Повітря і атмосфера

Проходячи крізь атмосферу, сонячна радіація частково розсіюється атмосферними газами і аерозольними домішками до повітря і переходить в особливу форму розсіяною радіації. Частково ж вона поглинається молекулами атмосферних газів і домішками до повітря і переходить в теплоту, йде на нагрівання атмосфери.

Нерозсіяних і непоглощенная в атмосфері пряма сонячна радіація досягає земної поверхні. Вона частково відбивається від земної поверхні, а в більшій мірі поглинається нею і нагріває її. Частина розсіяної радіації також досягає земної поверхні, частково від неї відбивається і частково нею поглинається. Інша частина розсіяної радіації йде вгору, в міжпланетний простір. В результаті поглинання і розсіяння радіації в атмосфері пряма радіація, що дійшла до земної поверхні, змінена в порівнянні з тим, що було на кордоні атмосфери. Інтенсивність радіації зменшується, а спектральний склад її змінюється, так як промені різних довжин хвиль поглинаються і розсіюються в атмосфері по-різному (рис. 6).

Мал. 6. Розподіл променевої енергії в спектрі сонячної радіації на межі атмосфери

(Верхня крива) і у земної поверхні (нижня крива) при висоті сонця 35 °

Інтенсивність радіації дана в 10-3 кал / (см2 · хв) для інтервалу довжин хвиль 0,01 мк.

При найбільш високому стоянні сонця і при достатній чистоті повітря можна виміряти на рівні моря інтенсивність прямий радіації близько 1,5 кал / (см2 · хв) В горах, на висотах близько 4-5 км, спостерігалася інтенсивність до 1,7 кал / (см2 · хв) і більш. У міру наближення сонця до горизонту і збільшення товщі повітря, прохідним сонячними променями, інтенсивність прямий радіації все більш убуває.

В атмосфері поглинається порівняно невелика кількість сонячної радіації, при цьому головним чином в інфрачервоній частині спектра. Це поглинання - виборче: різні гази поглинають радіацію в різних ділянках спектра і в різному ступені.

Поглинена радіація - частина сумарної радіації, яка поглинається земною поверхнею і йде на нагрівання верхніх шарів грунту і води.

В цілому в атмосфері поглинається 15 - 20% радіації, що приходить від Сонця до Землі. У кожному окремому місці поглинання змінюється з плином часу в залежності як від змінного вмісту в повітрі поглинаючих субстанцій, головним чином водяної пари, хмар і пилу, так і від висоти сонця над горизонтом, тобто від товщини шару повітря, прохідного променями на шляху крізь атмосферу.

Крім поглинання пряма сонячна радіація на шляху крізь атмосферу послабляється ще шляхом розсіювання, причому послабляється більш значно. При цьому розсіювання радіації тим більше, чим більше містить повітря аерозольних домішок.

Розсіюванням радіації називається часткове перетворення радіації, що має певний напрям поширення (а такий саме і є пряма сонячна радіація, поширюю-щаяся у вигляді паралельних променів), у радіацію, що йде в усіх напрямках. Розсіювання відбувається в оптично неоднорідному середовищі, тобто в середовищі, де показник заломлення змінюється від точки до точки. Такий оптично неоднорідним середовищем є атмосферне повітря, що містить найдрібніші частинки рідких і твердих домішок - крапельки, кристали, ядра конденсації, пилинки. Але оптично неоднорідним середовищем є і чистий, вільний від домішок повітря, так як в ньому внаслідок теплового руху молекул постійно виникають згущення і розрідження, коливання щільності. Таким чином, зустрічаючись з молекулами і сторонніми частинками в атмосфері, сонячні промені втрачають прямолінійний напрямок поширення, розсіюються. Радіація поширюється від розсіюють частинок таким чином, як якщо б вони самі були джерелами ра-ДІАЦ.

Близько 25% енергії загального потоку сонячної радіації перетворюється в атмосфері в розсіяну радіацію. Правда, значна частка розсіяної радіації (2/3 її) також приходить до земної поверхні. Але це буде вже особливий вид радіації, істотно відмінний від прямої радіації.

