Солнце

Солнечная лучистая энергия, поступающая на Землю, — главный источник энергии почти всех природных процессов как на поверхности, так и в атмосфере. Основная часть лучистой энергии Солнца представляет собой ультрафиолетовые, видимые и инфракрасные лучи. В метеорологии эту часть электромагнитного излучения называют солнечной радиацией. Физические процессы в атмосфере сильно зависят от солнечной радиации. В течение года и суток приток лучистой энергии различен, а вызываемое им неодинаковое нагревание и, следовательно, разница в температурах на разных высотах и широтах создают движения в атмосфере. Превращения этой энергии приводят к образованию облаков и осадков.

Несколько слов о самом Солнце. Оно находится на расстоянии от Земли, равном в среднем 1,4960 * 10¹¹ м, диаметр его 1,392 * 10⁹ м. Солнце состоит из водорода (90 %), гелия (10 %) и более тяжелых элементов (менее 0,1 %). Плотная и самая нижняя часть солнечной атмосферы, излучение которой еще доходит до нас, не поглощаясь в пути, называется фотосферой. Из нее и исходит почти весь поток излучаемой Солнцем энергии. Толщина фотосферы 300 км, эффективная температура 5770 К. Над фотосферой лежит более плотный слой — хромосфера, а еще выше солнечная корона. Последнюю можно наблюдать только во время солнечного затмения.

В течение нескольких суток и даже месяцев в фотосфере зарождаются, развиваются, и затем исчезают солнечные пятна размером до 185 000 км. Иногда возникают группы пятен. Они примерно на 76 % темнее и на 1500° холоднее самой фотосферы. Число пятен плюс число их групп (т. е. число Вольфа) может меняться в очень больших пределах. Например, с 3 по 11 января и с 1 по 12 февраля 1976 г. оно равнялось 0, а в ноябре 1977 г. составляло 228. Солнечные пятна обладают заметным магнитным полем, которое направляет на далекое расстояние от Солнца выброшенные протоны и электроны — это так называемый солнечный ветер. Солнечные пятна представляют собой гигантские воронки, образующиеся в результате вихревых движений газа.

Рядом с солнечными пятнами часто на короткое время (не более часа) возникают ослепительно белые вспышки, видимые невооруженным глазом. Наблюдаются в хромосфере Солнца и гигантские взрывы — протуберанцы. Они выглядят как огненно-красные выступы на внешнем диске светила. Количество солнечных пятен, вспышек и протуберанцев меняется с различной периодичностью. Основным принят 11-летний период, когда число их достигает максимума. В это время активизируются и другие солнечные явления: резкие возмущения магнитного поля Земли, нарушения радиосвязи, увеличение яркости полярных сияний и их повторяемости. Кроме 11-летнего периода известен и ряд других. Замечены многочисленные связи между периодичностью солнечных пятен и других явлений и погодой.

На своем пути от верхней границы атмосферы до поверхности Земли солнечная радиация частично поглощается и рассеивается. При этом она не только ослабляется, но изменяется ее спектральный состав. Радиация, приходящая параллельными пучками лучей, называется прямой, рассеивающаяся молекулами атмосферных газов и аэрозолей — рассеянной, отражающаяся от земной поверхности и атмосферы (преимущественно облаков) — отраженной.

Излучение Земли (невидимая инфракрасная радиация) почти полностью поглощается атмосферой. Та часть излучения, которая направлена от Земли вверх, минуя атмосферу, представляет собой уходящее излучение атмосферы.

Потоки лучистой энергии различаются длинами волн. Солнечная радиация — преимущественно коротковолновая. В природе нет таких тел, которые бы полностью поглощали или отражали лучистую энергию. Существуют, однако, понятия абсолютно черного тела, т. е. поглощающего всю падающую на него лучистую энергию, и зеркального тела, целиком отражающего. К первому для коротковолновой радиации близки сажа и пластиковая чернь, ко второму для инфракрасного излучения — снег.

На поток прямой радиации и ее состав примерно в равной степени влияют высота Солнца и прозрачность атмосферы. Прозрачность атмосферы в свою очередь связана с присутствием облаков и тумана и в зависимости от этого может сильно меняться. Чем выше над уровнем моря находится тот или иной пункт, тем больше поток прямой солнечной радиации, так как меньше слой воздуха, который ослабляет солнечные лучи. Плотные облака оказывают очень большое влияние на прямую радиацию, они ее не пропускают.

