Яркое светило припекает нас горячими лучами и заставляет задуматься о значении радиации в нашей жизни, ее пользе и вреде. Что же такое солнечная радиация? Урок школьной физики предлагает нам для начала ознакомиться с понятием электромагнитной радиации в целом. Этим термином обозначают еще одну форму материи - отличную от вещества. Сюда относится и видимый свет, и спектр, не воспринимаемый глазом. То есть рентгеновские лучи, гамма-лучи, ультрафиолетовые и инфракрасные.

Электромагнитные волны

При наличии источника-излучателя радиации ее электромагнитные волны распространяются во всех направлениях со скоростью света. Эти волны, как любые другие, имеют определенные характеристики. К ним относятся частота колебаний и длина волны. Свойством испускать радиацию обладают любые тела, чья температура отличается от абсолютного нуля.

Солнце - основной и мощнейший источник радиации вблизи нашей планеты. В свою очередь, Земля (ее атмосфера и поверхность) и сама излучает радиацию, но в другом диапазоне. Наблюдение за температурными условиями на планете в течение длительных промежутков времени породило гипотезу о равновесии количества тепла, получаемого от Солнца и отдаваемого в космическое пространство.

Радиация солнца: спектральный состав

Абсолютное большинство (около 99%) солнечной энергии в спектре лежит в интервале длин волн от 0,1 до 4 мкм. Оставшийся 1% - лучи большей и меньшей длины, включая радиоволны и рентгеновское излучение. Около половины лучистой энергии солнца приходится на тот спектр, который мы воспринимаем взглядом, примерно 44% - на инфракрасное излучение, 9% - на ультрафиолетовое. Откуда нам известно, как делится солнечная радиация? Расчет ее распределения возможен благодаря исследованиям с космических спутников.

Есть вещества, способные приходить в особое состояние и излучать дополнительную радиацию другого волнового диапазона. К примеру, встречается свечение при низких температурах, не характерных для испускания света данным веществом. Данный вид радиации, получивший название люминесцентной, не поддается обычным принципам теплового излучения.

Явление люминесценции происходит после поглощения веществом некоторого количества энергии и перехода в другое состояние (т. н. возбужденное), более энергетически высокое, чем при собственной температуре вещества. Люминесценция появляется при обратном переходе - из возбужденного в привычное состояние. В природе мы можем наблюдать ее в виде ночных свечений неба и полярного сияния.

Наше светило

Энергия солнечных лучей - почти единственный источник тепла для нашей планеты. Собственная радиация, идущая из ее глубин к поверхности, имеет интенсивность, меньшую примерно в 5 тысяч раз. При этом видимый свет - один из важнейших факторов жизни на планете - лишь часть солнечной радиации.

Энергия солнечных лучей переходит в тепло меньшей частью - в атмосфере, большей - на поверхности Земли. Там она расходуется на нагревание воды и почвы (верхних слоев), которые затем отдают тепло воздуху. Будучи нагретыми, атмосфера и земная поверхность, в свою очередь, испускают инфракрасные лучи в космос, при этом охлаждаясь.

Солнечная радиация: определение

Ту радиацию, которая идет к поверхности нашей планеты непосредственно от солнечного диска, принято именовать прямой солнечной радиацией. Солнце распространяет ее во всех направлениях. С учетом огромного расстояния от Земли до Солнца, прямая солнечная радиация в любой точке земной поверхности может быть представлена как пучок параллельных лучей, источник которых - практически в бесконечности. Площадь, расположенная перпендикулярно лучам солнечного света, получает, таким образом, ее наибольшее количество.

Плотность потока радиации (или энергетическая освещенность) служит мерой ее количества, падающего на определенную поверхность. Это объем лучистой энергии, попадающей в единицу времени на единицу площади. Измеряется данная величина - энергетическая освещенность - в Вт/м 2 . Наша Земля, как всем известно, обращается вокруг Солнца по эллипсоидной орбите. Солнце находится в одном из фокусов данного эллипса. Поэтому ежегодно в определенное время (в начале января) Земля занимает положение ближе всего к Солнцу и в другое (в начале июля) - дальше всего от него. При этом величина энергетической освещенности меняется в обратной пропорции относительно квадрата расстояния до светила.

Куда девается дошедшая до Земли солнечная радиация? Виды ее определяются множеством факторов. В зависимости от географической широты, влажности, облачности, часть ее рассеивается в атмосфере, часть поглощается, но большинство все же достигает поверхности планеты. При этом незначительное количество отражается, а основное - поглощается земной поверхностью, под действием чего та подвергается нагреванию. Рассеянная же солнечная радиация частично также попадает на земную поверхность, частично ею поглощается и частично отражается. Остаток ее уходит в космическое пространство.

Как происходит распределение

Однородна ли солнечная радиация? Виды ее после всех "потерь" в атмосфере могут различаться по своему спектральному составу. Ведь лучи с различными длинами и рассеиваются, и поглощаются по-разному. В среднем атмосферой поглощается около 23% ее первоначального количества. Примерно 26% всего потока превращается в рассеянную радиацию, 2/3 которой попадает затем на Землю. В сущности, это уже другой вид радиации, отличный от первоначального. Рассеянная радиация посылается на Землю не диском Солнца, а небесным сводом. Она имеет другой спектральный состав.

Поглощает радиацию главным образом озон - видимый спектр, и ультрафиолетовые лучи. Излучение инфракрасного диапазона поглощается углекислым газом (диоксидом углерода), которого, кстати, в атмосфере очень немного.

Рассеяние радиации, ослабляющее ее, происходит для любых длин волн спектра. В процессе его частицы, попадая под электромагнитное воздействие, перераспределяют энергию падающей волны во всех направлениях. То есть частицы служат точечными источниками энергии.

Дневной свет

Вследствие рассеяния свет, идущий от солнца, при прохождении слоев атмосфер изменяет цвет. Практическое значение рассеяния - в создании дневного света. Если бы Земля была лишена атмосферы, освещение существовало бы лишь в местах попадания прямых или отраженных поверхностью лучей солнца. То есть атмосфера - источник освещения днем. Благодаря ей светло и в местах, недоступных прямым лучам, и тогда, когда солнце скрывается за тучами. Именно рассеяние придает воздуху цвет - мы видим небо голубым.

А от чего зависит солнечная радиация еще? Не следует сбрасывать со счетов и фактор мутности. Ведь ослабление радиации происходит двумя путями - собственно атмосферой и водяным паром, а также различными примесями. Уровень запыленности возрастает летом (как и содержание в атмосфере водяного пара).

Суммарная радиация

Под ней подразумевается общее количество радиации, падающей на земную поверхность, - и прямой, и рассеянной. Суммарная солнечная радиация уменьшается при облачной погоде.

По этой причине летом суммарная радиация в среднем выше до полудня, чем после него. А в первом полугодии - больше, чем во втором.

Что происходит с суммарной радиацией на земной поверхности? Попадая туда, она в большинстве своем поглощается верхним слоем почвы или воды и превращается в тепло, часть ее при этом отражается. Степень отражения зависит от характера земной поверхности. Показатель, выражающий процентное отношение отраженной солнечной радиации к общему ее количеству, попадающему на поверхность, именуют альбедо поверхности.

Под понятием собственного излучения земной поверхности понимают длинноволновую радиацию, излучаемую растительностью, снежным покровом, верхними слоями воды и почвы. Радиационным балансом поверхности именуют разность между ее поглощенным количеством и излучаемым.

Эффективное излучение

Доказано, что встречное излучение практически всегда меньше, чем земное. Из-за этого поверхность земли несет тепловые потери. Разность величин собственного излучения поверхности и атмосферного получило название эффективного излучения. Это фактически чистая потеря энергии и как результат - тепла ночью.

Существует оно и в дневные часы. Но в течение дня частично компенсируется или даже перекрывается поглощенной радиацией. Поэтому поверхность земли теплее днем, чем ночью.

О географическом распределении радиации

Солнечная радиация на Земле в течение года распределяется неравномерно. Ее распределение несет зональный характер, причем изолинии (соединяющие точки одинаковых значений) радиационного потока вовсе не идентичны широтным кругам. Такое несоответствие вызвано различными уровнями облачности и прозрачности атмосферы в разных районах Земного шара.

Наибольшее значение суммарная солнечная радиация в течение года имеет в субтропических пустынях с малооблачной атмосферой. Гораздо меньше оно в лесных областях экваториального пояса. Причина этого - повышенная облачность. По направлению к обоим полюсам этот показатель убывает. Но в районе полюсов возрастает заново - в северном полушарии меньше, в районе снежной и малооблачной Антарктиды - больше. Над поверхностью океанов в среднем солнечная радиация меньше, чем над материками.

Почти повсюду на Земле поверхность имеет положительный радиационный баланс, то есть за одно и то же время приток радиации больше эффективного излучения. Исключение составляют области Антарктиды и Гренландии с их ледяными плато.

Грозит ли нам глобальное потепление?

Но вышесказанное не означает ежегодного потепления земной поверхности. Излишек поглощенной радиации компенсируется утечкой тепла с поверхности в атмосферу, что происходит при изменениях фазы воды (испарении, конденсации в виде облаков).

Таким образом, радиационного равновесия как такового на поверхности Земли не существует. Зато имеет место тепловое равновесие - поступление и убыль тепла уравновешивается разными путями, в том числе радиационным.

Распределение баланса по карте

В одних и тех же широтах Земного шара радиационный баланс больше на поверхности океана, чем над сушей. Объяснить это можно тем, что слой, поглощающий радиацию, в океанах имеет большую толщину, в то же время эффективное излучение там меньше из-за холода морской поверхности по сравнению с сушей.

Значительные колебания амплитуды распределения его наблюдаются в пустынях. Баланс там ниже из-за высокого эффективного излучения в условиях сухого воздуха и малой облачности. В меньшей степени он понижен в районах муссонного климата. В теплый сезон облачность там повышена, а поглощенная солнечная радиация меньше, чем в других районах той же широты.

Конечно же, главный фактор, от которого зависит среднегодовое солнечное излучение, это широта того или иного района. Рекордные "порции" ультрафиолета достаются странам, расположенным вблизи экватора. Это Северо-Восточная Африка, ее восточное побережье, Аравийский полуостров, север и запад Австралии, часть островов Индонезии, западная часть побережья Южной Америки.

В Европе самую большую дозу как света, так и радиации принимают на себя Турция, юг Испании, Сицилия, Сардиния, острова Греции, побережье Франции (южная часть), а также часть областей Италии, Кипр и Крит.

А как у нас?

Солнечная суммарная радиация в России распределена, на первый взгляд, неожиданно. На территории нашей страны, как ни странно, вовсе не черноморские курорты держат пальму первенства. Самые большие дозы солнечного излучения приходятся на территории, пограничные с Китаем, и Северную Землю. В целом солнечная радиация в России особой интенсивностью не отличается, что вполне объясняется нашим северным географическим положением. Минимальное количество солнечного света достается северо-западному региону - Санкт-Петербургу вместе с прилегающими районами.

Солнечная радиация в России уступает показателям Украины. Там больше всего ультрафиолета достается Крыму и территориям за Дунаем, на втором месте - Карпаты с южными областями Украины.

