Tổng bức xạ mặt trời bị hấp thụ tán xạ trực tiếp. Đo bức xạ mặt trời

Số lượng sắp tới bề mặt trái đất bức xạ mặt trời trực tiếp (S) trong điều kiện bầu trời không mây phụ thuộc vào độ cao và độ trong của mặt trời. Bàn dành cho ba người vùng vĩ độ sự phân bố lượng bức xạ trực tiếp hàng tháng được đưa ra ở bầu trời quang đãng(số lượng có thể) dưới dạng giá trị trung bình các tháng trung tâm các mùa và trong năm.

Sự xuất hiện ngày càng tăng của bức xạ trực tiếp ở khu vực châu Á là do bầu khí quyển trong khu vực này có độ trong suốt cao hơn. Giá trị cao Bức xạ trực tiếp vào mùa hè ở các vùng phía bắc nước Nga được giải thích là do sự kết hợp giữa độ trong suốt cao của khí quyển và thời gian dài ngày

Giảm sự xuất hiện của bức xạ trực tiếp và có thể thay đổi đáng kể chu kỳ hàng ngày và hàng năm của nó. Tuy nhiên, trong điều kiện nhiều mây trung bình, yếu tố thiên văn chiếm ưu thế và do đó bức xạ trực tiếp cực đại được quan sát thấy ở độ cao nhất mặt trời.

Ở hầu hết các vùng lục địa của Nga trong những tháng mùa xuân và mùa hè, bức xạ trực tiếp vào buổi chiều lớn hơn buổi chiều. Điều này là do sự phát triển của các đám mây đối lưu vào buổi chiều và độ trong của khí quyển giảm vào thời điểm này trong ngày so với các giờ buổi sáng. Vào mùa đông, tỷ lệ giá trị bức xạ trước và buổi chiều ngược lại - giá trị bức xạ trực tiếp trước buổi trưa thấp hơn do lượng mây nhiều nhất vào buổi sáng và giảm dần vào nửa sau của ngày. Sự chênh lệch giữa giá trị bức xạ trực tiếp trước và buổi chiều có thể lên tới 25–35%.

Trong quá trình hàng năm, bức xạ trực tiếp tối đa xảy ra vào tháng 6-7, ngoại trừ các khu vực Viễn Đông, nơi nó chuyển sang tháng 5 và ở phía nam Primorye, cực đại thứ cấp được ghi nhận vào tháng 9.
Lượng bức xạ trực tiếp tối đa hàng tháng trên lãnh thổ Nga là 45–65% mức có thể có được dưới bầu trời không mây, và thậm chí ở phía nam khu vực Châu Âu, con số này chỉ đạt 70%. Giá trị tối thiểu được quan sát vào tháng 12 và tháng 1.

Sự đóng góp của bức xạ trực tiếp vào tổng lượng bức xạ đến trong điều kiện nhiều mây thực tế đạt mức tối đa trong những tháng mùa hè và trung bình là 50–60%. Ngoại lệ là Primorsky Krai, nơi có lượng bức xạ trực tiếp lớn nhất xảy ra vào những tháng mùa thu và mùa đông.

Sự phân bố bức xạ trực tiếp trong điều kiện mây trung bình (thực tế) trên lãnh thổ Nga phần lớn phụ thuộc vào. Điều này dẫn đến sự gián đoạn đáng chú ý trong sự phân bố bức xạ theo vùng trong từng tháng. Điều này đặc biệt rõ ràng vào mùa xuân. Như vậy, trong tháng 4 có hai mức tối đa - một ở khu vực phía Nam

Năng lượng do Mặt trời phát ra gọi là bức xạ mặt trời. Đến Trái Đất, bức xạ năng lượng mặt trời Hầu hết nó biến thành nhiệt.

