями от Солнца, - результат действия суммарной солнечной радиации. Поэтому большое значение для сельского хозяйства имеют данные о суммах ради­ации, получаемых поверхностью за сутки, месяц, вегетационный период, год.

Отраженная солнечная радиация. Альбедо . Суммарная радиа­ция, дошедшая до земной поверхности, частично отражаясь от нее, создает отраженную солнечную радиацию (RK), направленную от земной поверхности в атмосферу. Значение отраженной ра­диации в значительной степени зависит от свойств и состояния отражающей поверхности: цвета, шероховатости, влажности и др. Отражательную способность любой поверхности можно ха­рактеризовать величиной ее альбедо (Ак), под которым понимают отношение отраженной солнечной радиации к суммарной. Аль­бедо обычно выражают в процентах:

Наблюдения показывают, что альбедо различных поверхнос­тей изменяется в сравнительно узких пределах (10...30 %), ис­ключение составляют снег и вода.

Альбедо зависит от влажности почвы, с возрастанием которой оно уменьшается, что имеет важное значение в процессе измене­ния теплового режима орошаемых полей. Вследствие уменьше­ния альбедо при увлажнении почвы увеличивается поглощаемая радиация. Альбедо различных поверхностей имеет хорошо выра­женный дневной и годовой ход, обусловленный зависимостью альбедо от высоты Солнца. Наименьшее значение альбедо на­блюдают в околополуденные часы, а в течение года - летом.

Собственное излучение Земли и встречное излучение атмосфе­ры. Эффективное излучение. Земная поверхность как физическое тело, имеющее температуру выше абсолютного нуля (-273 °С), является источником излучения, которое называют собственным излучением Земли (Е3). Оно направлено в атмосферу и почти пол­ностью поглощается водяным паром, капельками воды и угле­кислым газом, содержащимися в воздухе. Излучение Земли за­висит от температуры ее поверхности.

Атмосфера, поглощая небольшое количество солнечной ра­диации и практически всю энергию, излучаемую земной поверх­ностью, нагревается и, в свою очередь, также излучает энергию. Около 30 % атмосферной радиации уходит в космическое про­странство, а около 70 % приходит к поверхности Земли и назы­вается встречным излучением атмосферы (Еа).

Количество энергии, излучаемое атмосферой, прямо пропор­ционально ее температуре, содержанию углекислого газа, озона и облачности.

Поверхность Земли поглощает это встречное излучение по­чти целиком (на 90...99 %). Таким образом, оно является для земной поверхности важным источником тепла в дополнение к поглощаемой солнечной радиации. Это влияние атмосферы на тепловой режим Земли называют парниковым или оранжерейным эффектом вследствие внешней аналогии с действием стекол в парниках и оранжереях. Стекло хорошо пропускает солнечные лучи, нагревающие почву и растения, но задерживает тепловое излучение нагревшейся почвы и растений.

Разность между собственным излучением поверхности Земли и встречным излучением атмосферы называют эффективным из­лучением: Еэф.

Еэф= Е3-Еа

В ясные и малооблачные ночи эффективное излучение гораз­до больше, чем в пасмурные, поэтому больше и ночное охлажде­ние земной поверхности. Днем оно перекрывается поглощенной суммарной радиацией, вследствие чего температура поверхности повышается. При этом растет и эффективное излучение. Земная поверхность в средних широтах теряет за счет эффективного из­лучения 70...140 Вт/м2, что составляет примерно половину того количества тепла, которое она получает от поглощения солнеч­ной радиации.

3. Спектральный состав радиации.

Солнце, как источник излучения, обладает многообразием испускаемых волн. Потоки лучистой энергии по длине волн условно делят на ко­ротковолновую (X < 4 мкм) и длинноволновую (А. > 4 мкм) радиа­цию. Спектр солнечной радиации на границе земной атмосферы практически заключается между длинами волн 0,17 и 4 мкм, а земного и атмосферного излучения - от 4 до 120 мкм. Следова­тельно, потоки солнечного излучения (S, D, RK) относятся к ко­ротковолновой радиации, а излучение Земли (£3) и атмосферы (Еа) - к длинноволновой.

