1.2 Рассеянная радиация. Интенсивность рассеянной радиции

Рассеянной радиацией называется часть солнечной радиации, рассеянная земной атмосферой и облаками и поступающая на земную поверхность от небесного свода или от его различных участков. Благодаря рассеянной радиации мы имеем дневную освещенность и при безоблачном небе, и при сплошном облачном покрове, мы видим предметы, находящиеся в тени, видим «голубой цвет неба», наблюдаем явление сумерек и зари. Основы теории рассеяния лучистой энергии были разработаны Рэлеем, исследовавшем рассеяние лучистой энергии молекулами газов. Рэлей установил, что рассеяние радиации зависит от количества рассеивающих частиц, содержащихся в единице объема, от их величины и природы, а также от самой радиации, именно от длин волн, составляющих эту радиацию. Рэлей вывел закон рассеяния мельчайшими частицами, размеры которых меньше длин волн, входящих в состав солнечного спектра. Такими частицами являются молекулы воздуха, поэтому закон Рэлея носит название закона молекулярного рассеяния. По закону Рэлея интенсивность молекулярного рассеяния обратно пропорциональна четвертой степени длины волны, т. е.

(1.1)

где С – коэффициент, зависящий от числа молекул воздуха в единице объема и от природы газа (эта формула приводилась выше). В таблице №1.3 приведены значения коэффициента рассеяния для чистого и сухого воздуха при нормальном давлении. Таким образом, согласно закону Рэлея, коротковолновая радиация рассеивается в атмосфере значительно сильнее, чем длинноволновая.

Таблица №1.3. Значения коэффициента рассеяния для чистого и сухого воздуха при нормальном давлении

Сравнивая рассеяние крайних лучей видимого спектра, получим, что фиолетовые лучи рассеиваются больше, чем красные, в .

Возрастанием рассеяния света с уменьшением длины волны и объясняется голубой цвет неба. Фиолетовые и синие лучи хоть и рассеиваются сильнее голубых, но зато их энергия значительно меньше. Поэтому рассеянный атмосферный свет создает впечатление глубокой синевы небесного свода. Рассеянная радиация распространяется во все стороны неодинаково. Согласно теории Рэлея, наиболее интенсивно рассеяние в направлении падающего луча (вперед) и в противоположном (назад). Минимумы рассеяния – в направлениях, перпендикулярных прямому лучу. Так происходит рассеяние лучистой энергии в совершенно чистом и сухом воздухе, не содержащем примесей. Однако в атмосфере всегда имеется много примесей в виде пылинок, капель тумана, облаков, которые тоже рассеивают лучистую энергию. Рассеяние радиации более крупными частицами, размеры которых больше длины волны, было подробно изучено проф. В. В. Шулейкиным. Распространение рассеянной радиации в разных направлениях в этом случае также значительно отличается от молекулярного рассеяния. Интенсивность рассеянной радиации в направлении падающего луча (вперед) значительно больше интенсивности радиации, рассеянной в противоположном направлении (назад). И чем крупнее частички, тем больше света рассеивается вперед. Этим объясняется, почему при туманах как влажных, так и сухих, образованных пылью, голубой цвет неба переходит вбелесоватый. Чем больше в воздухе приме6сей (пыли, капель воды), тем больше рассеивается лучей с различной длиной волны, и тем белесоватей (бледнее) голубой цвет неба и воздушной дымки. В горах и на больших высотах, где воздух значительно чище и более разрежен, рассеяние вообще слабое, а небо кажется темнее. На значительных высотах иногда даже при солнечном свете на темном небе можно увидеть наиболее яркие светила: звезды, планеты.Из сказанного следует, что рассеянная радиация более богата коротковолновыми лучами, чем прямая солнечная радиация. Чем больше воздушный слой, который приходится пройти солнечному лучу, тем больше он теряет коротковолновых лучей и тем больше остается лучей длинноволновых. Вот почему солнце при восходе и заходе солнца освещенные им белые поверхности – стены домов, облака и т. д. Таким образом, спектральный состав рассеянной радиации отличается от спектрального состава прямой солнечной радиации, и чем чище воздух, тем больше это отличие.

Рассеянной радиации принадлежит значительная доля той энергии, которая поступает на земную поверхность. В северных местностях, где так часто бывает пасмурная погода, почти весь приход энергии солнца создается одной рассеянной радиацией. Энергия ее определяется интенсивностью в определенный момент. Интенсивность рассеянной радиации измеряется числом малых калорий, которые получает 1 см² горизонтальной поверхности в 1 мин. От всего небесного свода.

Величина интенсивности рассеянной радиации D кал/см²·мин меняется в широких пределах (от нескольких сотых до нескольких десятых долей калорий) и зависит от высоты солнца, прозрачности атмосферы, облачности, высоты над уровнем моря и от наличия снежного покрова. Эти факторы, уменьшающие прямую солнечную радиацию, увеличивают рассеянную радиацию. Исключение составляет дым из крупных угольных частиц, одинаково поглощающих как прямую, так и рассеянную радиацию, но мало участвующих в рассеянии. Чем выше солнце над горизонтом, тем больше интенсивность рассеянной радиации. Объяснить это можно исходя из теории рассеяния следующим образом. Рассеяние радиации происходит главным образом вперед и назад вдоль направления прямого солнечного луча.