Bức xạ mặt trời thực tế là nguồn năng lượng duy nhất cho Trái đất và khí quyển. So với năng lượng mặt trời, tầm quan trọng của các nguồn năng lượng khác đối với Trái đất là không đáng kể. Ví dụ, nhiệt độ trung bình của Trái đất tăng theo độ sâu (khoảng 1 o C cứ sau 35 m). Nhờ đó, bề mặt Trái đất nhận được một phần nhiệt từ các bộ phận bên trong. Người ta ước tính rằng trung bình 1 cm 2 bề mặt trái đất nhận được khoảng 220 J mỗi năm từ bên trong Trái đất. Lượng này ít hơn 5000 lần so với lượng nhiệt nhận được từ Mặt trời. Trái đất nhận được một phần nhiệt từ các ngôi sao và hành tinh, nhưng nó cũng ít hơn nhiều lần (khoảng 30 triệu) so với nhiệt lượng đến từ Mặt trời.

Lượng năng lượng Mặt trời gửi tới Trái đất là rất lớn. Như vậy, sức mạnh của dòng bức xạ mặt trời đi vào diện tích 10 km 2 là 7-9 kW vào mùa hè không mây (có tính đến sự suy yếu của bầu khí quyển). Nó còn hơn cả sức mạnh Nhà máy thủy điện Krasnoyarsk. Lượng năng lượng bức xạ phát ra từ Mặt Trời trong 1 giây tới diện tích 15×15 km (đây là diện tích ít hơn Leningrad) vào khoảng giữa trưa mùa hè, vượt quá công suất của tất cả các nhà máy điện của Liên Xô sụp đổ (166 triệu kW).

Hình 1 - Mặt trời là nguồn bức xạ

Các loại bức xạ mặt trời

Trong khí quyển, bức xạ mặt trời khi tới bề mặt trái đất bị hấp thụ một phần, một phần bị tán xạ và phản xạ từ các đám mây và bề mặt trái đất. Có ba loại bức xạ mặt trời trong khí quyển: trực tiếp, khuếch tán và toàn phần.

Bức xạ mặt trời trực tiếp- Bức xạ tới bề mặt trái đất trực tiếp từ đĩa Mặt trời. Bức xạ mặt trời lan truyền từ Mặt trời theo mọi hướng. Nhưng khoảng cách từ Trái đất đến Mặt trời lớn đến mức bức xạ trực tiếp rơi xuống bất kỳ bề mặt nào trên Trái đất dưới dạng chùm tia song song, phát ra như thể từ vô cực. Thậm chí toàn bộ Trái đất nhìn chung rất nhỏ so với khoảng cách tới Mặt trời nên toàn bộ bức xạ mặt trời tới nó có thể coi là chùm tia song song mà không có sai số đáng kể.

Chỉ có bức xạ trực tiếp đạt tới ranh giới trên của khí quyển. Khoảng 30% bức xạ rơi xuống Trái đất bị phản xạ ra ngoài vũ trụ. Oxy, nitơ, ozon, carbon dioxide, hơi nước (mây) và các hạt sol khí hấp thụ 23% bức xạ mặt trời trực tiếp trong khí quyển. Ozone hấp thụ tia cực tím và bức xạ nhìn thấy được. Mặc dù hàm lượng của nó trong không khí rất nhỏ nhưng nó vẫn hấp thụ toàn bộ bức xạ cực tím (khoảng 3%). Do đó, nó hoàn toàn không được quan sát thấy ở gần bề mặt Trái đất, điều này rất quan trọng đối với sự sống trên Trái đất.

Bức xạ mặt trời trực tiếp cũng bị phân tán trên đường đi qua bầu khí quyển. Một hạt (giọt, tinh thể hoặc phân tử) không khí nằm trên đường đi của sóng điện từ liên tục “rút” năng lượng từ sóng tới và bức xạ lại theo mọi hướng, trở thành nguồn phát năng lượng.

Khoảng 25% năng lượng của toàn bộ dòng bức xạ mặt trời đi qua khí quyển bị tiêu tán bởi các phân tử khí quyển và sol khí và biến thành bức xạ mặt trời rải rác trong khí quyển. Như vậy bức xạ mặt trời khuếch tán- bức xạ mặt trời đã bị tán xạ trong khí quyển. Bức xạ tán xạ đến bề mặt trái đất không phải từ đĩa mặt trời mà từ mọi thứ bầu trời. Bức xạ tán xạ khác với bức xạ trực tiếp thành phần quang phổ, vì các tia có bước sóng khác nhau bị tán xạ ở các mức độ khác nhau.