Спектр солнечной радиации можно разделить на три каче­ственно различные части: ультрафиолетовую (Y < 0,40 мкм), ви­димую (0,40 мкм < Y < 0,75 мкм) и инфракрасную (0,76 мкм < Y < 4 мкм). До ультрафиолетовой части спектра сол­нечной радиации лежит рентгеновское излучение, а за инфра­красной - радиоизлучение Солнца. На верхней границе атмос­феры на ультрафиолетовую часть спектра приходится около 7 % энергии солнечного излучения, 46 - на видимую и 47 % - на инфракрасную.

Радиацию, излучаемую Землей и атмосферой, называют даль­ней инфракрасной радиацией.

Биологическое действие разных видов радиации на растения различно. Ультрафиолетовая радиация замедляет ростовые про­цессы, но ускоряет прохождение этапов формирования репро­дуктивных органов у растений.

Значение инфракрасной радиации , которая активно поглощается водой листьев и стеблей растений, состоит в ее теп­ловом эффекте, что существенно влияет на рост и развитие рас­тений.

Дальняя инфракрасная радиация производит лишь тепловое действие на растения. Ее влияние на рост и развитие растений несущественно.

Видимая часть солнечного спектра , во-первых, создает осве­щенность. Во-вторых, с областью видимой радиации почти со­впадает (захватывая частично область ультрафиолетовой радиа­ции) так называемая физиологическая радиация (А, = = 0,35...0,75 мкм), которая поглощается пигментами листа. Ее энергия имеет важное регуляторно-энергетическое значение в жизни растений. В пределах этого участка спектра выделяется область фотосинтетически активной радиации.

4. Поглощение и рассеивание радиации в атмосфере.

Проходя через земную атмосферу, солнечная радиация ослабляется вследствие поглощения и рассеяния атмосферными газами и аэрозолями . При этом изменяется и ее спектральный состав. При различной высоте солнца и различной высоте пункта наблюдений над земной поверхностью длина пути, проходимого солнечным лучом в атмосфере, неодинакова. При уменьшении высоты особенно сильно уменьшается ультрафиолетовая часть радиации, несколько меньше – видимая и лишь незначительно – инфракрасная.

Рассеяние радиации в атмосфере происходит главным образом в результате непрерывных колебаний (флуктаций) плотности воздуха в каждой точке атмосферы, вызванных образованием и разрушением некоторых «скоплений» (сгустков) молекул атмосферного газа. Солнечную радиацию рассеивают также частицы аэрозоля. Интенсивность рассеяния характеризуется коэффициентом рассеяния.

К= добавить формулу.

Интенсивность рассеяния зависит от количеств рассеивающих частиц в единице объема, от их размера и природы, а также от длин волн самой рассеиваемой радиации.

Лучи рассеиваются тем сильнее, чем меньше длина волны. Например фиолетовые лучи рассеиваются в 14 раз сильнее красных, этим объясняется голубой цвет неба. Как отмечалось выше (см. разд. 2.2), прямая солнечная ради­ация, проходя через атмосферу, частично рассеивается. В чис­том и сухом воздухе интенсивность коэффициента молекуляр­ного рассеяния подчиняется закону Релея:

к= с/ Y 4 ,

где С - коэффициент, зависящий от числа молекул газа в единице объема; X - длина рассеиваемой волны.

Поскольку длина дальних волн красного света почти вдвое больше длины волн фиолетового света, первые рассеиваются молекулами воздуха в 14 раз меньше, чем вторые. Так как перво­начальная энергия (до рассеяния) фиолетовых лучей меньше, чем синих и голубых, то максимум энергии в рассеянном свете (рассеянной солнечной радиации) смещается на сине-голубые лучи, что и обусловливает голубой цвет неба. Таким образом, рассеянная радиация более богата фотосинтетически активными лучами, чем прямая.

В воздухе, содержащем примеси (мелкие капельки воды, кри­сталлики льда, пылинки и т. д.), рассеяние одинаково для всех участков видимой радиации. Поэтому небо приобретает белесо­ватый оттенок (появляется дымка). Облачные же элементы (крупные капельки и кристаллики) вообще не рассеивают сол­нечные лучи, а диффузно их отражают. В результате облака, ос­вещенные Солнцем, имеют белый цвет.