Если предположить, что в течение дня прозрачность воздуха не меняется, то ход прямой радиации был бы прост — ноль в момент восхода Солнца, затем быстрый, а потом более медленный рост до максимума в полдень и далее плавно (медленно и убыстряясь) уменьшение вновь до нуля при заходе Солнца. Таким образом, существовало бы два симметричных по отношению к полудню потока.

Однако содержание пыли, водяного пара, различных примесей в атмосфере меняется постоянно, нарушая эту схематическую симметрию. Да и после полудня усиливаются восходящие потоки воздуха, вместе с которыми поднимаются пыль и водяной пар, — и, следовательно, уменьшается прямая радиация. Это приводит к тому, что максимальное ее значение приходится не на полдень, а уже на 10 часов утра.

Высота Солнца и продолжительность дня, изменяющаяся также на протяжении года, влияет на ход суточной радиации. Имеет значение и то, приходит ли прямая радиация на горизонтальную или перпендикулярную поверхность, поскольку при этом различен угол падения лучей. Приход прямой радиации на горизонтальную поверхность меньше, чем на перпендикулярную лучам. Приход солнечной радиации на поверхность любой ориентации относительно стран света и любого наклона зависит от угла падения, заключенного между направлением луча и нормалью к поверхности. В свою очередь угол падения обусловлен как положением Солнца, так и данной поверхности. Из-за того, что солнечные лучи падают на поверхность под различными углами, любые ее неровности нагреваются по-разному.

Суточный ход прямой радиации связан также с географической широтой места — в низких широтах максимум выражен значительно отчетливее, чем в высоких. Это объясняется тем, что ближе к полюсам высота Солнца в течение дня меняется меньше. На самих же полюсах по этой причине суточного хода прямой радиации не существует. Амплитуда годового хода прямой радиации отчетливо выражена на полюсах, а на экваторе она наименьшая. В средних широтах максимум приходится на весенние месяцы (апрель и май), минимум годового хода полуденной радиации — на декабрь.

Если руководствоваться одним только положением высоты Солнца, то максимумы и минимумы должны были бы здесь приходиться на момент летнего и зимнего солнцестояния. Фактический сдвиг максимума к весне объясняется увеличением в воздухе пыли и водяного пара, из-за чего заметно уменьшается прозрачность атмосферы.

Во многих случаях практической деятельности человека важно иметь представление о суммах прямой радиации, получаемых Землей за различные интервалы времени. Эту сумму принято подразделять на три вида: теоретическую, возможную и действительную. К первому виду относится количество солнечной радиации, приходящей за определенный промежуток времени на 1 см² поверхности. Возможной суммой называют количество лучистой энергии, которая поступила бы на единичную горизонтальную площадку поверхности Земли в данном месте при средней прозрачности атмосферы и отсутствии облачности.

Фактическое количество прямой радиации, приходящей на 1 см² земной поверхности за определенное время, есть действительная сумма прямой радиации, которую получают путем обработки записей соответствующего прибора, т. е. в основе здесь лежит непосредственное наблюдение. Действительная сумма характеризует режим облачности данного пункта.

Значения сумм прямой радиации трех перечисленных видов сильно разнятся между собой в одном и том же пункте в различное время года, заметно уменьшаясь от одного вида к другому. Последнее происходит потому, что атмосфера играет очень большую роль в ослаблении солнечной радиации. Известно, что даже в ясные дни на Землю попадают только 60 % солнечной энергии, приходящейся на верхнюю границу атмосферы. Действительные суммы прямой радиации незначительно увеличиваются весной и летом от высоких широт к низким. Исключение составляют заполярные широты, где суммы заметно уменьшаются.

Осенью и зимой суммы значительно убывают с увеличением широты, что сказывается и на сильном уменьшении сумм за год. Сумма прямой и рассеянной радиации представляет собой суммарную радиацию, причем соотношение той и другой зависит от высоты Солнца, прозрачности атмосферы и облачности. До восхода Солнца и при малой его высоте полностью или преимущественно царит рассеянная радиация. Чем выше поднимается Солнце над небосклоном, тем меньше доля рассеянной радиации — при безоблачном небе она падает до 5—10 %. В прозрачной атмосфере также заметно убывает доля рассеянной радиации. Количество, высота и форма облаков в разной степени влияют на долю рассеянной радиации в общей суммарной. Когда Солнце плотно закрыто облаками, вся сумма радиации состоит только из рассеянной. В целом суммарная радиация в суточном и годовом аспекте зависит главным образом от высоты Солнца — пропорциональна ей. Существенна также географическая широта места — годовые суммы увеличиваются с уменьшением широты. В отдельные месяцы этот ход нарушается, и в полярных районах суммарная радиация может быть большей, чем в более низких широтах. Например, в бухте Тихой в июне суммарная радиация на 37 % больше, чем в Павловске, и на 5 % больше, чем в Феодосии.

