Рассеяние солнечной радиации в атмосфере

Кроме поглощения, прямая солнечная радиация на пути сквозь атмосферу ослабляется еще путем рассеяния, причем значительно. При этом рассеяние радиации тем больше, чем больше содержит воздух аэрозольных примесей. Рассеянием называется частичное преобразование радиации, имеющей определенное направление распространения в радиацию, идущую по всем направлениям. Рассеяние происходит в оптически неод­нородной среде, т. е. в среде, где показатель преломления из­меняется от точки к точке. Такой оптически неоднородной средой является атмосферный воздух, содержащий мельчай­шие частицы жидких и твердых примесей - капли, кристаллы, ядра конденсации, пылинки. Но оптически неоднородной сре­дой является даже чистый, свободный от примесей воздух, так как в нем вследствие теплового движения молекул постоянно воз­никают сгущения и разрежения, колебания плотности. Таким образом, встречаясь с молекулами и примесями в атмосфере, солнечные лучи теряют прямолинейное направление распрост­ранения, рассеиваются. Радиация распространяется от рассеи­вающих частиц таким образом, как если бы они сами были источниками радиации.

Около 25% общего потока солнечной радиации превра­щается в атмосфере в рассеянную радиацию. Правда, значи­тельная доля рассеянной радиации (2/3) также приходит к земной поверхности. Но это будет уже особый вид радиации, существенно отличный от прямой радиации.

Во-первых, рассеянная радиация приходит к земной поверх­ности не от солнечного диска, а от всего небесного свода. По­этому необходимо измерять ее поток на горизонтальную по­верхность. Он также измеряется в кВт/м². Во-вторых, рассеянная радиация отличается от прямой по спектральному составу. Дело в том, что лучи различных длин волн рассеиваются в разной степени. Соотношение энергии лу­чей разных длин волн в рассеянной радиации изменено в пользу более коротковолновых лучей. При этом чем меньше размеры рассеивающих частиц, тем сильнее рассеиваются ко­ротковолновые лучи в сравнении с длинноволновыми.

По закону Рэлея, в чистом воздухе, где рассеяние про­изводится только молекулами газов, оно обратно пропорционально четвертой степени длины волны рассеивае­мых лучей. Поскольку длина крайних волн красного света почти вдвое больше длины крайних волн фиолетового света, первые лучи рассеиваются молекулами воздуха в 14 раз меньше, чем вто­рые. Инфракрасные же лучи будут рассеиваться в совсем нич­тожной степени. Поэтому в рассеянной радиации лучи корот­коволновой части видимого спектра, т.е. фиолетовые и синие, будут преобладать по энергии над оранжевыми и красными, а также и над инфракрасными лучами. Таким образом, максимум энергии в прямой солнечной радиации у земной поверхности приходится на область желто-зеленых лучей ви­димой части спектра. В рассеянной радиации он смещается на синие лучи. Голубой цвет неба - это цвет самого воздуха, обусловлен­ный рассеянием в нем солнечных лучей. Воздух прозрачен в тонком слое, как прозрачна в тонком слое вода. Но в мощной толще атмосферы воздух имеет голубой цвет, подобно тому как вода уже в сравнительно малой толще, в несколько мет­ров, имеет зеленоватый цвет. С высотой, по мере уменьшения плотности воздуха, т. е. количества рассеивающих частиц, цвет неба становится темнее и переходит в густо-синий, а в стратосфере - в черно-фиолетовый.

Чем больше в воздухе помутняющих примесей более круп­ных размеров по сравнению с молекулами воздуха (рассеяние которыми происходит уже не по закону Рэлея, а обратно пропорционально меньшим степеням длины волны), тем больше доля длинноволновых лучей в спектре солнечной радиации и тем белесоватее становится окраска небесного свода. Час­тицами тумана, облаков и крупной пыли диаметрами больше 1 - 2 мкм лучи всех длин волн диффузно отражаются одинаково; поэтому отдаленные предметы при тумане и пыльной мгле за­волакиваются уже не голубой, а белой или серой завесой. Об­лака, на которые падает солнечный свет, поэтому же кажутся белыми.

Рассеяние меняет окраску прямого солнечного света. Вследствие рассеяния особенно понижается энергия наиболее коротковолновых солнечных лучей видимой части спектра - си­них и фиолетовых; поэтому «уцелевший» от рассеяния прямой солнечный свет становится желтоватым. Солнечный диск ка­жется тем желтее, чем он ближе к горизонту, т. е. чем длиннее путь лучей через атмосферу и чем больше рассеяние. Однако у гори­зонта солнце становится почти красным, особенно когда в воз­духе много пыли и мельчайших продуктов конденсации (ка­пель или кристаллов). Точно так же и солнечный свет, отра­женный облаками, рассеиваясь по пути к земной поверхности, становится беднее синими лучами. Поэтому, когда облака близки к горизонту и путь отраженных лучей света, идущих от них сквозь атмосферу к наблюдателю, велик, они приобре­тают вместо белой желтоватую окраску.

Рассеяние солнечной радиации в атмосфере обусловли­вает рассеянный свет в дневное время. В отсутствие атмосферы на Земле было бы светло только там, куда попадали бы пря­мые солнечные лучи или солнечные лучи, отраженные земной поверхностью. А вследствие рассеянного света вся атмосфера днем служит источником освещения: днем светло также и там, куда солнечные лучи непосредственно не падают, и даже тогда, когда солнце скрыто за облаками. Рассеянию мы обязаны таким явлениям, как сумерки и заря. После захода солнца вечером темнота наступает не сразу. Небо, особенно в той части горизонта, где зашло солнце, ос­тается светлым и посылает к земной поверхности постепенно убывающую рассеянную радиацию. Аналогичным образом ут­ром небо светлеет и посылает рассеянный свет еще до восхода солнца.