Суммарная (к ней относится и прямая, и рассеянная) солнечная радиация, попадающая на горизонтальную поверхность, приводится по месяцам в специально разработанных таблицах для разных территорий и измеряется в МДж/м 2 . Например, солнечная радиация в Москве имеет показатели от 31-58 в зимние месяцы до 568-615 летом.

О солнечной инсоляции

Инсоляция, или объем полезного излучения, падающего на освещаемую солнцем поверхность, значительно варьируется в разных географических точках. Годовая инсоляция рассчитывается на один квадратный метр в мегаваттах. Например, в Москве эта величина - 1,01, в Архангельске - 0,85, в Астрахани - 1,38 МВт.

При определении ее нужно учитывать такие факторы, как время года (зимой ниже освещенность и долгота дня), характер местности (горы могут загораживать солнце), характерные для данной местности погодные условия - туман, частые дожди и облачность. Световоспринимающая плоскость может быть ориентирована вертикально, горизонтально или под наклоном. Количество инсоляции, как и распределение солнечной радиации в России, представляет собой данные, сгруппированные в таблицу по городам и областям с указанием географической широты.

(Q) представляет собой совокупность прямой солнечной радиации, поступающей непосредственно от солнца, и рассеянной радиации (лучистой энергии, рассеянной облаками и самой ).

Суммарная радиация при безоблачном небе (возможная радиация) зависит от широты места, высоты солнца, характера подстилающей поверхности и прозрачности атмосферы, т.е. от содержания в ней аэрозолей и . Увеличение содержания аэрозолей приводит к снижению прямой радиации и увеличению рассеянной. Последнее происходит также при увеличении альбедо подстилающей поверхности. Доля рассеянной радиации в суммарной при безоблачном небе составляет 20–25 %.

Распределение по территории России месячных и годовых сумм суммарной радиации при безоблачном небе приведено в таблице в виде осредненных по широте значений.

Во все сезоны года суммы суммарной радиации возрастают с севера на юг в соответствии с изменением высоты солнца. Исключение составляет период с мая по июль, когда сочетание большой продолжительности дня и высоты солнца обеспечивает довольно высокие значения суммарной радиации на севере.

Для суммарной радиации при безоблачном небе характерно наличие более высоких значений в Азиатской части по сравнению с Европейской.

В условиях ясного неба суммарная радиация имеет простой суточный ход с максимумом в полдень. В годовом ходе максимум отмечается в июне - месяце наибольшей высоты солнца.

Месячный и годовой приход суммарной радиации при действительных условиях составляет лишь часть возможного, что является проявлением влияния облачности. Наибольшие отклонения реального месячного прихода от возможного отмечаются летом на Дальнем Востоке, где под влиянием муссона облачность снижает суммарную радиацию на 40–60%. В целом за год наибольшую долю от возможной суммарная радиация составляет в самых южных районах России - до 80%.

При наличии облачности суммарная радиация определяется не только количеством и формой облаков, но и состоянием солнечного диска. При открытом солнечном диске появление облачности приводит к увеличению суммарной радиации вследствие роста рассеянной. В отдельные дни рассеянная радиация может быть соизмерима с прямой. В этих случаях суточный приход суммарной радиации может превосходить радиацию при безоблачном небе.

В годовом ходе суммарной радиации определяющим является астрономический фактор, однако из-за влияния облачности максимальный приход радиации может наблюдаться не в июне, как это характерно для безоблачного неба, а в июле и даже в мае.

Буду благодарен, если Вы поделитесь этой статьей в социальных сетях:

Солнечная радиация - ведущий климатообразующий фактор и практически единственный источник энергии для всех физических процессов, происходящих на земной поверхности и в ее атмосфере. Она обусловливает жизнедеятельность организмов, создавая тот или иной температурный режим; приводит к возникновению облаков и выпадению осадков; является основополагающей причиной общей циркуляции атмосферы, тем самым оказывая огромное влияние на жизнь людей во всех ее проявлениях. В строительстве и архитектуре солнечная радиация является важнейшим средовым фактором - от нее зависит ориентация зданий, их конструктивные, объемно-планировочные, колористические, пластические решения и многие другие особенности.

Согласно ГОСТ Р 55912-2013 «Климатология строительная» приняты следующие определения и понятия, связанные с солнечной радиацией:

• прямая радиация - часть суммарной солнечной радиации, поступающей на поверхности в виде пучка параллельных лучей, приходящих непосредственно от видимого диска солнца;
• рассеянная солнечная радиация - часть суммарной солнечной радиации, поступающей на поверхности со всего небосвода после рассеяния в атмосфере;
• отраженная радиация - часть суммарной солнечной радиации, отраженной от подстилающей поверхности (в том числе от фасадов, кровель зданий);
• интенсивность солнечной радиации - количество солнечной радиации, проходящее за единицу времени через единичную площадку, расположенную перпендикулярно лучам.

Все величины солнечной радиации в современных отечественных ГОСТах, СП (СНиПах) и других нормативных документах, связанных со строительством и архитектурой, измеряются в киловаттах в час на 1 м 2 (кВт ч/м 2). За единицу времени, как правило, принимается месяц. Чтобы получить мгновенное (секундное) значение мощности потока солнечной радиации (кВт/м 2), приведенную за месяц величину следует разделить на количество дней в месяце, количестве часов в сутках и секунд в часах.

Во многих ранних изданиях нормативных документов по строительству и во многих современных справочниках по климатологии значения солнечной радиации приводятся в мегаджоулях или килокалориях на м 2 (МДж/м 2 , Ккал/м 2). Коэффициенты перевода этих величин из одной в другую приведены в приложении 1.

Физическая сущность. Солнечная радиация приходит к Земле от Солнца. Солнце - ближайшая к нам звезда, которая в среднем отстоит от Земли на 149 450 000 км. В начале июля, когда Земля наиболее удалена от Солнца («афелий»), это расстояние увеличивается до 152 млн км, а в начале января оно уменьшается до 147 млн км («перигелий»).

Внутри солнечного ядра температура превышает 5 млн К, а давление больше земного в несколько миллиардов раз, вследствие чего водород превращается в гелий. В ходе этой термоядерной реакции и рождается лучистая энергия, которая распространяется от Солнца по всем направлениям в виде электромагнитных волн. При этом к Земле приходит целый спектр длин волн, который в метеорологии принято делить на коротковолновый и длинноволновый участки. Коротковолновой называют радиацию в диапазоне длин волн от 0,1 до 4 мкм (1 мкм = 10~ 6 м). Радиацию с большими длинами (от 4 до 120 мкм) относят к длинноволновой. Солнечная радиация является преимущественно коротковолновой - на указанный диапазон длин волн приходится 99% всей энергии солнечного излучения, в то время как земная поверхность и атмосфера излучают длинноволновую радиацию, а коротковолновую могут только отражать.

Солнце является источником не только энергии, но и света. Видимый свет занимает узкий интервал длин волн, всего от 0,40 до 0,76 мкм, однако в этом интервале заключается 47% всей солнечной лучистой энергии. Свет с длиной волны около 0,40 мкм воспринимается как фиолетовый, с длиной волны около 0,76 мкм - как красный. Все остальные длины волн человеческий глаз не воспринимает, т.е. они невидимы для нас 1 . На инфракрасное излучение (от 0,76 до 4 мкм) приходится 44%, а на ультрафиолетовое (от 0,01 до 0,39 мкм) - 9% всей энергии. Максимум энергии в спектре солнечной радиации на верхней границе атмосферы лежит в сине-голубой области спектра, а у поверхности земли - в желто-зеленой.

Количественной мерой солнечной радиации, поступающей на некоторую поверхность, служит энергетическая освещенность, или поток солнечной радиации, - количество лучистой энергии, падающей на единицу площади в единицу времени. Максимальное количество солнечной радиации поступает на верхнюю границу атмосферы и характеризуется величиной солнечной постоянной. Солнечная постоянная - это поток солнечной радиации на верхней границе земной атмосферы через площадку, перпендикулярную солнечным лучам, при среднем расстоянии Земли от Солнца. По последним данным, утвержденным Всемирной Метеорологической Организацией (ВМО) в 2007 г., эта величина составляет 1,366 кВт/м 2 (1366 Вт/м 2).

До земной поверхности доходит значительно меньшее количество солнечной радиации, поскольку по мере движения солнечных лучей через атмосферу радиация претерпевает ряд существенных изменений. Часть ее поглощается атмосферными газами и аэрозолями и переходит в теплоту, т.е. идет на нагревание атмосферы, а часть рассеивается и переходит в особую форму рассеянной радиации.

Процесс поглощения радиации в атмосфере носит селективный характер - разные газы поглощают ее в разных участках спектра и в разной степени. Основными газами, поглощающими солнечную радиацию, являются водяной пар (Н 2 0), озон (0 3) и углекислый газ (С0 2). Например, как было сказано выше, стратосферный озон полностью поглощает вредную для живых организмов радиацию с длинами волн короче 0,29 мкм, именно поэтому озоновый слой является естественным щитом существования жизни на Земле. В среднем озоном поглощается около 3% солнечного излучения. В красной и инфракрасной областях спектра наиболее существенно солнечную радиацию поглощает водяной пар. В этой же области спектра находятся полосы поглощения углекислого газа, однако

Более подробно о свете и цвете говорится в других разделах дисциплины «Архитектурная физика».

в целом поглощение им прямой радиации невелико. Поглощение солнечной радиации происходит и аэрозолями естественного и антропогенного происхождения, особенно сильно - частицами сажи. Всего водяным паром и аэрозолями поглощается около 15% солнечной радиации, облаками - примерно 5%.

Рассеяние радиации представляет собой физический процесс взаимодействия электромагнитного излучения и вещества, в ходе которого молекулы и атомы поглощают часть радиации, а потом переизлучают ее во всех направлениях. Это очень важный процесс, который зависит от соотношения величины рассеивающих частиц и длины волны падающего излучения. В абсолютно чистом воздухе, где рассеяние производится только молекулами газов, оно подчиняется закону Рэлея , т.е. обратно пропорционально четвертой степени длины волны рассеиваемых лучей. Таким образом, голубой цвет неба - это цвет самого воздуха, обусловленный рассеянием в нем солнечных лучей, поскольку фиолетовые и голубые лучи рассеиваются воздухом гораздо лучше, чем оранжевые и красные.

Если в воздухе присутствуют частицы, размеры которых сравнимы с длиной волны излучения - аэрозоли, капельки воды, кристаллы льда, - то рассеяние не будет подчиняться закону Рэлея, и рассеянная радиация окажется не так богата коротковолновыми лучами. На частицах же диаметром больше 1-2 мкм будет происходить не рассеяние, а диффузное отражение, что определяет белесый цвет неба.

Рассеяние играет огромную роль в формировании естественной освещенности: в отсутствие Солнца в дневное время оно создает рассеянный (диффузный) свет. Если бы не было рассеяния, светло было бы только там, куда попадали бы прямые солнечные лучи. Сумерки и заря, цвет облаков на восходе и закате также связаны с этим явлением.

Итак, к земной поверхности солнечная радиация поступает в виде двух потоков: прямой и рассеянной радиации.

Прямая радиация (5) приходит к земной поверхности непосредственно от солнечного диска. При этом максимально возможное количество радиации получит единичная площадка, расположенная перпендикулярно к солнечным лучам (5). На единицу горизонтальной поверхности придется меньшее количество лучистой энергии У, называемое также инсоляцией :

У = ?-8шА 0 , (1.1)

где И 0 - высота Солнца над горизонтом, определяющая угол падения солнечных лучей на горизонтальную поверхность.