В Антарктиде, по данным последних лет, суммарная радиация в декабре (самое теплое время) равна соответствующим суммам в Крыму и Ташкенте. Оказалось, что в среднем за год величины суммарной радиации в Антарктиде выше, чем в Ленинграде. Это объясняется особыми условиями Антарктиды — сухостью воздуха, значительной высотой над уровнем моря (поглощение в атмосфере соответственно меньше) и большой отражательной способностью снежной поверхности, равной 70–90 %, благодаря чему увеличивается рассеянная радиация. Значительную часть приходящего от Солнца тепла Антарктида теряет.

Часть радиации поглощается, а часть отражается. Соотношение этих частей меняется в течение суток, так как одна и та же поверхность отражает неодинаково, в зависимости от высоты Солнца. При преобладании в сумме радиации рассеянной (т. е. при малой высоте Солнца утром и вечером) шероховатая поверхность отражает сильнее, чем гладкая. Попадая на водную поверхность, солнечные лучи проникают в глубь прозрачных вод, рассеиваются в них больше, чем в почве, и, следовательно, отражаются меньше. Небольшая часть света, рассеянного внутри верхнего слоя воды, распространяется вновь вверх и складывается с отраженным от поверхности потоком. В частности, от этого зависит голубой цвет моря. Имеет значение и мутность самих вод.

Особенно велика отражательная способность облаков — в среднем около 80 %. В последние годы наблюдения над отражением солнечной радиации на больших участках Земли и от облаков ведутся с искусственных спутников. Зная отражение радиации от облаков, можно определить их вертикальную мощность, а над океанами рассчитать высоту волн. Различное отражение от поверхности облаков морей, лесов, степей и т. д. позволяет судить о естественных ресурсах Земли.

Поверхность Земли (почва, вода, снег, растительность и т. д.), которую не совсем точно называют деятельной поверхностью, излучает энергию в окружающее пространство.

Для всего земного шара в среднем за год, как показывают наблюдения, температура деятельной поверхности равна примерно 15 °C.

В метеорологии земное излучение принято считать длинноволновым, так как наибольшая энергия в этом излучении примерно в 20 раз длиннее волны, несущей наибольшую энергию в спектре солнечной радиации. Наибольшая излучательная способность — у снега, благодаря его рыхлой структуре. Атмосфера излучает невидимую инфракрасную радиацию.

Существенно также влияние ледяного покрова. Так, большие колебания площади ледяного покрова в Арктике в 1971–1973 гг. вызвали заметные изменения температуры воздуха в тропосфере. Наблюдения со спутников в последние годы показали, что облачность обширной тропической зоны (преимущественно над океанами) относительно невелика по сравнению с прежними наблюдениями, произведенными на континентах и в океане. Это дало возможность подсчитать, что отражение Землей тепла по сравнению с его приходом в целом невелико — меньше, чем полагали прежде, — и составляет около 30 %.

Широтные различия и большая отражательная способность Антарктиды усиливает различия в температурах тропических и полярных областей и как следствие этого циркуляцию атмосферы.

Около 40 % тепла уходит вверх в мировое пространство (так называемое уходящее излучение), а остальная часть направлена к Земле (встречное излучение). Таким образом, потери тепла на излучение в какой-то мере компенсируются поглощением части встречного излучения.

Излучение деятельной поверхности связано с ее температурой и влажностью воздуха. Чем выше температура поверхности, тем излучение больше; чем больше влажность воздуха, тем эффективное излучение меньше.

Сильно влияет на излучение и облачность: чем больше количество и плотность облаков, тем излучение меньше. Водяной пар (и отчасти углекислый газ и озон) в атмосфере также сильно задерживают излучение. Это относится к длинноволновой радиации, в то время как атмосфера довольно свободно пропускает коротковолновую солнечную радиацию. Таким образом, атмосфера превращается как бы в оранжерею — солнечные лучи проходят в глубь через это «стекло», а длинноволновое излучение назад не выходит. Не будь атмосферы, на Земле было бы очень холодно — не 15° (в среднем) как есть в действительности, а —23°.

