Зміни сонячної радіації при проходженні крізь атмосферу

Не вся радіація, що випромінюється Сонцем у напрямі до Землі, доходить до неї. Частина цієї радіації поглинається аерозолями та газами атмосфери, при цьому у поверхні Землі змінюється її спектральний склад. До поверхні Землі не доходить ультрафіолетове випромінювання с довжиною хвилі менше 0,29 мкм. Воно повністю поглинається в верхніх шарах атмосфери. В видимі частині спектра найбільш розсіюються проміні з найкоротшою довжиною хвилі – сині та фіолетові – і менше проміні з більшою довжиною – червоні та оранжеві. Інфрачервона частина спектра також має ділянки із зменшеною енергією, пов’язаних з поглинанням її водяною парою та вуглекислим газом. Чим більше в атмосфері є водяної пари та вуглекислого газу, тим менше, при інших рівних умовах, прямої радіації доходить до земної поверхні.

При різні висоті Сонця шлях променя в атмосфері різний. Чим нижче відносно горизонту розташовано Сонце, тим більший шлях в атмосфері проходить сонячний промінь. Коли Сонце знаходиться в зениті (90⁰), шлях сонячного випромінювання найкоротший. Якщо масу атмосфери прийняти за одиницю при падінні променів під прямим кутом, то коли сонячні промені будуть падати на Землю під гострим кутом маса атмосфери буде змінюватись.

При низькому положенні сонця над горизонтом сонячні промені проходять шлях набагато більший, чим при високому положенні (табл. 8).

Таблиця 8.

Довжина шляху променя сонця L (в відносних одиницях) в атмосфері при різні висоті сонця над горизонтом, h_Θ

Так, коли промені падають під кутом 30⁰, то вони долають фактично подвійну масу атмосфери. При положенні Сонця на самому горизонті довжина шляху променів зростає в 35 разів. Ці розрахунки добуто в результаті теоретичних досліджень французького фізика П.С. Лапласа. Від довжини шляху променів залежить їх розсіювання, чим довший шлях проходження променів в атмосфері (чим менша висота стояння Сонця), тим більше розсіюється кількість коротких (синіх, фіолетових та голубих) і зростає кількість довгих (червоних, оранжевих) хвиль, які дійшли до підстилаючої поверхні Тому Сонце при горизонті здається червонуватим. Чим менша довжина променів, тим сильніше вони розсіюються, наприклад фіолетові промені мають довжину в 1,9 рази менше ніж червоні і розсіюються в 14 разів сильніше. Однак, хоча довжина хвиль фіолетових променів коротша довжини синіх та голубих, в розсіяному сонячному світлі переважають голубі та сині промені тому, що їх енергія до розсіювання значно більша ніж фіолетових. Цим пояснюється голубий колір безхмарного неба при спостережені з земної поверхні.

Розсіюванням сонячної радіації пояснюється явище сутінок . Після заходу Сонця верхні шари атмосфери, все ще освітлені сонячними променями, розсіюють їх частину і частина цієї розсіяної радіації доходить до земної поверхні, обумовлюючи сутінкову освітленість. Тривалість сутінок залежить від географічної широти та пори року. На екваторі тривалість сутінок складає 20-25 хвилин, із збільшенням географічної широти вона збільшується , а північніше 60⁰п.ш. сутінки в середині літа продовжуються всю ніч (“білі ночі”).

Розсіювання радіації аерозолем з розмірами частинок більше довжини світлової хвилі менше залежить від цієї довжини. Частинки, радіус яких більше 10^{-3 мм (краплини туману та хмар) однаково розсіюють всі хвилі видимої частини спектра. Тому хмари та туман мають біле забарвлення.}

Повітря прозоріше, коли на шляху сонячного випромінювання знаходиться менше аерозолів і водяної пари, які поглинають та розсіюють радіацію. Для характеристики прозорості повітря використовують коефіцієнт прозорості. Він показує, яка частка тих променів, що прийшли до верхньої межі атмосфери, доходить до земної поверхні у вигляді прямої радіації при положенні Сонця в зеніті. Для “ідеальної” атмосфери, в які немає водяного пара та аерозолів , коефіцієнт прозорості буде дорівнювати 0,9. В реальних умовах коефіцієнт прозорості у середньому коливається від 0,60 до 0,85. Однак навіть при однаковому стані атмосфери (однакова забрудненість та значення m коефіцієнт прозорості різний для хвиль різної довжини. ( при довжині хвилі 0,30 мкм р=0,36, а при 0,70 мкм р=0,97, для коротких променів коефіцієнт прозорості менший. Тому із збільшенням маси атмосфери відносне послаблення променів в червоні частині спектра стає менше ніж в синьо-фіолетові.

Приведенні данні показують, що зміна спектрального складу прямої радіації в атмосфері обумовлена зміною висоти Сонця впродовж дня та року та станом повітря (прозорість). Таким чином, послаблення прямої сонячної радіації обумовлюється двома факторами: довжиною шляху сонячного променя в атмосфері, яка характеризується масою m атмосфери та концентрацією ослаблюючих частинок на шляху променя, яка визначає прозорість атмосфери.

В помірних широтах при висоті Сонця 30-50⁰ в полудень інтенсивність прямої радіації, яка приходить на земну поверхню, в залежності від прозорості повітря коливається від 700-850 Вт/м². В середньому приймають, що за рахунок поглинання сонячної радіації її послаблення в безхмарні атмосфері складає 20-25%, приблизно 75-80% сонячної радіації, яка поступила до верхнього шару атмосфери , доходить до земної поверхні. При суцільні щільні хмарності нижнього шару до земної поверхні доходить тільки розсіяна радіація в кількості 5-15% від можливої сумарної радіації, яка доходить при безхмарному небі.

Мал. 6. Розподіл сонячної сталої.