5. ФАР (фотосинтетическиактивная радиация)

Фотосинтетически активная радиация. В процессе фотосинте­за используется не весь спектр солнечной радиации, а только его

часть, находящаяся в интервале длин волн 0,38...0,71 мкм, - фо­тосинтетически активная радиация (ФАР).

Известно, что видимая радиация, воспринимаемая глазом че­ловека как белый цвет, состоит из цветных лучей: красных, оранжевых, желтых, зеленых, голубых, синих и фиолетовых.

Усвоение энергии солнечной радиации листьями растений селективно (избирательно). Наиболее интенсивно листья погло­щают сине-фиолетовые (X = 0,48...0,40 мкм) и оранжево-крас­ные (X = 0,68 мкм) лучи, менее - желто-зеленые (А. = 0,58...0,50 мкм) и дальние красные (А. > 0,69 мкм) лучи.

У земной поверхности максимум энергии в спектре прямой солнечной радиации, когда Солнце находится высоко, прихо­дится на область желто-зеленых лучей (диск Солнца желтый). Когда же Солнце располагается у горизонта, максимальную энергию имеют дальние красные лучи (солнечный диск крас­ный). Поэтому энергия прямого солнечного света мало участву­ет в процессе фотосинтеза.

Так как ФАР является одним из важнейших факторов про­дуктивности сельскохозяйственных растений, информация о ко­личестве поступающей ФАР, учет ее распределения по террито­рии и во времени имеют большое практическое значение.

Интенсивность ФАР можно измерить, но для этого необходимы специальные светофильтры, пропускающие только волны в диапазоне 0,38...0,71 мкм. Такие приборы есть, но на сети актинометрических станций их не применяют, а измеряют интен­сивность интегрального спектра солнечной радиации. Значение ФАР можно рассчитать по данным о приходе прямой, рассеян­ной или суммарной радиации с помощью коэффициентов, пред­ложенных, X. Г. Тоомингом и:

Qфар = 0,43 S " +0,57 D);

составлены карты распределения месячных и годовых сумм Фар на территории России.

Для характеристики степени использования посевами ФАР применяют коэффициент полезного использования ФАР:

КПИфар= (сумма Q / фар/сумма Q / фар) 100%,

где сумма Q / фар - сумма ФАР, затрачиваемая на фотосинтез за период вегетации расте­ний; сумма Q / фар - сумма ФАР, поступающая на посевы за этот период;

Посевы по их средним значениям КПИФАр разделяют на группы (по): обычно наблюдаемые - 0,5...1,5 %; хорошие-1,5...3,0; рекордные - 3,5...5,0; теорети­чески возможные - 6,0...8,0 %.

6. РАДИАЦИОННЫЙ БАЛАНС ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Разность между приходящими и уходящими потоками лучис­той энергии называют радиационным балансом земной поверхнос­ти (В).

Приходная часть радиационного баланса земной поверхности днем состоит из прямой солнечной и рассеянной радиации, а также излучения атмосферы. Расходной частью баланса являют­ся излучение земной поверхности и отраженная солнечная ра­диация:

B = S / + D + Ea - Е3- Rk

Уравнение можно записать и в другом виде: B = Q - RK - Еэф.

Для ночного времени уравнение радиационного баланса име­ет следующий вид:

В = Еа - Е3, или В = -Еэф.

Если приход радиации больше, чем расход, то радиационный баланс положительный и деятельная поверхность* нагревается. При отрицательном балансе она охлаждается. Летом радиацион­ный баланс днем положительный, а ночью - отрицательный. Переход через ноль происходит утром примерно через 1 ч после восхода Солнца, а вечером за 1...2 ч до захода Солнца.

Годовой радиационный баланс в районах, где устанавливает­ся устойчивый снежный покров, в холодное время года имеет отрицательные значения, в теплое - положительные.

Радиационный баланс земной поверхности существенно вли­яет на распределение температуры в почве и приземном слое ат­мосферы, а также на процессы испарения и снеготаяния, обра­зование туманов и заморозков, изменение свойств воздушных масс (их трансформацию).