Рассеянная назад радиация уходит в мировое пространство и теряется для земли. Рассеянная вперед радиация попадает на земную поверхность и естественно, что ее интенсивность (на горизонтальную поверхность) тем больше, чем выше солнце, т. е. Чем более отвесно падают солнечные лучи. Рассеяние солнечной радиации в атмосфере зависит от числа рассеивающих частичек, следовательно, чем чище воздух, тем меньше величина D, и, наоборот, чем меньше его прозрачность или чем больше в воздухе примесей (пыль, дым, водяные пары и т. д.), тем больше интенсивность рассеянной радиации.

Облака значительно увеличивают величину интенсивности рассеянной радиации, так как являются хорошо рассеивающей средой. Особенно сильно влияют на величину рассеянной радиации облака, освещенные солнцем (высоко-кучевые, кучевые). Величина D может увеличиваться в 8—10 раз под влиянием такой облачности и достигать 0,7—0,8 кал/см²· мин. При сплошной облачности рассеянная радиация бывает в 1,5—2 раза больше, чем при безоблачном небе, и только при очень мощной облачности и во время выпадения осадков рассеянная радиация меньше, чем при ясном небе. Если для безоблачного неба рассеянная радиация составляет всего несколько процентов от прямой солнечной, то с увеличением облачности этот процент возрастает и уже измеряется не единицами, а десятками, особенно при наличии на небе большого количества ярких облаков и незначительной высоте солнца. Величина рассеянной радиации зависит также от характера подстилающей поверхности, от ее отражательной способности (альбедо). Кроме того, на рассеянную радиацию влияет снежный покров, увеличивая ее приблизительно на 1/3. Это вызывается тем, что снежный покров обладает большой отражательной способностью. После отражения им радиации, последняя направляется к атмосфере и облакам, где часть ее вновь рассеивается и возвращается обратно на землю, вызывая увеличение общего потока рассеянной радиации.

Рассеянная радиация начинает поступать на землю еще до восхода солнца, создавая явления сумерек и зари.

При восходе Солнца интенсивность рассеянной радиации составляет около 0,01 кал/см²· мин. Облака в этом случае только ослабляют ее. В ясную погоду после восхода солнца интенсивность рассеянной радиации увеличивается с его высотой. Это объясняется тем, что с возрастанием высоты солнца увеличивается количество лучистой энергии, входящей в атмосферу через каждый квадратный сантиметр ее горизонтального сечения, что вызывает также и большее рассеяние радиации. При высотах солнца от 3 до 10° в зависимости от мутности атмосферы рассеянная радиация сравнивается с прямой солнечной, а затем ее рост отстает отсолнечной. Приводим средние значения интенсивности рассеянной радиации в отдельные часы в кал/см² мин для Павловска (под Санкт-Петербургом), характеризующие дневной ход ее зимой и летом при безоблачном небе:

Часы ….. 4 6 8 10 12 14 16 18 20

1 июня . . 0,03 0,10 0,16 0,23 0,25 0,22 0,16 0,10 0,03

1 декабря . . — - — 0,02 0,04 0,02 - - -

Таблица 1.4 Значения интенсивности рассеянной радиации в отдельные часы в кал/см² мин для Павловска (под Санкт-Петербургом), характеризующие дневной ход ее зимой и летом при безоблачном небе

Из этих данных видно, что наибольшая интенсивность рассеянной радиации наблюдается в полдень и достилает в среднем 0,25 кал/см²· мин в июне. Наименьшие полуденные значения приходятся на декабрь — 0,04 кал/см²· мин.

(если бы не было атмосферы, мы видели бы солнце на совершенно черном небе).

В теплое время полуденные интенсивности рассеянной радиации при безоблачном небе при высокой мутности достигают ⅓ интенсивности прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность.

Таким образом, тепловой эффект рассеянной радиации безоблачного неба значительно меньше эффекта, создаваемого прямой солнечной радиацией. Рассеянная радиация безоблачного неба богата коротковолновыми лучами. С возрастанием высоты над уровнем моря рассеянная радиация убывает главным образом за счет длинных волн, благодаря чему цвет неба синеет. Со стратостата небо кажется фиолетовым. При облачной погоде рассеянная радиация значительно больше, чем при ясной, если только облака не слишком мощные. Облака могут повышать рассеянную радиацию в 3—4 раза. Особенно велика рассеянная радиация в Арктике.

Установлено, что в Арктике величины рассеянной радиации достигают 1,0 кал/см2мин. Несмотря на большую высоту солнца, на юге подобные явления не наблюдаются. Еще большие величины рассеянной радиации наблюдаются в Антарктиде, как показали наблюдения, проведенные во время МГГ на станциях Мирный, Пионерская и других. Наличие в полярных областях больших величин рассеянной радиации, несмотря на сравнительно малые высоты солнца, объясняется тем, что здесь в большинстве случаев имеют место хорошо рассеивающие солнечную радиацию облака, а земная поверхность всегда покрыта снегом, также увеличивающим рассеянную радиацию. Из всего сказанного выше следует, что рассеянная радиация играет важную роль в приходе лучистой энергии на земную поверхность.