Рассеянная радиация (/)) поступает на земную поверхность от всех точек небесного свода, за исключением солнечного диска.

Всю солнечную радиацию, приходящую на земную поверхность, называют суммарной солнечной радиацией (0:

• (1.2)
• 0 = + /) = И 0 + /).

Приход этих видов радиации существенно зависит не только от астрономических причин, но и от облачности. Поэтому в метеорологии принято различать возможные суммы радиации , наблюдающиеся при безоблачных условиях, и действительные суммы радиации , имеющие место при реальных условиях облачности.

Не вся падающая на земную поверхность солнечная радиация поглощается ею и превращается в тепло. Часть ее отражается и, следовательно, теряется подстилающей поверхностью. Эта часть называется отраженной радиацией (/? к), а ее величина зависит от альбедо земной поверхности (Л к):

А к = - 100%.

Величина альбедо измеряется в долях единицы или в процентах. В строительстве и архитектуре чаще используются доли единицы. В них также измеряются отражательная способность строительных и отделочных материалов, светлота окраски фасадов и т.д. В климатологии принято измерение альбедо в процентах.

Альбедо оказывает значительное влияние на процессы формирования климата Земли, так как является интегральным показателем отражательной способности подстилающей поверхности. Оно зависит от состояния этой поверхности (шероховатости, цвета, увлажненности) и меняется в очень широких пределах. Самые высокие значения альбедо (до 75%) характерны для свежевыпавшего снега, а самые низкие - для водной поверхности при отвесном падении солнечных лучей («3%). Альбедо поверхности почвы и растительности в среднем меняется от 10 до 30%.

Если рассматривать всю Землю в целом, то ее альбедо составляет 30%. Эта величина носит название планетарного альбедо Земли и представляет собой отношение уходящей в космос отраженной и рассеянной солнечной радиации к общему количеству радиации, поступающей к атмосфере.

На территории городов альбедо, как правило, ниже, чем в естественных, ненарушенных ландшафтах. Характерное значение альбедо для территории крупных городов умеренного климата составляет 15-18%. В южных городах альбедо, как правило, выше за счет применения более светлых тонов в окраске фасадов и кровель, в северных городах с плотной застройкой и темными колористическими решениями зданий альбедо ниже. Это позволяет в южных жарких странах уменьшать количество поглощенной солнечной радиации, снижая тем самым тепловой фон застройки, а в северных холодных районах, наоборот, увеличивать долю поглощенной солнечной радиации, повышая общий тепловой фон.

Поглощенная радиация (*У П0ГЛ) называется также балансом коротковолновой радиации (В к) и представляет собой разность суммарной и отраженной радиации (двух коротковолновых потоков):

^погл = 5 к = 0~ Я К- (1.4)

Она нагревает верхние слои земной поверхности и все, что на ней расположено (растительный покров, дороги, здания, сооружения и т.д.), вследствие чего они излучают длинноволновую радиацию, невидимую человеческим глазом. Эту радиацию чаще называют собственным излучением земной поверхности (? 3). Величина ее, согласно закону Стефана - Больцмана, пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры.

Атмосфера также излучает длинноволновую радиацию, большая часть которой приходит к земной поверхности и почти полностью поглощается ею. Эту радиацию называют встречным излучением атмосферы (Е а). Встречное излучение атмосферы возрастает с увеличением облачности и влажности воздуха и является очень важным источником тепла для земной поверхности. Тем не менее длинноволновое излучение атмосферы всегда немного меньше земного, за счет чего земная поверхность теряет тепло, а разница между этими значениями называется эффективным излучением Земли (Е эф).

В среднем в умеренных широтах земная поверхность через эффективное излучение теряет примерно половину того количества тепла, которое она получает от поглощенной солнечной радиации. Поглощая земное излучение и посылая встречное излучение к земной поверхности, атмосфера уменьшает охлаждение этой поверхности в ночное время суток. Днем же она мало препятствует нагреванию поверхности Земли. Это влияние земной атмосферы на тепловой режим земной поверхности и носит название парникового эффекта. Таким образом, явление парникового эффекта состоит в удерживании тепла вблизи поверхности Земли. Большую роль в этом процессе играют газы техногенного происхождения, прежде всего - углекислый газ, концентрация которого на территории городов особенно высока. Но главная роль все же принадлежит газам естественного происхождения.

Основной субстанцией в атмосфере, поглощающей длинноволновое излучение Земли и посылающей встречное излучение, является водяной пар. Он поглощает практически всю длинноволновую радиацию за исключением интервала длин волн от 8,5 до 12 мкм, который называется «окном прозрачности» водяного пара. Только в этом интервале земное излучение проходит в мировое пространство сквозь атмосферу. Кроме водяного пара сильно поглощает длинноволновое излучение углекислый газ, причем именно в окне прозрачности водяного пара, гораздо слабее - озон, а также метан, оксид азота, хлорфторуглероды (фреоны) и некоторые другие газовые примеси.

Удержание тепла вблизи земной поверхности - очень важный процесс для поддержания жизни. Не будь его, средняя температура у Земли была бы на 33°С ниже существующей, и на Земле вряд ли могли бы обитать живые организмы. Поэтому дело не в парниковом эффекте как таковом (ведь он возник с момента образования атмосферы), а в том, что под влиянием антропогенной деятельности происходит усиление этого эффекта. Причина - в быстром росте концентрации парниковых газов техногенного происхождения, в основном - С0 2 , выбрасываемого при сжигании органического топлива. Это может привести к тому, что при той же поступающей радиации доля остающегося на планете тепла увеличится, а следовательно, увеличится и температура земной поверхности и атмосферы. За последние 100 лет температура воздуха нашей планеты в среднем увеличилась на 0,6°С.

Считается, что при удвоении концентрации С0 2 относительно ее доиндустриального значения глобальное потепление составит около 3°С (по разным оценкам - от 1,5 до 5,5°С). При этом наибольшие изменения должны произойти в тропосфере высоких широт в осенне-зимний период. Как следствие, начнет таять лед в Арктике и Антарктиде и уровень Мирового океана начнет повышаться. Это повышение может составить от 25 до 165 см, а значит, многие города, расположенные в прибрежных зонах морей и океанов, будут затоплены.

Таким образом, это очень важная проблема, касающаяся жизни миллионов людей. Учитывая это в 1988 г. в Торонто состоялась первая Международная конференция по проблеме антропогенного изменения климата. Ученые пришли к выводу, что последствия усиления парникового эффекта из-за роста содержания в атмосфере углекислого газа уступают лишь последствиям мировой ядерной войны. Тогда же при Организации Объединенных Наций (ООН) была образована Межправительственная группа экспертов по проблемам изменения климата - МГЭИК (IPCC - Intergovernmental Panel on Climate Change ), которая изучает влияние повышения приземной температуры на климат, экосистему Мирового океана, биосферу в целом, в том числе на жизнь и здоровье населения планеты.

В 1992 г. в Нью-Йорке была принята Рамочная конвенция об изменении климата (РКИК), главной целью которой провозглашено обеспечение стабилизации концентраций парниковых газов в атмосфере на уровнях, позволяющих предотвратить опасные последствия вмешательства человека в климатическую систему. Для практической реализации конвенции в декабре 1997 г. в г. Киото (Япония) на международной конференции был принят Киотский протокол. В нем определены конкретные квоты на выброс парниковых газов странами-участницами, в том числе и Россией, ратифицировавшей этот Протокол в 2005 г.

К моменту написания данной книги одной из последних конференций, посвященных климатическим изменениям, является Конференция по климату в Париже, проходившая с 30 ноября по 12 декабря 2015 г. Цель этой конференции - подписание международного соглашения по сдерживанию увеличения средней температуры планеты к 2100 г. не выше 2°С.

Итак, в результате взаимодействия разнообразных потоков коротковолновой и длинноволновой радиации земная поверхность непрерывно получает и теряет тепло. Результирующей величиной прихода и расхода радиации является радиационный баланс (В ), который и определяет тепловое состояние земной поверхности и приземного слоя воздуха, а именно их нагревание или охлаждение:

В = Q -« к - ?эф = 60 - А )-? эф =

= (5"sin/^ > + D)(l-А)-Е^ф = В к +В а. (

Данные о радиационном балансе необходимы для оценки степени нагревания и охлаждения различных поверхностей как в естественных условиях, так и в архитектурной среде, расчета теплового режима зданий и сооружений, определения испарения, теплоза-пасов в почве, нормирования орошения сельскохозяйственных полей и других народно-хозяйственных целей.

Методы измерения. Ключевое значение исследований радиационного баланса Земли для понимания закономерностей климата и формирования микроклиматических условий определяет основополагающую роль данных наблюдений за его составляющими - актинометрических наблюдений.

На метеорологических станциях России применяется термоэлектрический метод измерения радиационных потоков. Измеряемая радиация поглощается черной приемной поверхностью приборов, превращается в тепло и нагревает активные спаи термобатареи, тогда как пассивные спаи не нагреваются радиацией и имеют более низкую температуру. Вследствие различия температур активных и пассивных спаев на выводе термобатареи возникает термоэлектродвижущая сила, пропорциональная интенсивности измеряемой радиации. Таким образом, большинство актинометрических приборов являются относительными - они измеряют не сами потоки радиации, а пропорциональные им величины - силу тока или напряжение. Для этого приборы присоединяются, например, к цифровым мультиметрам, а ранее - к стрелочным гальванометрам. При этом в паспорте каждого прибора приводится так называемый «переводной множитель» - цена деления электроизмерительного прибора (Вт/м 2). Этот множитель рассчитывается путем сравнения показаний того или иного относительного прибора с показаниями абсолютных приборов - пиргелиометров.

Принцип действия абсолютных приборов иной. Так, в компенсационном пиргелиометре Ангстрема зачерненная металлическая пластинка выставляется на солнце, а другая такая же пластинка остается в тени. Между ними возникает разность температур, которая передается спаям термоэлемента, прикрепленным к пластинам, и таким образом возбуждается термоэлектрический ток. При этом через затененную пластину пропускается ток от батареи до тех пор, пока она не нагреется до той же температуры, что и пластина, находящаяся на солнце, после чего термоэлектрический ток исчезает. По силе пропущенного «компенсирующего» тока можно определить количество тепла, полученного зачерненной пластиной, которое, в свою очередь, будет равно количеству тепла, полученному от Солнца первой пластиной. Таким образом, можно определить величину солнечной радиации.

На метеостанциях России (а ранее - СССР), проводящих наблюдения за составляющими радиационного баланса, однородность рядов актинометрических данных обеспечивается использованием однотипных приборов и их тщательной градуировкой, а также одинаковой методикой измерений и обработки данных. В качестве приемников интегральной солнечной радиации (

В термоэлектрическом актинометре Савинова - Янишевского, внешний вид которого показан на рис. 1.6, приемная часть представляет собой тонкий металлический зачерненный диск из серебряной фольги, к которому через изоляцию приклеены нечетные (активные) спаи термобатареи. При измерениях этот диск поглощает солнечную радиацию, вследствие чего температура диска и активных спаев повышается. Четные же (пассивные) спаи через изоляцию приклеены к медному кольцу в корпусе прибора и имеют температуру, близкую к температуре наружного воздуха. Эта разность температур при замыкании внешней цепи термобатареи и создает термоэлектрический ток, сила которого пропорциональна интенсивности солнечной радиации.