В заключение следует отметить, что процесс отражения солнечной радиации имеет очень сложную природу. В поверхностном слое моря (в толще 10–50 м) теплообмен зависит от турбулентности и, в меньшей степени, от теплопроводности воды.

В процессах взаимодействия океана и атмосферы особенно велика роль ледяного покрова, изменяющего радиацию и другие явления, особенно в полярных областях планеты. При образовании и таянии льда затрачивается большое количество тепла, лед препятствует образованию волн, брызг и т. д. Лед в море пресный и, следовательно, сравнительно легкий. Тепло океана, однако, просачивается и сквозь лед, даже очень мощный, и обогревает Арктический бассейн. Лед покрывает зимой не только Арктику, но отчасти и другие моря.

Нагревание почвы солнечными лучами зависит от географической широты места, сезона и др. Почва поглощает тепло и нагревается летом, отдает тепло и охлаждается зимой. Аналогичный теплооборот, но в меньшем масштабе, происходит днем и ночью. Для атмосферных явлений, в том числе для климата, температура поверхности почвы (так же, как и океанов) очень важна, ибо зависит от нагревания подстилающей поверхности.

На температуру почвы заметное влияние оказывает снежный покров. Наблюдения, проведенные в Антарктиде в январе 1958 г. на станции Восток (расположенной на 78° ю. ш., на 3,5 км выше уровня моря), показали, что температура снега на глубине 8 м была —57,9°, а на глубине 12 м —57,3°. Последняя, видимо, близка к средней годовой, так как колебания здесь уже должны затухнуть;

Большое значение имеет солнечная радиация для здоровья людей. Необходимо располагать данными о суточном и годовом ходе радиации в том или ином районе, о максимальных и средних значениях и т. д. С этой целью на курортах оборудуются специальные актинометрические станции, ведущие постоянные наблюдения.

Существенно важно также знать радиационный режим при строительстве городов. Необходимо так размещать и ориентировать здания, чтобы они хорошо освещались Солнцем. Однако это совсем не простая задача: максимальные суммы радиации не всегда совпадают с летними месяцами.

Солнечная энергия используется в народном хозяйстве непосредственно. Можно без преувеличения сказать, что с тех пор как существует человечество, существует и идея использования солнечной энергии. В последнее время эта проблема становится все более актуальной и конкретной. Естественно, что солнечные установки имеет смысл ставить там, где велик приход солнечной энергии и много безоблачных дней. Суть использования солнечной энергии состоит в преобразовании ее в тепловую и электрическую. Самый простой способ преобразования солнечной энергии в тепловую — это создание так называемого горячего ящика, в основе которого лежит оранжерейный эффект стекла.

Ящик из дерева или бетона покрывают сверху стеклом — одним или в несколько слоев, а металлическое дно закрашивают черной краской. Солнечная радиация проходит почти без поглощения через стекло и нагревает дно примерно до 70–90°. Когда стекло многослойно, температура воздуха в ящике может достигать 200°. Но в этом случае возрастают и потери тепла. Существует и другой метод, основанный на концентрации солнечной энергии с помощью зеркальных отражателей, собирающих лучи в фокус. Разработано несколько видов конструкций в зависимости от формы отражателя — чаши, корыта. Тело, помещаемое в фокусе зеркала, может нагреваться до 3000–4000 °C. В таких установках, называемых солнечными печами, проводятся физико-химические исследования тугоплавких материалов.

В электрическую энергию солнечная преобразуется получением термоэлектричества и фотоэлектричества. При этом эффективно используются батареи из полупроводников. Солнечные фотоэлектрические батареи нашли большое применение на искусственных спутниках Земли. На третьем советском искусственном спутнике Земли впервые были установлены такие батареи. Когда спутник проходил в солнечных лучах, питание радиопередатчика шло от солнечных батарей. Одновременно происходила подзарядка электрохимических батарей для снабжения спутника электроэнергией во время его движения в земной тени. Они оказались вполне надежными источниками электроэнергии. Использование солнечной энергии будет особенно успешным на орбитальных обсерваториях и в будущем при изучении других планет.