По-перше, розсіяна радіація приходить до земної поверхні не від сонячного диска, а від усього небесного зводу. Тому доводиться вимірювати її приток на горизонтальну поверхню. Інтенсивністю розсіяною радіацііми будемо називати її приток в калоріях на один квадратний сантиметр горизонтальній поверхні в хвилину.

По-друге, розсіяна радіація відмінна від прямої по спектрального складу. Справа в тому, що промені різних довжин хвиль розсіюються в різному ступені. Співвідношення енергії променів різних довжин хвиль в розсіяною радіації змінено на користь більш короткохвильових променів. При цьому, чим менше розміри розсіюють частинок, тим сильніше розсіюються коротковол-нові промені в порівнянні з довгохвильовими.

Згідно із законом Релея, в чистому повітрі, де розсіювання вироб-водиться тільки молекулами газів (розміри яких більш ніж в 10 разів менше довжин хвиль світла), розсіювання зворотній пропорції-нально четвертого ступеня довжини хвилі розсіюються променів

де I # 955; - інтенсивність прямий радіації з довжиною хвилі # 955 ;, i # 955; - ​​інтенсивність розсіяної радіації з тією же довжиною хвилі, а - коефіцієнт пропорційності.

Оскільки довжина крайніх хвиль червоного світла майже вдвічі більше довжини крайніх хвиль фіолетового світла, перші промені розсіюються молекулами повітря в 14 разів менше, ніж другі. Інфрачервоні ж промені будуть розсіюватися в зовсім незначній мірі. Тому в розсіяною радіації промені короткохвильової частини видимого спектру, тобто фіолетові і сині, будуть переважати по енергії над помаранчевими і червоними, а також і над інфрачервоними променями.

Максимум енергії в прямої сонячної радіації в земної поверхні припадає на область жовто-зелених променів видимої частини спектра. У розсіяною радіації він зміщується на сініелучі.

Додамо ще, що розсіяна сонячна радіація, на відміну від прямої, є частково поляризованою. При цьому ступінь поляризації для радіації, що приходить від різних ділянок небосхилу, неоднакова.

Розсіювання більшими частинками, тобто порошинами, дрібними крапельками і кристалами, відбувається не за законом Релея, а обернено пропорційно меншим ступеням довжини хвилі, наприклад другий або першої. Тому радіація, розсіяна великими частинками, буде не так багата найбільш короткохвильовими променями, як радіація, розсіяна молекулами. При частинках діаметром більше 1,2 мк буде вже не розсіювання, а дифузне відображення, при якому радіація відбивається частинками, як маленькими дзеркалами (за законом - кут відбиття дорівнює куту падіння), без зміни спектрального складу.

Розсіювання змінює забарвлення прямогосолнечного світла. Внаслідок розсіювання особливо знижується енергія найбільш короткохвильових сонячних променів видимої частини спектра - синіх і фіолетових, тому «вцілілий» від розсіювання прямий солнеч-ний світло стає жовтуватим. Сонячний диск здається тим жовтіше, чим ближче він до горизонту, тобто чим довше шлях променів через атмосферу і чим більше розсіювання. У горизонту сонце стає майже червоним, особливо коли в повітрі багато пилу і дрібних продуктів конденсації (крапельок або кристалів). Точно так само і сонячне світло, відбите хмарами, розсіюючись по шляху до земної поверхні, стає біднішим синіми променями. Тому, коли хмари близькі до горизонту і шлях відбитих променів світла, що йдуть від них крізь атмосферу до спостерігача, великий, вони набувають замість білої Желтова-ту забарвлення.

Розсіювання сонячної радіації в атмосфері обумовлює розсіяне світло в денний час. У відсутності атмосфери на Землі було б світло тільки там, куди потрапляли б прямі сонячні промені або сонячні промені, відбиті земною поверх-ністю і предметами на ній. А внаслідок розсіяного світла вся атмосфера вдень служить джерелом освітлення: вдень світло також і там, куди сонячні промені безпосередньо не падають, і навіть тоді, коли сонце приховано за хмарами. При цьому слідом-ствие більшого процентного вмісту синіх променів розсіяне світло белеепрямого сонячного світла.