Рис. 1.6.

В пиранометре (рис. 1.7) приемная часть чаще всего представляет собой батарею термоэлементов, например из манганина и кон-стантана, с зачерненными и белыми спаями, которые неодинаково нагреваются под действием приходящей радиации. Приемная часть прибора должна иметь горизонтальное положение, чтобы воспринимать рассеянную радиацию со всего небесного свода. От прямой радиации пиранометр затеняется экраном, а от встречного излучения атмосферы защищен стеклянным колпаком. При измерениях суммарной радиации пиранометр от прямых лучей не затеняют.

Рис. 1.7.

Специальное устройство (откидная плита) позволяет придавать головке пиранометра два положения: приемником вверх и приемником вниз. В последнем случае пиранометр измеряет отраженную от земной поверхности коротковолновую радиацию. В маршрутных наблюдениях для этого применяют так называемый походный алъбе-дометр, представляющий собой головку пиранометра, соединенную с опрокидывающимся кардановым подвесом с рукояткой.

Термоэлектрический балансомер состоит из корпуса с термобатареей, двух приемных пластинок и рукоятки (рис. 1.8). В дискообразном корпусе (/) имеется квадратный вырез, где укреплена термобатарея (2). Рукоять (3 ), припаянная к корпусу, служит для установки балансомера на стойке.

Рис. 1.8.

Одна зачерненная приемная пластинка балансомера направлена вверх, другая - вниз, к земной поверхности. Принцип действия незатененного балансомера основан на том, что все виды радиации, приходящей к деятельной поверхности (У, /) и Е а), поглощаются зачерненной приемной поверхностью прибора, обращенной вверх, а все виды радиации, уходящей от деятельной поверхности (/? к, /? л и Е 3), поглощаются пластиной, направленной вниз. Каждая приемная пластинка сама также излучает длинноволновую радиацию, кроме того, происходит теплообмен с окружающим воздухом и корпусом прибора. Однако благодаря высокой теплопроводности корпуса происходит большая отдача тепла, что не позволяет образовываться существенной разности температур приемных пластинок. По этой причине собственным излучением обоих пластин можно пренебречь, а по разности их нагрева - определить величину радиационного баланса любой поверхности, в плоскости которой расположен балансомер.

Поскольку приемные поверхности балансомера не закрыты стеклянным колпаком (иначе было бы невозможно измерить длинноволновую радиацию), показания этого прибора зависят от скорости ветра, уменьшающего разность температур приемных поверхностей. По этой причине показания балансомера приводят к штилевым условиям, предварительно измерив скорость ветра на уровне прибора.

Для автоматической регистрации измерений термоэлектрический ток, возникающий в описанных выше приборах, подводят на самопишущий электронный потенциометр. Изменения силы тока записываются на движущейся бумажной ленте, при этом актинометр должен автоматически вращаться так, чтобы его приемная часть следовала за Солнцем, а пиранометр должен быть всегда затенен от прямой радиации особой кольцевой защитой.

Актинометрические наблюдения, в отличие от основных метеонаблюдений, проводятся шесть раз в сутки в сроки: 00 ч 30 мин, 06 ч 30 мин, 09 ч 30 мин, 12 ч 30 мин, 15 ч 30 мин и 18 ч 30 мин. Поскольку интенсивность всех видов коротковолновой радиации зависит от высоты Солнца над горизонтом, сроки наблюдений устанавливаются по среднему солнечному времени станции.

Характерные значения. Величины потоков прямой и суммарной радиации играют одну из важнейших ролей в архитектурно-климатическом анализе. Именно с их учетом связаны ориентация зданий по сторонам горизонта, их объемно-планировочное и колористическое решение, внутренняя планировка, размеры светопроемов и ряд других архитектурных особенностей. Поэтому суточный и годовой ход характерных значений будет рассмотрен именно для этих величин солнечной радиации.

Энергетическая освещенность прямой солнечной радиации в условиях безоблачного неба зависит от высоты солнца, свойств атмосферы на пути солнечного луча, характеризуемой коэффициентом прозрачности (величиной, показывающей, какая доля солнечной радиации доходит до земной поверхности при отвесном падении солнечных лучей) и от длины этого пути.

Прямая солнечная радиация при безоблачном небе имеет довольно простой суточный ход с максимумом в околополуденные часы (рис. 1.9). Как следует из рисунка, в течение дня поток солнечной радиации сначала быстро, потом медленнее нарастает от восхода Солнца до полудня и сначала медленно, потом быстро убывает от полудня до захода Солнца. Различия в энергетической освещенности в полдень при ясном небе в январе и июле в первую очередь связаны с различиями в полуденной высоте Солнца, которая зимой меньше, чем летом. В то же время в континентальных районах часто наблюдается асимметричность суточного хода, обусловленная различием прозрачности атмосферы в до- и послеполуденные часы. Влияет прозрачность атмосферы и на годовой ход среднемесячных значений прямой солнечной радиации. Максимум радиации при безоблачном небе может смещаться на весенние месяцы, поскольку весной запыленность и влагосодержание атмосферы ниже, чем осенью.

5 1 , кВт/м 2

б", кВт/м 2

Рис. 1.9.

и при средних условиях облачности (б):

7 - на перпендикулярную к лучам поверхность в июле; 2 - на горизонтальную поверхность в июле; 3 - на перпендикулярную поверхность в январе; 4 - на горизонтальную поверхность в январе

Облачность снижает приход солнечной радиации и может существенно изменить ее суточный ход, что проявляется в соотношении до- и послеполуденных часовых сумм. Так, в большей части континентальных районов России в весенне-летние месяцы часовые суммы прямой радиации в дополуденные часы больше, чем в послеполуденные (рис. 1.9, б). Это в основном определяется суточным ходом облачности, которая начинает развиваться в 9-10 часов утра и достигает максимума в послеполуденные часы, уменьшая, таким образом, радиацию. Общее же снижение притока прямой солнечной радиации при действительных условиях облачности может быть очень существенным. Например, во Владивостоке с его муссонным климатом эти потери летом составляют 75%, а в Санкт-Петербурге даже в среднем за год облака не пропускают к земной поверхности 65% прямой радиации, в Москве - около половины.

Распределение годовых сумм прямой солнечной радиации при средних условиях облачности по территории России показано на рис. 1.10. В значительной степени этот фактор, снижающий количество солнечной радиации, зависит от циркуляции атмосферы, что приводит к нарушению широтного распределения радиации.

Как видно из рисунка, в целом годовые суммы прямой радиации, приходящей на горизонтальную поверхность, увеличиваются от высоких широт к более низким от 800 до почти 3000 МДж/м 2 . Большое количество облаков в европейской части России приводит к уменьшению годовых сумм по сравнению с районами Восточной Сибири, где в основном за счет влияния азиатского антициклона в зимний период годовые суммы возрастают. В то же время летний муссон приводит к уменьшению годового прихода радиации в прибрежных районах на Дальнем Востоке. Диапазон изменения полуденной интенсивности прямой солнечной радиации на территории России изменяется от 0,54-0,91 кВт/м 2 летом до 0,02-0,43 кВт/м 2 зимой.

Рассеянная радиация, поступающая на горизонтальную поверхность, также изменяется в течение дня, возрастая до полудня и убывая после него (рис. 1.11).

Как и в случае с прямой солнечной радиацией, на приход рассеянной радиации влияет не только высота солнца и продолжительность дня, но и прозрачность атмосферы. Однако уменьшение последней ведет к увеличению рассеянной радиации (в отличие от прямой). Кроме того, рассеянная радиация в очень широких пределах зависит от облачности: при средних условиях облачности ее приход более чем в два раза превосходит значения, наблюдающиеся при ясном небе. В отдельные же дни облачность увеличивает этот показатель в 3-4 раза. Таким образом, рассеянная радиация может существенно дополнять прямую, особенно при низком положении Солнца.

Рис. 1.10. Прямая солнечная радиация, поступающая на горизонтальную поверхность при средних условиях облачности, МДж/м 2 в год (1 МДж/м 2 = 0,278 кВт? ч/м 2)

/), кВт/м 2 0,3 г

• 0,2 -
• 0,1 -

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Часы

Рис. 1.11.

и при средних условиях облачности (б)

Величина рассеянной солнечной радиации в тропиках составляет от 50 до 75% прямой; под 50-60° широты она близка к прямой, а в высоких широтах почти весь год превышает прямую солнечную радиацию.

Очень важным фактором, влияющим на поток рассеянной радиации, является альбедо подстилающей поверхности. Если альбедо достаточно велико, то отраженная от подстилающей поверхности радиация, рассеиваемая атмосферой в обратном направлении, может обусловить значительное увеличение прихода рассеянной радиации. Наиболее сильно эффект проявляется при наличии снежного покрова, обладающего наибольшей отражательной способностью.

Суммарная радиация при безоблачном небе (возможная радиация) зависит от широты места, высоты солнца, оптических свойств атмосферы и характера подстилающей поверхности. В условиях ясного неба она имеет простой суточный ход с максимумом в полдень. Асимметрия суточного хода, характерная для прямой радиации, в суммарной радиации проявляется мало, так как уменьшение прямой радиации в связи с ростом замутнения атмосферы во второй половине дня компенсируется увеличением рассеянной благодаря тому же фактору. В годовом ходе максимальная интенсивность суммарной радиации при безоблачном небе на большей части тер-

ритории России наблюдается в июне в связи с максимальной полуденной высотой солнца. Однако в некоторых районах это влияние перекрывается влиянием прозрачности атмосферы, и максимум смещается на май (например, в Забайкалье, Приморье, на Сахалине и в ряде районов Восточной Сибири). Распределение месячных и годовых сумм суммарной солнечной радиации при безоблачном небе приведено в табл. 1.9 и на рис. 1.12 в виде осредненных по широтам значений.

Из приведенных таблицы и рисунка видно, что во все сезоны года как интенсивность, так и суммы радиации возрастают с севера на юг в соответствии с изменением высоты солнца. Исключение составляет период с мая по июль, когда сочетание большой продолжительности дня и высоты солнца обеспечивает довольно высокие значения суммарной радиации на севере и в целом на территории России поле радиации размыто, т.е. не имеет выраженных градиентов.

Таблица 1.9

Суммарная солнечная радиация на горизонтальную поверхность

при безоблачном небе (кВт ч/м 2)

	Географическая широта, ° с.ш.
Сентябрь

Рис. 1.12. Суммарная солнечная радиация на горизонтальную поверхность при безоблачном небе на различных широтах (1 МДж/м 2 = 0,278 кВт ч/м 2)

При наличии облачности суммарная солнечная радиация определяется не только количеством и формой облаков, но и состоянием солнечного диска. При просвечивающем сквозь облака солнечном диске суммарная радиация по сравнению с безоблачными условиями может даже увеличиваться вследствие роста рассеянной радиации.