Знание радиационного режима сельскохозяйственных угодий позволяет рассчитывать количество радиации, поглощенной по­севами и почвой в зависимости от высоты Солнца, структуры посева, фазы развития растений. Данные о режиме необходимы и для оценки разных приемов регулирования температуры и влажности почвы, испарения, от которых зависят рост и разви­тие растений, формирование урожая, его количество и качество.

Эффективными агрономическими приемами воздействия на радиационный, а следовательно, и на тепловой режим деятель­ной поверхности является мульчирование (покрытие почвы тон­ким слоем торфяной крошки, перепревшим навозом, древесны­ми опилками и др.), укрытие почвы полиэтиленовой пленкой, орошение. Все это изменяет отражательную и поглощательную способность деятельной поверхности.

* Деятельная поверхность - поверхность почвы, воды или растительности, которая непосредственно поглощает солнечную и атмосферную радиацию и отда­ет излучение в атмосферу, чем регулирует термический режим прилегающих слоев воздуха и нижележащих слоев почвы, воды, растительности.

Если бы атмосфера пропускала к поверхности земли все солнечные лучи, то климат любого пункта Земли зависел бы только от географической широты. Так и полагали в древности. Однако при прохождении солнечных лучей через земную атмосферу происходит, как мы уже видели, их ослабление вследствие одновременных процессов поглощения и рассеивания. Особенно много поглощают и рассеивают капли воды и кристаллы льда, из которых состоят облака.

Та часть солнечной радиации, которая поступает на поверхность земли после рассеяния ее атмосферой и облаками, называется рассеянной радиацией. Та часть солнечной радиации, которая проходит через атмосферу не рассеиваясь, называется прямой радиацией.

Радиация рассеивается не только облаками, но и при ясном небе - молекулами, газов и частицами пыли. Соотношение между прямой и рассеянной радиацией изменяется в широких пределах. Если при ясном небе и вертикальном падении солнечных лучей доля рассеянной радиации составляет 0,1% прямой, то

при пасмурном небе рассеянная радиация может быть больше прямой.

В тех частях земли, где преобладает ясная погода, например в Средней Азии, основным источником нагревания земной поверхности является прямая солнечная радиация. Там же, где преобладает облачная погода, как, например, на севере и северо-западе Европейской территории СССР, существенное значение приобретает рассеянная солнечная радиация. Бухта Тихая, расположенная на севере, получает рассеянной радиации почти в полтора раза больше, чем прямой (табл. 5). В Ташкенте, наоборот, рассеянная радиация составляет менее 1 / 3 прямой радиации. Прямая солнечная радиация в Якутске больше, чем в Ленинграде. Объясняется это тем, что в Ленинграде больше пасмурных дней и меньше прозрачность воздуха.

Альбедо земной поверхности. Земная поверхность обладает способностью отражать падающие на нее лучи. Количество поглощенной и отраженной радиации зависит от свойств поверхности земли. Отношение количества отраженной от поверхности тела лучистой энергии к количеству падающей лучистой энергии называется альбедо. Альбедо характеризует отражательную способность поверхности тела. Когда, например, говорят, что альбедо свежевыпавшего снега равно 80-85%, это означает, что 80-85% всей падающей на снежную поверхность радиации отражается от нее.

Альбедо снега и льда зависит от их чистоты. В промышленных городах в связи с осаждением на снег различных примесей, преимущественно копоти, альбедо меньше. Наоборот, в арктических областях альбедо снега иногда достигает 94%. Так как альбедо снега по сравнению с альбедо других видов поверхности земли наиболее высокое, то при снежном покрове прогревание земной поверхности происходит слабо. Альбедо травяной растительности и песка значительно меньше. Альбедо травяной растительности равно 26%, а песка 30%. Это означает, что трава поглощает 74% солнечной энергии, а пески - 70%. Поглощенная радиация идет на испарение, рост растений и нагревание.

Наибольшей поглощательной способностью обладает вода. Моря и океаны поглощают около 95% поступающей на их поверхность солнечной энергии, т. е. альбедо воды равно 5% (рис. 9). Правда, альбедо воды находится в зависимости от угла падения солнечных лучей (В. В. Шулейкин). При отвесном падении лучей от поверхности чистой воды отражается лишь 2% радиации, а при низком стоянии солнца - почти вся.