Vì nguồn gốc bức xạ tán xạ là bức xạ mặt trời trực tiếp, thông lượng tán xạ phụ thuộc vào các yếu tố tương tự ảnh hưởng đến thông lượng bức xạ trực tiếp. Đặc biệt, dòng bức xạ tán xạ tăng khi độ cao của Mặt trời tăng và ngược lại. Nó cũng tăng lên cùng với sự gia tăng số lượng các hạt tán xạ trong khí quyển, tức là với sự giảm độ trong suốt của khí quyển và giảm theo độ cao do giảm số lượng hạt tán xạ trong các lớp khí quyển phía trên. Mây và tuyết phủ có ảnh hưởng rất lớn đến bức xạ tán xạ, do sự tán xạ và phản xạ của bức xạ trực tiếp và tán xạ tới chúng và sự tán xạ lại của chúng trong khí quyển, có thể làm tăng bức xạ mặt trời phân tán lên nhiều lần.

Bức xạ khuếch tán bổ sung đáng kể cho bức xạ mặt trời trực tiếp và làm tăng đáng kể lượng hấp thụ năng lượng mặt trời tới bề mặt trái đất. Vai trò của nó đặc biệt lớn trong thời điểm vào Đôngở vĩ độ cao và các khu vực khác có nhiều mây, nơi tỷ lệ bức xạ khuếch tán có thể vượt quá tỷ lệ bức xạ trực tiếp. Ví dụ, trong lượng năng lượng mặt trời hàng năm, tỷ lệ bức xạ tán xạ ở Arkhangelsk là 56%, ở St. Petersburg - 51%.

Tổng bức xạ mặt trời là tổng các dòng bức xạ trực tiếp và khuếch tán tới một bề mặt nằm ngang. Trước khi mặt trời mọc và sau khi mặt trời lặn, cũng như trong ngày trời u ám, tổng bức xạ là hoàn toàn và ở độ cao mặt trời thấp, nó chủ yếu bao gồm bức xạ tán xạ. Dưới bầu trời không mây hoặc có mây một phần, khi độ cao của Mặt trời tăng lên, tỷ lệ bức xạ trực tiếp trong tổng bức xạ tăng nhanh và vào ban ngày, thông lượng của nó lớn hơn nhiều lần so với thông lượng bức xạ tán xạ. Trung bình, mây làm suy yếu tổng bức xạ (20-30%), tuy nhiên, với những đám mây một phần không che phủ đĩa mặt trời, thông lượng của nó có thể lớn hơn so với bầu trời không mây. Lớp phủ tuyết làm tăng đáng kể dòng bức xạ tổng do sự gia tăng dòng bức xạ tán xạ.

Tổng bức xạ, rơi xuống bề mặt trái đất, hầu hếtđược hấp thụ bởi lớp đất trên cùng hoặc lớp nước dày hơn (bức xạ bị hấp thụ) và chuyển thành nhiệt, và bị phản xạ một phần (bức xạ phản xạ).

Mặt trời là nguồn cung cấp hạt và bức xạ điện từ. Bức xạ hạt không xuyên qua bầu khí quyển dưới 90 km, trong khi bức xạ điện từ tới được bề mặt trái đất. Trong khí tượng học nó được gọi là bức xạ năng lượng mặt trời hoặc đơn giản sự bức xạ. Nó chiếm một phần hai tỷ tổng năng lượng của Mặt trời và di chuyển từ Mặt trời đến Trái đất trong 8,3 phút. Bức xạ mặt trời là nguồn năng lượng cho hầu hết các quá trình xảy ra trong khí quyển và trên bề mặt trái đất. Nó chủ yếu là sóng ngắn và bao gồm bức xạ cực tím vô hình - 9%, ánh sáng nhìn thấy - 47% và tia hồng ngoại vô hình - 44%. Vì gần một nửa bức xạ mặt trời là ánh sáng nhìn thấy được nên Mặt trời không chỉ là nguồn cung cấp nhiệt mà còn là nguồn ánh sáng. Điều kiện cần thiết cho sự sống trên Trái đất.