Для средних условий облачности наблюдается вполне закономерный суточный ход суммарной радиации: постепенное нарастание от восхода солнца до полудня и убывание от полудня до захода. В то же время суточный ход облачности нарушает симметрию хода относительно полудня, характерную для безоблачного неба. Так, в большинстве районов России в теплый период дополуденные значения суммарной радиации на 3-8% превышают послеполуденные, за исключением муссонных областей Дальнего Востока, где соотношение обратное. В годовом ходе средних многолетних месячных сумм суммарной радиации наряду с определяющим астрономическим фактором проявляется циркуляционный (через влияние облачности), поэтому максимум может смещаться с июня на июль и даже на май (рис. 1.13).

• 600 -
• 500 -
• 400 -
• 300 -
• 200 -

м. Челюскин

Салехард

Архангельск

С.-Петербург

Петропавловск

Камчатский

Хабаровск

Астрахань

Рис. 1.13. Суммарная солнечная радиация на горизонтальную поверхность в отдельных городах России при реальных условиях облачности (1 МДж/м 2 = 0,278 кВт ч/м 2)

5", МДж/м 2 700

Итак, реальный месячный и годовой приход суммарной радиации составляет лишь часть возможного. Самые большие отклонения реальных сумм от возможных летом отмечаются на Дальнем Востоке, где облачность снижает суммарную радиацию на 40-60%. В целом же общий годовой приход суммарной радиации изменяется по территории России в широтном направлении, увеличиваясь от 2800 МДж/м 2 на побережьях северных морей до 4800- 5000 МДж/м 2 в южных районах России - Северном Кавказе, Нижнем Поволжье, Забайкалье и Приморском крае (рис. 1.14).

Рис. 1.14. Суммарная радиация, поступающая на горизонтальную поверхность, МДж/м 2 в год

Летом различия в суммарной солнечной радиации при реальных условиях облачности между городами, расположенными на разных широтах, не такие «драматичные», как это может показаться с первого взгляда. Для европейской части России от Астрахани до мыса Челюскин эти значения лежат в пределах 550-650 МДж/м 2 . Зимой в большинстве городов, за исключением Заполярья, где наступает полярная ночь, суммарная радиация составляет 50-150 МДж/м 2 в месяц.

Для сравнения: средние за январь показатели теплотности 1 городской застройки (рассчитанные по фактическим данным для Москвы), составляют от 220 МДж/м 2 в месяц в городских градостроительных узлах до 120-150 МДж/м 2 на межмагистральных территориях с низкоплотной жилой застройкой. На территориях производственных и коммунально-складских зон показатели теплотности в январе составляют 140 МДж/м 2 . Суммарная солнечная радиация в Москве составляет в январе 62 МДж/м 2 . Таким образом, в зимнее время за счет использования солнечной радиации возможно покрыть не более 10-15% (с учетом эффективности солнечных батарей 40%) расчетной теплотности застройки средней плотности даже в известных своей солнечной зимней погодой Иркутске и Якутске, даже если полностью покрыть их территорию фотоэлектрическими панелями.

Летом суммарная солнечная радиация возрастает в 6-9 раз, а те-плопотребление сокращается в 5-7 раз по сравнению с зимой. Показатели теплотности в июле снижаются до значений 35 МДж/м 2 и менее - на жилых территориях и 15 МДж/м 2 и менее - на территориях производственного назначения, т.е. до величин, составляющих не более 3-5% от суммарной солнечной радиации. Поэтому летом, когда потребности в отоплении и освещении минимальны, по всей территории России наблюдается избыток этого возобновляемого природного ресурса, который невозможно утилизировать, что еще раз ставит под сомнение целесообразность применения фотоэлектрических панелей, по крайней мере, в городах и многоквартирных зданиях.

Потребление электроэнергии (без отопления и горячего водоснабжения), также связанное с неравномерностью распределения общей площади застройки, плотности населения и функциональным назначением различных территорий, находится в пре-

Теплотность - усредненный показатель потребления всех видов энергии (электричество, отопление, горячее водоснабжение) на 1 м 2 территории застройки.

делах от 37 МДж/м 2 в месяц (рассчитано как 1/12 годовой суммы) в плотно застроенных районах и до 10-15 МДж/м 2 в месяц в районах с низкой плотностью застройки. В дневные часы и летом потребление электроэнергии, естественно, падает. Плотность потребления электроэнергии в июле в большинстве районов жилой и смешанной застройки составляет 8-12 МДж/м 2 при суммарной солнечной радиации в реальных условиях облачности в Москве около 600 МДж/м 2 . Таким образом, для покрытия нужд в электроснабжении городской застройки (на примере Москвы) требуется утилизировать лишь около 1,5-2% солнечной радиации. Остальная радиация, в случае ее утилизации, будет избыточной. При этом еще предстоит решить вопрос о накоплении и сохранении дневной солнечной радиации для освещения в вечернее и ночное время, когда нагрузки на системы электроснабжения максимальны, а солнце почти или совсем не светит. Для этого потребуется передача электроэнергии на большие расстояния между районами, где Солнце еще достаточно высоко, и теми, где Солнце уже зашло за горизонт. При этом потери электроэнергии в сетях будут сопоставимы с ее экономией за счет использования фотоэлектрических панелей. Либо потребуется использование аккумуляторных батарей большой емкости, производство, установка и последующая утилизация которых потребует энергозатрат, которые вряд ли покроются за счет экономии электроэнергии, накопленной за весь период их эксплуатации.

Другим, не менее важным фактором, делающим сомнительной целесообразность перехода на солнечные батареи как альтернативный источник электроснабжения в масштабах города, является то, что в конечном счете работа фотоэлементов приведет к значительному увеличению поглощенной на территории города солнечной радиации, а следовательно, к повышению температуры воздуха в городе в летнее время. Таким образом, одновременно с охлаждением за счет фотопанелей и запитываемых от них кондиционеров воздуха внутренней среды будет происходить общее повышение температуры воздуха в городе, что в конечном счете сведет к нулю всю выгоду экономическую и экологическую от экономии электроэнергии за счет использования пока еще очень дорогих фотоэлектрических панелей.

Отсюда следует, что установка оборудования для преобразования солнечной радиации в электричество оправдывает себя в весьма ограниченном перечне случаев: только летом, только в климатических районах с сухой жаркой малооблачной погодой, только в малых городах или отдельных коттеджных поселках и только если эта электроэнергия используется для работы установок по кондиционированию и вентиляции внутренней среды зданий. В иных случаях - других районах, других градостроительных условиях и в другое время года - применение фотоэлектрических панелей и солнечных коллекторов для нужд электро-и теплоснабжения рядовой застройки в средних и крупных городах, расположенных в умеренном климате, неэффективно.

Биоклиматическое значение солнечной радиации. Определяющая роль воздействия солнечной радиации на живые организмы сводится к участию в формировании их радиационного и теплового балансов за счет тепловой энергии в видимой и инфракрасной части солнечного спектра.

Видимые лучи имеют особенно большое значение для организмов. Большинство животных, как и человек, хорошо различают спектральный состав света, а некоторые насекомые видят даже в ультрафиолетовом диапазоне. Наличие светового зрения и световой ориентации является важным фактором выживания. Например, у человека наличие цветового зрения - один из наиболее психоэмоциональных и оптимизирующих факторов жизни. Пребывание в темноте оказывает противоположное действие.

Как известно, зеленые растения синтезируют органическое вещество и, следовательно, производят пищу для всех остальных организмов, в том числе человека. Этот важнейший для жизни процесс происходит при ассимиляции солнечного излучения, причем растениями используется определенный диапазон спектра в интервале длин волн 0,38-0,71 мкм. Эта радиация называется фотосинтетически активной радиацией (ФАР) и имеет очень большое значение для продуктивности растений.

Видимая часть света создает естественную освещенность. По отношению к ней все растения делятся на светолюбивые и теневыносливые. Недостаточная освещенность обусловливает слабость стебля, ослабляет образование колосьев и початков на растениях, снижает содержание сахара и количества масел в культурных растениях, затрудняет использование ими минерального питания и удобрений.

Биологическое действие инфракрасных лучей состоит в тепловом эффекте при их поглощении тканями растений и животных. При этом изменяется кинетическая энергия молекул, происходит ускорение электрических и химических процессов. За счет инфракрасной радиации компенсируется недостаток тепла (особенно в высокогорных районах и в высоких широтах), получаемого растениями и животными из окружающего пространства.

Ультрафиолетовое излучение по биологическим свойствам и воздействию на человека принято делить на три области: область А - с длинами волн от 0,32 до 0,39 мкм; область В - от 0,28 до 0,32 мкм и область С - от 0,01 до 0,28 мкм. Область А характеризуется сравнительно слабо выраженным биологическим действием. Она вызывает лишь флюоресценцию ряда органических веществ, у человека способствует образованию пигмента в коже и слабой эритемы (покраснение кожи).

Значительно более активными являются лучи области В. Многообразные реакции организмов на ультрафиолетовое облучение, изменения в коже, крови и т.д. в основном обусловлены ими. Известное витаминообразующее действие ультрафиолета заключается в том, что эргостерон питательных веществ переходит в витамин О, оказывающий сильное возбуждающее влияние на рост и обмен веществ.

Самое мощное биологическое действие на живые клетки оказывают лучи области С. Бактерицидное действие солнечного света в основном обусловлено ими. В небольших дозах ультрафиолетовые лучи необходимы растениям, животным и человеку, особенно детям. Однако в большом количестве лучи области С губительны для всего живого, и жизнь на Земле возможна лишь потому, что это коротковолновое излучение практически полностью задерживается озоновым слоем атмосферы. Особенно актуальным решение вопроса о воздействии избыточных доз ультрафиолетовой радиации на биосферу и человека стало в последние десятилетия в связи с истощением озонового слоя атмосферы Земли.

Действие ультрафиолетовой радиации (УФР), достигающей земной поверхности, на живой организм весьма разнообразно. Как было указано выше, в умеренных дозах она оказывает благотворное влияние: повышает жизненный тонус, усиливает стойкость организма к инфекционным заболеваниям. Недостаток УФР приводит к патологическим явлениям, которые получили название УФ недостаточности или УФ голодания и проявляются в недостатке витамина Э, что ведет к нарушению фосфорно-кальциевого обмена в организме.

Избыток УФР может привести к очень серьезным последствиям: образованию рака кожи, развитию других онкологических образований, появлению фотокератита («снежная слепота»), фотоконъюнктивита и даже катаракты; нарушению иммунной системы живых организмов, а также мутагенным процессам в растениях; изменению свойств и разрушению полимерных материалов, широко использующихся в строительстве и архитектуре. Например, УФР может обесцвечивать фасадные краски или приводить к механическому разрушению полимерных отделочных и конструктивных строительных изделий.

Архитектурно-строительное значение солнечной радиации. Данные о солнечной энергии используются при расчете теплового баланса зданий и систем отопления и кондиционирования воздуха, при анализе процессов старения различных материалов, учете влияния радиации на тепловое состояние человека, выборе оптимального породного состава зеленых насаждений для озеленения конкретного района и многих других целей. Солнечная радиация определяет режим естественной освещенности земной поверхности, знание которого необходимо при планировании расхода электроэнергии, проектировании различных сооружений и организации работы транспорта. Таким образом, радиационный режим является одним из ведущих градостроительных и архитектурно-строительных факторов.