Радиацию, поступающую на верхнюю границу атмосферы и затем на земную поверхность непосредственно от Солнца (от солнечного диска) в виде пучка параллельных лучей, называют прямой солнечной радиацией. Прямая солнечная радиация, поступающая на верхнюю границу атмосферы, изменяется во времени в небольших пределах, поэтому ееназывают солнечной постоянной (Sq). При среднем расстоянии от Земли до Солнца 149,5 * 106 км Sq составляет около 1400 Вт/м2.

При прохождении потока прямой солнечной радиации через атмосферу происходит его ослабление, вызванное поглощением (около 15 %) и рассеянием (около 25 %) энергии газами, аэрозолями, облаками.

Согласно закону ослабления Буге прямая солнечная радиация, поступающая на поверхность Земли при отвесном (перпендикулярном) падении лучей,

где р -- коэффициент прозрачности атмосферы; т - число оптических масс атмосферы.

Ослабление солнечного потока в атмосфере зависит от высоты Солнца над горизонтом Земли и прозрачности атмосферы. Чем меньше высота его над горизонтом, тем большее число оптических масс атмосферы проходит солнечный луч. За одну оптическую массу атмосферы принимают массу, которую проходят лучи при положении Солнца в зените (рис. 2.1). Когда Солнце находится у горизонта, луч проходит в атмосфере путь, почти в 35 раз больший, чем при падении лучей под углом 90° к поверхности Земли. Число оптических масс атмосферы (т) при различных высотах Солнца (Лф) приведено далее.

т 1,0 1,0 1,1 1,2 1,3 1,6 2,0 2,9 5,6 10,4 26,0 34,4 Л0 90 80 70 60 50 40 30 20 10 5 1 0

Чем больший путь в атмосфере проходят солнечные лучи, тем сильнее их поглощение и рассеяние и тем больше изменяется их интенсивность.

Коэффициент прозрачности зависит от содержания в атмосфере водяного пара и аэрозолей: чем их больше, тем меньше коэффициент прозрачности при одинаковом числе проходимых оптических масс. В среднем для всего потока радиации в идеально чистой атмосфере р на уровне моря составляет около 0,9, в действительных атмосферных условиях - 0,70...0,85, зимой он несколько больше, чем летом. Приход прямой радиации на земную поверхность зависит от угла падения солнечных лучей. Поток прямой солнечной радиации, падающей на горизонтальную поверхность, называют инсоляцией".

S" = Ssin А. Если земная поверхность не горизонтальна, как это большей частью и бывает в природе, то приход радиации на нее зависит уже не только от высоты Солнца, но и от наклона поверхности, и от ее ориентировки по отношению к странам света (от экспозиции).

На метеорологических станциях термометры устанавливают в особой будке, называемой психрометрической будкой, стенки которой жалюзийные. В такую будку не проникают лучи Солнца, но в то же время воздух имеет свободный доступ в нее.

Термометры устанавливают на штативе так, чтобы резервуары располагались на высоте 2 м от деятельной поверхности.

Срочную температуру воздуха измеряют ртутным психрометрическим термометром ТМ-4, который устанавливают вертикально. При температуре ниже --35 °С используют низкоградусный спиртовой термометр ТМ-9.

Экстремальные температуры измеряют по максимальному ТМ-1 и минимальному ТМ-2 термометрам, которые укладывают горизонтально.

Для непрерывной записи температуры воздуха служит термограф М-16А, который помещают в жалюзийной будке для самописцев. Колебания температуры воспринимаются изогнутой биметаллической пластинкой. В зависимости от скорости вращения барабана термографы бывают суточные и недельные.

В посевах и насаждениях температуру воздуха измеряют, не нарушая растительный покров. Для этого используют дистанционные электрические термометры сопротивления с малогабаритной приемной частью.

Внутренний вид психрометрической будки:

1 - гигрометр; 2 - сухой и смоченный термометры; 3 - максимальный и минимальный термометры

Термограф М-16А:

1 - барабан с лентой; 2-- стрелка с пером; 3 - биметаллическая пластинка