Bức xạ tới Trái đất trực tiếp từ đĩa mặt trời được gọi là bức xạ mặt trời trực tiếp. Do khoảng cách từ Mặt trời đến Trái đất lớn và Trái đất nhỏ nên bức xạ rơi xuống bất kỳ bề mặt nào của nó dưới dạng chùm tia song song.

Bức xạ mặt trời có mật độ thông lượng nhất định trên một đơn vị diện tích trên một đơn vị thời gian. Đơn vị đo cường độ bức xạ là lượng năng lượng (tính bằng joules hoặc calo 1) mà 1 cm 2 bề mặt nhận được mỗi phút với góc tới vuông góc của ánh sáng mặt trời. Ở ranh giới trên của khí quyển ở khoảng cách trung bình từ Trái đất đến Mặt trời, nó là 8,3 J/cm2 mỗi phút, hoặc 1,98 cal/cm2 mỗi phút. Giá trị này được chấp nhận như một tiêu chuẩn quốc tế và được gọi là hằng số mặt trời(S0). Cô ấy dao động tuần hoàn trong năm là không đáng kể (+ 3,3%) và là do sự thay đổi khoảng cách từ Trái đất đến

1 1 cal=4,19 J, 1 kcal=41,9 MJ.

2 Độ cao giữa trưa của Mặt trời phụ thuộc vào vĩ độ địa lý và độ lệch của Mặt trời.

Mặt trời. Dao động không tuần hoàn được gây ra bởi sự phát xạ khác nhau của Mặt trời. Khí hậu ở trên cùng của khí quyển được gọi là sự bức xạ hoặc mặt trời. Nó được tính toán về mặt lý thuyết dựa trên góc nghiêng của tia nắng trên bề mặt nằm ngang.

TRONG phác thảo chung Khí hậu mặt trời được phản ánh trên bề mặt trái đất. Đồng thời, bức xạ và nhiệt độ thực trên Trái đất khác biệt đáng kể so với khí hậu mặt trời do các yếu tố trên mặt đất khác nhau. Nguyên nhân chính là sự suy yếu của bức xạ trong khí quyển do phản xạ, hấp thụ Và rải rác, và cũng là kết quả phản xạ bức xạ từ bề mặt trái đất.

Ở ranh giới trên của khí quyển, tất cả các bức xạ đều ở dạng bức xạ trực tiếp. Theo S.P. Khromov và M.A. Petrosyants, 21% trong số đó được phản xạ từ các đám mây và không khí trở lại không gian vũ trụ. Phần bức xạ còn lại đi vào khí quyển, nơi bức xạ trực tiếp bị hấp thụ và phân tán một phần. Còn lại bức xạ trực tiếp(24%) chạm tới bề mặt trái đất nhưng bị suy yếu. Mô hình suy yếu của nó trong khí quyển được thể hiện bằng định luật Bouguer: S=S 0 · buổi chiều(J, hoặc cal/cm2, mỗi phút), trong đó S là lượng bức xạ mặt trời trực tiếp tới bề mặt trái đất trên một đơn vị diện tích (cm2) nằm vuông góc với tia nắng, S0 là hằng số mặt trời, R- hệ số trong suốt tính bằng phân số đơn vị, cho biết lượng bức xạ tới được bề mặt trái đất, T- chiều dài đường đi của chùm tia trong khí quyển.

Thật sự tia nắng mặt trời rơi xuống bề mặt trái đất và bất kỳ tầng nào khác của khí quyển ở góc nhỏ hơn 90°. Dòng bức xạ mặt trời trực tiếp lên bề mặt nằm ngang được gọi là sự xấc xược(5,). Nó được tính theo công thức S 1 =S·sin h ☼ (J, hoặc cal/cm 2, trên phút), trong đó h ☼ là chiều cao của Mặt trời 2. Đương nhiên, có một lượng nhỏ hơn trên một đơn vị bề mặt ngang

năng lượng hơn trên một đơn vị diện tích nằm vuông góc với tia nắng mặt trời (Hình 22).