Инсоляция зданий - одно из важнейших условий гигиеничности застройки, поэтому облучению поверхностей прямыми солнечными лучами уделяют особое внимание как важному экологическому фактору. При этом Солнце оказывает не только гигиеническое воздействие на внутреннюю среду, убивая болезнетворные организмы, но и психологически влияет на человека. Эффект такого облучения зависит от длительности процесса воздействия солнечных лучей, поэтому инсоляцию измеряют в часах, а ее продолжительность нормируют соответствующими документами Минздрава России.

Необходимый минимум солнечной радиации, обеспечивающий комфортные условия внутренней среды зданий, условия для труда и отдыха человека, складывается из требуемой освещенности жилых и рабочих помещений, количества требуемой для организма человека ультрафиолетовой радиации, количества поглощенного наружными ограждениями и переданного внутрь зданий тепла, обеспечивающего тепловой комфорт внутренней среды. Исходя из этих требований принимаются архитектурно-планировочные решения, определяется ориентация жилых комнат, кухонь, подсобных и рабочих помещений. При избытке солнечной радиации предусматривается устройство лоджий, жалюзи, ставень и других солнцезащитных устройств.

Анализ сумм солнечной радиации (прямой и рассеянной), поступающей на различно ориентированные поверхности (вертикальные и горизонтальную), рекомендуется проводить по следующей шкале:

• менее 50 кВт ч/м 2 в мес - незначительная радиация;
• 50-100 кВт ч/м 2 в мес - средняя радиация;
• 100-200 кВт ч/м 2 в мес - высокая радиация;
• более 200 кВт ч/м 2 в мес - избыточная радиация.

При незначительной радиации, наблюдающейся в умеренных широтах в основном в зимние месяцы, ее вклад в тепловой баланс зданий настолько мал, что им можно пренебречь. При средней радиации в умеренных широтах происходит переход в область отрицательных значений радиационного баланса земной поверхности и расположенных на ней зданий, сооружений, искусственных покрытий и т.д. В связи с этим они в суточном ходе начинают терять больше тепловой энергии, чем получают тепла от солнца днем. Эти потери в тепловом балансе зданий не покрываются за счет внутренних источников тепла (электроприборов, труб горячего водоснабжения, метаболического тепловыделения людей И Т.Д.), и их необходимо компенсировать за счет работы отопительных систем - начинается отопительный период.

При высокой радиации и при реальных условиях облачности тепловой фон территории городской застройки и внутренней среды зданий находится в зоне комфорта без использования искусственных систем обогрева и охлаждения.

При избыточной радиации в городах умеренных широт, особенно тех, которые расположены в умеренном континентальном и резко континентальном климате, летом может наблюдаться перегрев зданий, их внутренней и наружной среды. В связи с этим перед архитекторами встает задача по защите архитектурной среды от избыточной инсоляции. Применяют соответствующие объемно-планировочные решения, выбирают оптимальную ориентацию зданий по сторонам горизонта, архитектурные солнцезащитные элементы фасадов и светопроемов. Если архитектурных средств по защите от перегрева оказывается недостаточно, то возникает необходимость искусственного кондиционирования внутренней среды зданий.

Радиационный режим также влияет на выбор ориентации и размеров светопроемов. При низкой радиации размер светопроемов может быть увеличен до любых размеров при условии сохранения теплопотерь через наружные ограждения на уровне не выше нормативного. При избыточной радиации светопроемы делаются минимальными по размерам, обеспечивающими требования по инсоляции и естественной освещенности помещений.

Светлота фасадов, определяющая их отражательную способность (альбедо), также выбирается исходя из требований солнцезащиты или, наоборот, с учетом возможности максимального поглощения солнечной радиации в районах с прохладным и холодным влажным климатом и со средним или незначительным уровнем солнечной радиации в летние месяцы. Для выбора облицовочных материалов, исходя из их отражающей способности, необходимо знать, какое количество солнечной радиации поступает к стенам зданий различной ориентации и какова способность различных материалов поглощать эту радиацию. Поскольку приход радиации к стене зависит от широты места и того, как ориентирована стена по отношению к сторонам горизонта, то от этого и будет зависеть нагрев стены и температура внутри примыкающих к ней помещений.

Поглощающая способность различных материалов отделки фасадов зависит от их цвета и состояния (табл. 1.10). Если известны месячные суммы солнечной радиации, поступающей на стены различной ориентации 1 и альбедо этих стен, то можно определить количество поглощенного ими тепла.

Таблица 1.10

Поглощающая способность строительных материалов

Данные о количестве приходящей солнечной радиации (прямой и рассеянной) при безоблачном небе на вертикальные поверхности различной ориентации приводятся в СП «Строительная климатология».

Наименование материала и обработка	Характеристика поверхности	поверхности	Поглощенная радиация,%
Бетонная ошту-катуренная	Шероховатая
		Светло-голубой
		Темно-серый
		Голубоватый
	Отесанная
		Желтовато- коричневый
	Полированная
	Чисто отесанная	Светло-серый
	Отесанная
Кровля
Рубероид		коричневый
Оцинкованная сталь		Светло-серый
Черепица

Подбирая соответствующие материалы и цвета для ограждающих конструкций зданий, т.е. меняя альбедо стен, можно изменять величину радиации, поглощаемую стеной и, таким образом, уменьшать или увеличивать нагрев стен солнечным теплом. Этот прием активно используется в традиционной архитектуре различных стран. Всем известно, что южные города отличаются общей светлой (белой с цветным декором) окраской большинства жилых домов, в то время как, например, скандинавские города - это в основном города, построенные из темного кирпича или с использованием для обшивки зданий теса с темной окраской.

Подсчитано, что 100 кВт ч/м 2 поглощенной радиации повышают температуру наружной поверхности примерно на 4°С. Такое количество радиации в среднем за час получают стены зданий в большинстве районов России, если они ориентированы на юг и восток, а также западные, юго-западные и юго-восточные, если они сделаны из темного кирпича и не оштукатурены или имеют штукатурку темного цвета.

Для перехода от средней за месяц температуры стены без учета радиации к наиболее часто употребляемой в теплотехнических расчетах характеристике - температуре наружного воздуха вводится дополнительная температурная добавка At, зависящая от месячного количества поглощаемой стеной солнечной радиации В к (рис. 1.15). Таким образом, зная интенсивность суммарной солнечной радиации, приходящей к стене, и альбедо поверхности этой стены, можно рассчитать ее температуру, вводя соответствующую поправку к температуре воздуха.

В к, кВт ч/м 2

Рис. 1.15. Увеличение температуры наружной поверхности стены за счет поглощения солнечной радиации

В общем случае температурная добавка за счет поглощенной радиации определяется при прочих равных условиях, т.е. при той же температуре воздуха, его влажности и термическом сопротивлении ограждающей конструкции, независимо от скорости ветра.

При ясной погоде в полуденные часы южные, до полудня - юго-восточные и после полудня - юго-западные стены могут поглощать до 350-400 кВт ч/м 2 солнечного тепла и нагреваются так, что их температура на 15-20°С может превышать температуру наружного воздуха. При этом создаются большие температурные кон-

трасты между стенами одного и того же здания. Эти контрасты в некоторых районах оказываются существенными не только летом, но и в холодное время года при солнечной маловетреной погоде, даже при очень низкой температуре воздуха. Особенно сильному перегреву подвергаются металлические конструкции. Так, по имеющимся наблюдениям, в Якутии, расположенной в умеренном резко континентальном климате, характеризующимся малооблачной погодой зимой и летом, в полуденные часы при ясном небе алюминиевые части ограждающих конструкций и кровля Якутской ГЭС нагреваются на 40-50°С выше температуры воздуха, даже при низких значениях последней.

Перегрев инсолируемых стен за счет поглощения солнечной радиации необходимо предусматривать уже на стадии архитектурного проектирования. Этот эффект требует не только защиты стен от избыточной инсоляции архитектурными методами, но и соответствующих планировочных решений зданий, применения различных по мощности систем отопления для различно ориентированных фасадов, закладки в проект швов для снятия напряжения в конструкциях и нарушения герметичности стыков из-за их температурных деформаций и т.д.

В табл. 1.11 в качестве примера приводятся месячные суммы поглощенной солнечной радиации в июне для нескольких географических объектов бывшего СССР при заданных значениях альбедо. Из этой таблицы видно, что если альбедо северной стены здания 30%, а южной - 50%, то в Одессе, Тбилиси и Ташкенте они будут нагреваться в одинаковой степени. Если в северных районах альбедо северной стены снизить до 10%, то она получит тепла почти в 1,5 раза больше, чем стена с альбедо 30%.

Таблица 1.11

Месячные суммы солнечной радиации, поглощаемой стенами зданий в июне при различных значениях альбедо (кВт ч/м 2)

В приведенных выше примерах, основанных на данных о суммарной (прямой и рассеянной) солнечной радиации, содержащихся в СП «Строительная климатология» и климатических справочниках, не учтена отраженная от земной поверхности и окружающих предметов (например, существующей застройки) солнечная радиация, поступающая на различные стены зданий. Она меньше зависит от их ориентации, поэтому в нормативных документах по строительству и не приводится. Однако эта отраженная радиация может быть достаточно интенсивной и по мощности сопоставимой с прямой или рассеянной радиацией. Поэтому при архитектурном проектировании ее необходимо учитывать, рассчитывая для каждого конкретного случая.

Солнечная радиация - излучение, свойственное светилу нашей планетной системы. Солнце - главная звезда, вокруг которой обращается Земля, а также соседние планеты. Фактически это огромный раскаленный газовый шар, постоянно испускающий в пространство вокруг себя потоки энергии. Именно их и называют радиацией. Смертельная, одновременно именно эта энергия - один из основных факторов, делающих возможной жизнь на нашей планете. Как и все в этом мире, польза и вред солнечной радиации для органической жизни тесно взаимосвязаны.

Общее представление

Чтобы понять, что представляет собой солнечная радиация, необходимо сперва разобраться, что же такое Солнце. Основной источник тепла, обеспечивающий условия для органического существования на нашей планете, во вселенских просторах представляет собой лишь небольшую звездочку на галактических окраинах Млечного Пути. А вот для землян Солнце - это центр мини-вселенной. Ведь именно вокруг этого газового сгустка обращается наша планета. Солнце дает нам тепло и освещение, то есть поставляет формы энергии, без которых наше существование было бы невозможно.

В древности источник солнечной радиации - Солнце - было божеством, объектом, достойным поклонения. Солнечная траектория по небу людям казалась очевидным доказательством божьей воли. Попытки вникнуть в суть явления, объяснить, что представляет собой это светило, предпринимались с давних пор, и особенно значимый вклад в них внес Коперник, сформировав идею гелиоцентризма, разительно отличавшуюся от общепринятого в ту эпоху геоцентризма. Впрочем, доподлинно известно, что и в древности ученые не раз задумывались над тем, что же такое Солнце, почему оно столь важно для любых форм жизни на нашей планете, почему передвижение этого светила именно таково, каким мы его видим.

Прогресс технологий позволил глубже понять, что представляет собой Солнце, какие процессы происходят внутри звезды, на ее поверхности. Ученые познали, что представляет собой солнечная радиация, каким образом газовый объект воздействует на планеты в своей зоне влияния, в частности, на земной климат. Сейчас человечество располагает достаточно объемной базой знаний, чтобы с уверенностью говорить: удалось выяснить, что такое по своей сути радиация, излучаемая Солнцем, как измерить этот энергетической поток и как сформулировать особенности его воздействия на разные формы органической жизни на Земле.

О терминах

Наиболее важный шаг в освоении сути понятия был сделан в прошлом столетии. Именно тогда именитый астроном А. Эддингтон сформулировал предположение: в солнечных глубинах происходит термоядерный синтез, что позволяет выделяться огромному количеству энергии, излучаемому в пространство вокруг звезды. Пытаясь оценить величину солнечной радиации, были предприняты усилия для определения фактических параметров среды на светиле. Так, температура ядра, по расчетам ученых, достигает 15 миллионов градусов. Этого достаточного, чтобы справиться со взаимным отталкивающим влиянием протонов. Столкновение единиц приводит к формированию гелиевых ядер.

Новые сведения привлекли внимание многих видных ученых, включая А. Эйнштейна. В попытках оценить величину солнечной радиации научные деятели выяснили, что гелиевые ядра по своей массе уступают суммарной величине 4 протонов, необходимых для формирования новой структуры. Так была выявлена особенность реакций, получившая название «дефект масс». Но ведь в природе ничто не может пропасть бесследно! В попытке отыскать «сбежавшие» величины ученые сравнили энергетическое излечение и специфику изменения массы. Именно тогда удалось выявить, что разность излучается гамма-квантами.

Излучаемые объекты пробиваются от ядра нашей звезды к ее поверхности сквозь многочисленные газовые атмосферные слои, что приводит к дроблению элементов и формированию на их основе электромагнитного излучения. Среди прочих видов солнечной радиации - свет, воспринимаемый человеческим глазом. Приблизительные оценки позволили предположить, что процесс прохождения гамма-квантов занимает около 10 миллионов лет. Еще восемь минут - и излученная энергия достигает поверхности нашей планеты.

Как и что?

Солнечной радиацией называют суммарный комплекс электромагнитного излучения, которому свойственен довольно обширный диапазон. Сюда входит так называемый солнечный ветер, то есть энергетический поток, сформированный электронами, легкими частицами. На пограничном слое атмосферы нашей планеты постоянно наблюдается одинаковая интенсивности излучения Солнца. Энергия звезды дискретна, ее перенос осуществляется через кванты, при этом корпускулярный нюанс настолько малозначим, что можно рассматривать лучи в качестве электромагнитных волн. А их распространение, как выяснили физики, происходит равномерно и по прямой линии. Таким образом, чтобы описать солнечную радиацию, необходимо определить свойственную ей длину волны. На основании этого параметра принято выделять несколько типов излучения:

• тепло;
• радиоволна;
• белый свет;
• ультрафиолет;
• гамма;
• рентген.

Соотношение инфракрасных, видимых, ультрафиолетовых лучшей оценивается следующим образом: 52%, 43%, 5%.

Для количественной радиационной оценки необходимо рассчитать плотность потока энергии, то есть количество энергии, которое в заданный временной промежуток достигает ограниченного участка поверхности.

Как показали исследования, солнечная радиация преимущественно поглощается планетарной атмосферой. Благодаря этому происходит нагрев до температуры, комфортной для органической жизни, свойственной Земле. Имеющаяся оболочка из озона позволяет пройти лишь одной сотой ультрафиолетового излучения. При этом полностью блокируются волны короткой длины, опасные для живых существ. Атмосферные слои способны рассеять почти треть лучей Солнца, еще 20% поглощаются. Следовательно, поверхности планеты достигает не более половины всей энергии. Именно этот «остаток» в науке назвали прямой солнечной радиацией.

А если поподробнее?

Известно несколько аспектов, от которых зависит, насколько интенсивным будет прямое излучение. Наиболее значимыми считаются угол падения, зависящий от широты (географическая характеристика местности на земном шаре), время года, определяющее, как велико расстояние до конкретной точки от источника излучения. Многое зависит от особенностей атмосферы - насколько она загрязнена, как много в заданный момент облаков. Наконец, играет роль характер поверхности, на которую падает луч, а именно, ее способности отражать поступившие волны.

Суммарной солнечной радиацией называют величину, объединяющую рассеянные объемы и прямое излучение. Параметр, используемый для оценки интенсивности, оценивается в калориях в расчете на единицу территории. При этом помнят, что в разное время суток значения, свойственные излучению, отличаются. Кроме того, энергия не может распределяться по поверхности планеты равномерно. Чем ближе к полюсу, тем интенсивность выше, при этом снежные покровы обладают высокой отражающей способностью, а значит, воздух не получает возможности прогреться. Следовательно, чем дальше от экватора, тем суммарные показатели солнечного волнового излучения будут меньше.

Как удалось выявить ученым, энергия солнечной радиации оказывает серьезное воздействие на планетарный климат, подчиняет себе жизнедеятельность разнообразных организмов, существующих на Земле. В нашей стране, а также на территории ближайших соседей, как и в прочих странах, расположенных в северном полушарии, зимой преимущественная доля принадлежит рассеянному излучению, а вот летом доминирует прямое.

Инфракрасные волны

Из общего количества суммарной солнечной радиации внушительный процент принадлежит именно инфракрасному спектру, не воспринимаемому глазом человека. За счет таких волн нагревается поверхность планеты, постепенно передающая тепловую энергию воздушным массам. Это помогает сохранять комфортный климат, поддерживать условия для существования органической жизни. Если не происходит каких-то серьезных сбоев, климат остается условно неизменным, а значит, все существа могут обитать в привычных им условиях.

Наше светило - не единственный источник волн инфракрасного спектра. Аналогичное излучение свойственно любому нагретому объекту, включая обычную батарею в человеческом доме. Именно на принципе восприятия инфракрасного излучения работают многочисленные приборы, дающие возможность видеть в темноте, иных некомфортных для глаз условиях нагретые тела. Кстати говоря, по аналогичному принципу работают ставшие столь популярными в последнее время компактные приборы для оценки, через какие участки здания происходят наибольшие теплопотери. Эти механизмы особенно широко распространены в среде строителей, а также владельцев частных домов, поскольку помогают выявить, через какие участки тепло теряется, организовать их защиту и предупредить лишний расход энергии.

Не стоит недооценивать влияние солнечной радиации инфракрасного спектра на человеческий организм только по причине того, что наши глаза не могут воспринимать такие волны. В частности, излучение активно используется в медицине, поскольку позволяет повысить концентрацию лейкоцитов в кровеносной системе, а также привести в норму кровоток за счет увеличения просветов кровеносных сосудов. Приборы, основанные на ИК-спектре, применяются в качестве профилактических против кожных патологий, терапевтических при воспалительных процессах в острой и хронической форме. Наиболее современные препараты помогают справиться с коллоидными рубцами и трофическими ранами.

Это любопытно

На основе изучения факторов солнечной радиации удалось создать поистине уникальные приборы, называемые термографами. Они дают возможность своевременно обнаружить различные болезни, не доступные для выявления иными способами. Именно так можно найти рак или тромб. ИК в некоторой степени защищает от ультрафиолета, опасного для органической жизни, что позволило использовать волны такого спектра для восстановления здоровья продолжительное время находившихся в космосе астронавтов.

Природа вокруг нас и по сей день загадочна, касается это и излучения различных длин волн. В частности, инфракрасный свет все еще исследован не досконально. Ученые знают, что его неправильное применение может стать причиной вреда здоровью. Так, недопустимо использовать оборудование, формирующее такой свет, для терапии гнойных воспаленных участков, кровотечений и злокачественных новообразований. Инфракрасный спектр противопоказан людям, страдающим нарушениями функционирования сердца, сосудов, включая расположенные в мозге.

Видимый свет

Один из элементов суммарной солнечной радиации - видимый человеческому глазу свет. Волновые пучки распространяются по прямым линиям, поэтому не происходит наложения друг на друга. В свое время это стало темой немалого количества научных работ: ученые задались целью понять, по какой причине вокруг нас так много оттенков. Оказалось, что свою роль играют ключевые параметры света:

• преломление;
• отражение;
• поглощение.

Как выяснили ученые, объекты не способны сами по себе быть источниками видимого света, но могут поглощать излучение и отражать его. Варьируются углы отражения, частота волн. На протяжении многих веков способность человека видеть постепенно совершенствовалась, но определенные ограничения обусловлены биологическим строением глаза: сетчатка такова, что может воспринять лишь определенные лучи отраженных световых волн. Это излучение - небольшой промежуток между ультрафиолетом и инфракрасными волнами.

Многочисленные любопытные и загадочные световые особенности не только стали темой множества работ, но и были основанием для зарождения новой физической дисциплины. Одновременно появились ненаучные практики, теории, приверженцы которых считают, что цвет способен повлиять на физическое состояние человека, психику. На основании таких предположений люди окружают себя предметами, наиболее приятными для их глаза, делая бытовую повседневность комфортнее.

Ультрафиолет

Не менее важный аспект суммарной солнечной радиации - ультрафиолетовое изучение, сформированное волнами большой, средней и малой длины. Они отличны друг от друга как по физическим параметрам, так и по особенностям влияния на формы органической жизни. Длинные ультрафиолетовые волны, к примеру, в атмосферных слоях в основном рассеиваются, а до земной поверхности добирается лишь незначительный процент. Чем короче длина волны, тем глубже такое излучение может проникнуть в человеческую (и не только) кожу.

С одной стороны, ультрафиолет опасен, но без него невозможно существование многообразной органической жизни. Такое излучение отвечает за формирование кальциферола в организме, а этот элемент необходим для строительства костной ткани. УФ-спектр - это мощная профилактика рахита, остеохондроза, что особенно важно в детском возрасте. Кроме того, такое излучение:

• приводит в норму метаболизм;
• активизирует производство незаменимых ферментов;
• усиливает регенеративные процессы;
• стимулирует кровоток;
• расширяет кровеносные сосуды;
• стимулирует иммунную систему;
• приводит к формированию эндорфина, а значит, уменьшается нервное перевозбуждение.

Обратная сторона медали

Выше было указано, что суммарной солнечной радиацией называют количество излучения, достигшего поверхности планеты и рассеянного в атмосфере. Соответственно, элементом этого объема является ультрафиолет всех длин. Нужно помнить, что этот фактор имеет как положительные, так и отрицательные стороны влияния на органическую жизнь. Солнечные ванны, зачастую полезные, могут быть источником опасности для здоровья. Слишком продолжительное нахождение под прямым солнечным светом, особенно в условиях повышенной активности светила, вредно и опасно. Продолжительное влияние на организм, а также слишком высокая активность облучения становятся причиной:

• ожогов, покраснений;
• отеков;
• гиперемии;
• жара;
• тошноты;
• рвоты.

Продолжительное ультрафиолетовое облучение провоцирует нарушение аппетита, функционирования ЦНС, иммунной системы. Кроме того, начинает болеть голова. Описанные признаки - классические проявления солнечного удара. Сам человек не всегда может осознать, что происходит - состояние ухудшается постепенно. Если заметно, что кому-то поблизости стало плохо, следует оказать первую помощь. Схема следующая:

• помочь перейти из-под прямого света в прохладное затененное место;
• положить больного на спину так, чтобы ноги были выше головы (это поможет привести в норму кровоток);
• охладить водой шею, лицо, а на лоб положить холодный компресс;
• расстегнуть галстук, ремень, снять тесную одежду;
• через полчаса после приступа дать выпить прохладной воды (небольшое количество).

Если пострадавший потерял сознание, важно сразу обратиться за помощью к доктору. Бригада скорой помощи переместит человека в безопасное место и сделает инъекцию глюкозы или витамина С. Лекарство вводят в вену.

Как загорать правильно?

Чтобы не узнать на своем опыте, каким неприятным может быть излишнее количество солнечной радиации, получаемое при загаре, важно соблюдать правила безопасного времяпрепровождения на солнце. Ультрафиолет инициирует выработку меланина - гормона, помогающего кожным покровам защититься от негативного влияния волн. Под воздействием этого вещества кожа становится темнее, а оттенок переходит в бронзовый. И по сей день не стихают споры о том, насколько это полезно и вредно для человека.

С одной стороны, загар - попытка организма защититься от излишнего воздействия излучения. При этом повышается вероятность формирования злокачественных новообразований. С другой стороны, загар считается модным и красивым. Чтобы минимизировать для себя риски, разумно перед началом пляжных процедур разобрать, чем опасно количество солнечной радиации, получаемое во время солнечных ванн, как минимизировать риски для себя. Чтобы впечатления были максимально приятными, любители загорать должны:

• пить много воды;
• пользоваться защищающими кожу средствами;
• загорать вечером или утром;
• проводить под прямыми лучами солнышка не больше часа;
• не употреблять спиртное;
• включить в меню богатые селеном, токоферолом, тирозином продукты. Не стоит забывать и о бета-каротине.

Значение солнечной радиации для человеческого организма исключительно велико, не стоит упускать из внимания и положительные, и отрицательные аспекты. Следует осознавать, что у разных людей биохимические реакции происходят с индивидуальными особенностями, поэтому для кого-то и получасовые солнечные ванны могут быть опасны. Разумно перед пляжным сезоном проконсультироваться с доктором, оценить тип, состояние кожных покровов. Это поможет предупредить вред здоровью.

По возможности следует избегать загара в преклонном возрасте, в период вынашивания малыша. Не сочетаются с солнечными ваннами раковые заболевания, нарушения психики, кожные патологии и недостаточность функционирования сердца.

Суммарная радиация: где недостача?

Довольно интересным для рассмотрения является процесс распределения солнечной радиации. Как выше было упомянуто, лишь около половины всех волн могут достигнуть поверхности планеты. Куда же пропадают остальные? Свою роль играют разные слои атмосферы и микроскопические частицы, из которых они сформированы. Внушительная часть, как было указано, поглощается озоновым слоем - это все волны, длина которых менее 0,36 мкм. Дополнительно озон способен поглотить некоторые типы волн из видимого человеческому глазу спектра, то есть промежутка 0,44-1,18 мкм.

Ультрафиолет в некоторой степени поглощается кислородным слоем. Это свойственно излучению с длиной волны 0,13-0,24 мкм. Углекислый газ, пар воды могут поглотить небольшой процент инфракрасного спектра. Аэрозоль атмосферы поглощает некоторую часть (ИК-спектр) от общего количества солнечной радиации.

Волны из категории коротких рассеиваются в атмосфере из-за наличия здесь микроскопических неоднородных частиц, аэрозоля, облаков. Неоднородные элементы, частицы, чьи габариты уступают длине волны, провоцируют молекулярное рассеивание, а для более крупных свойственно явление, описываемое индикатрисой, то есть аэрозольное.

Прочее количество солнечной радиации достигает земной поверхности. Оно сочетает прямое излучение, рассеянное.

Суммарная радиация: важные аспекты

Суммарная величина - это количество солнечной радиации, получаемое территорией, а также поглощенное в атмосфере. Если на небе нет облаков, суммарная величина излучения зависит от широты местности, высоты положения небесного тела, типа поверхности земли на этом участке, а также уровня прозрачности воздуха. Чем больше в атмосфере рассеяно аэрозольных частиц, тем ниже прямое излучение, зато возрастает доля рассеянного. В норме при отсутствии облачности в суммарной радиации рассеянная - это одна четвертая часть.

Наша страна принадлежит к числу северных, поэтому большую часть года в южных регионах излучение существенно больше, чем в северных. Это обусловлено положением светила на небе. А вот короткий временной промежуток май-июль - это уникальный период, когда даже на севере суммарная радиация довольно внушительная, поскольку солнце находится высоко в небе, а продолжительность светового дня больше, чем в прочие месяцы года. При этом в среднем на азиатской половине страны при отсутствии облачности суммарная радиация существеннее, нежели на западе. Максимальная сила волнового излучения наблюдается в полдень, а годовой максимум приходится на июнь, когда солнце выше всего в небе.

Суммарной солнечной радиацией называют количество солнечной энергии, достигающей нашей планеты. При этом нужно помнить, что разные атмосферные факторы приводят к тому, что годовой приход суммарной радиации меньше, нежели мог бы быть. Самая большая разница между реально наблюдаемым и максимально возможным характерна для дальневосточных регионов в летний период. Муссоны провоцируют исключительно плотную облачность, поэтому суммарная радиация уменьшается приблизительно вполовину.

Любопытно знать

Наибольший процент от максимально возможного облучения солнечной энергией в реальности наблюдается (в расчете на 12 месяцев) на юге страны. Показатель достигает 80%.

Облачность не всегда приводит к одинаковому показателю рассеивания солнечного излучения. Играет роль форма облаков, особенности солнечного диска в конкретный момент времени. Если таковой открыт, тогда облачность становится причиной уменьшения прямого излучения, одновременно рассеянное резко возрастает.

Возможны и такие дни, когда прямое излучение по своей силе приблизительно такое же, как рассеянное. Суточная суммарная величина может быть даже больше, нежели излучение, свойственное совсем безоблачному дню.

В расчете на 12 месяцев особенное внимание необходимо уделять астрономическим явлениям как определяющим общие численные показатели. При этом облачность приводит к тому, что реально радиационный максимум может наблюдаться не в июне, а месяцем раньше или позже.

Радиация в космосе

С границы магнитосферы нашей планеты и дальше в космические пространства солнечная радиация становится фактором, сопряженным со смертельной опасностью для человека. Еще в 1964 был выпущен важный научно-популярный труд, посвященный методам защиты. Его авторами выступили советские ученые Каманин, Бубнов. Известно, что для человека доза облучения в расчете на неделю должна быть не более 0,3 рентгена, при этом за год - в пределах 15 Р. При кратковременном облучении пределом для человека обозначено 600 Р. Полеты в космос, особенно в условиях непредсказуемой солнечной активности, могут сопровождаться значительным облучением астронавтов, что обязывает принимать дополнительные меры защиты от волн разной длины.

После миссий "Аполлон", в ходе которых тестировались способы защиты, исследовались факторы, влияющие на человеческое здоровье, прошло не одно десятилетие, но и по сей день ученые не могут найти результативные, надежные методы прогнозирования геомагнитных бурь. Можно составить прогноз в расчете на часы, иногда - на несколько дней, но даже для недельного предположения шансы реализации - не более 5%. Солнечный ветер - еще более непредсказуемое явление. С вероятностью один к трем космонавты, отправляясь в новую миссию, могут попасть в мощные потоки излучений. Это делает еще более важным вопрос как исследования и прогнозирования радиационных особенностей, так и разработки методов защиты от него.

Зональное распределение солнечной радиации у земной поверхности.

До земной поверхности солнечная радиация доходит ослабленной атмосферным поглощением и рассеянием. Кроме того, в атмосфере всегда есть облака, и прямая солнечная радиация часто не достигает земной поверхности, поглощаясь, рассеиваясь и отражаясь обратно облаками. Облачность может уменьшать приток прямой радиации в широких пределах. Например, в зоне пустыни теряется вследствие наличия облаков всего 20% прямой солнечной радиации. Но в муссонном климате потеря прямой радиации вследствие облачности составляет 75%. В Петербурге, даже в среднем за год, облака не пропускают к земной поверхности 65% прямой радиации.

Распределение прямой солнечной радиации по Земному шару носит сложный характер, так как степень прозрачности атмосферы и условия облачности весьма изменчивы в зависимости от географической обстановки. Наибольший приток прямой радиации летом не в полярных широтах, как на границе атмосферы, а под 30-40° широты. В полярных широтах слишком велико ослабление радиации вследствие небольших высот солнца. Весной и осенью максимум прямой радиации не у экватора, как на границе атмосферы, а на 10-20° весной и на 20-30° осенью: у экватора слишком велика облачность. Только зимой данного полушария приэкваториальная зона получает радиации на земную поверхность, так же как и на верхнюю границу атмосферы, больше, чем все другие зоны.

Величины рассеянной радиации в общем меньше, чем прямой, но порядок величин тот же. В тропических и средних широтах величина рассеянной радиации - от половины до двух третей прямой радиации; под 50-60° широты она уже близка к прямой, а в высоких широтах (60-90°) рассеянная радиация почти весь год больше прямой. Летом приток рассеянной радиации в высоких широтах больше, чем в других зонах северного полушария.

Географическое распределение суммарной радиации

Рассмотрим распределение годовых и месячных количеств (сумм) суммарной радиации по Земному шару. Мы видим, что оно не вполне зонально: изолинии радиации на картах не совпадают с широтными кругами. Отклонения эти объясняются тем, что на распределение радиации по Земному шару оказывают влияние прозрачность атмосферы и облачность. Годовые количества суммарной радиации составляют в тропических и субтропических широтах свыше 140 ккал/см2. Они особенно велики в малооблачных субтропических пустынях, а в северной Африке достигают 200-220 ккал/см2. Зато над приэкваториальными лесными областями с их большой облачностью (над бассейнами Амазонки и Конго, над Индонезией) они снижены до 100-120 ккал/см2. К более высоким широтам обоих полушарий годовые количества суммарной радиации убывают, достигая под 60° широты 60-80 ккал/см2. Но затем они снова растут - мало в северном полушарии, но весьма значительно над малооблачной и снежной Антарктидой, где в глубине материка они достигают 120-130 ккал/см2, т. е. величин, близких к тропическим и превышающих экваториальные. Над океанами суммы радиации ниже, чем над сушей.

В декабре наибольшие суммы радиации, до 20-22 ккал/см2 и даже выше, в пустынях южного полушария. Но в облачных районах у экватора они снижены до 8-12 ккал/см2. В зимнем северном полушарии радиация быстро убывает на север; к северу от 50-й параллели она менее 2 ккал/см2 и несколько севернее полярного круга равна нулю. В летнем южном полушарии она убывает к югу до 10 ккал/см2 и ниже в широтах 50-60°. Но затем она растет - до 20 ккал/см2 у берегов Антарктиды и свыше 30 ккал/см2 внутри Антарктиды, где она, таким образом, больше, чем летом в тропиках.

В июне наивысшие суммы радиации, свыше 22 ккал/см2, над северо-восточной Африкой, Аравией, Иранским нагорьем. До 20 ккал/см2 и выше они в Средней Азии; значительно меньше, до 14 ккал/см2, в тропических частях материков южного полушария. В облачных приэкваториальных областях они, как и в декабре, снижены до 8-12 ккал/см2. В летнем северном полушарии суммы радиации убывают от субтропиков к северу медленно, а севернее 50° с. ш. возрастают, достигая 20 ккал/см2 и более в Арктическом бассейне. В зимнем южном полушарии они быстро убывают к югу, до нуля за южным полярным кругом.
(http://gisssu.narod.ru/world/wcl_txt.ht