Trong bầu không khí hấp thụ khoảng 23% và tan biến khoảng 32% bức xạ mặt trời trực tiếp đi vào khí quyển, với 26% bức xạ tán xạ sau đó đến bề mặt trái đất và 6% đi vào không gian.

Bức xạ mặt trời trong khí quyển không chỉ trải qua những thay đổi về số lượng mà còn cả về chất, vì các khí không khí và sol khí hấp thụ và phân tán các tia mặt trời một cách có chọn lọc. Các chất hấp thụ bức xạ chính là hơi nước, mây và sol khí, cũng như ozone, chất hấp thụ mạnh bức xạ cực tím. Các phân tử của các loại khí và sol khí khác nhau tham gia vào quá trình tán xạ bức xạ. tán xạ- độ lệch của tia sáng theo mọi hướng so với hướng ban đầu, sao cho bức xạ tán xạđến bề mặt trái đất không phải từ đĩa mặt trời, mà từ toàn bộ vòm trời. Sự tán xạ phụ thuộc vào bước sóng: theo định luật Rayleigh, bước sóng càng ngắn thì sự tán xạ càng mạnh. Do đó, hầu hết các tia cực tím đều bị tán xạ và trong số những tia nhìn thấy được - màu tím và xanh lam. Do đó, màu xanh của không khí và theo đó là bầu trời trong thời tiết quang đãng. Bức xạ trực tiếp chủ yếu có màu vàng nên đĩa mặt trời có màu vàng. Vào lúc bình minh và hoàng hôn, khi đường đi của tia sáng trong khí quyển dài hơn và độ tán xạ lớn hơn, chỉ có tia đỏ chạm tới bề mặt khiến Mặt trời có màu đỏ. Bức xạ tán xạ gây ra ánh sáng vào ban ngày khi trời nhiều mây và trong bóng râm khi trời quang đãng, gắn liền với hiện tượng chạng vạng và đêm trắng. Trên Mặt trăng, nơi không có bầu khí quyển và do đó không có bức xạ tán xạ, các vật thể rơi vào bóng tối trở nên hoàn toàn vô hình.

Theo chiều cao, mật độ không khí và theo đó, số lượng hạt tán xạ giảm, màu sắc của bầu trời trở nên tối hơn, đầu tiên chuyển sang màu xanh đậm, sau đó chuyển sang màu xanh tím, có thể nhìn thấy rõ ở vùng núi và được phản chiếu trong Phong cảnh dãy Himalaya của N. Roerich. Trong tầng bình lưu, màu của không khí là màu tím đen. Theo các phi hành gia, ở độ cao 300 km, bầu trời có màu đen.

Với sự hiện diện của các sol khí, giọt nước và tinh thể lớn trong khí quyển, người ta quan sát thấy không còn sự tán xạ nữa mà là sự phản xạ khuếch tán, và vì bức xạ phản xạ khuếch tán bị ánh sáng trắng, khi đó màu sắc của bầu trời trở nên trắng xóa.

Bức xạ mặt trời trực tiếp và khuếch tán có chu kỳ hàng ngày và hàng năm nhất định, phụ thuộc chủ yếu vào độ cao của Mặt trời.

Cơm. 22. Dòng bức xạ mặt trời truyền vào bề mặt AB, vuông góc với tia sáng và lên bề mặt nằm ngang AC (theo S.P. Khromov)

tsa phía trên đường chân trời, khỏi độ trong suốt của không khí và mây mù.

Dòng bức xạ trực tiếp trong trong ngày từ lúc mặt trời mọc đến trưa nó tăng dần rồi giảm dần cho đến khi mặt trời lặn do sự thay đổi độ cao của Mặt trời và đường đi của tia sáng trong khí quyển. Tuy nhiên, vì vào khoảng giữa trưa, độ trong suốt của khí quyển giảm do sự gia tăng hơi nước trong không khí và bụi, đồng thời độ mây đối lưu tăng lên, giá trị bức xạ tối đa được chuyển sang những giờ trước buổi trưa. Mô hình này là đặc trưng của các vĩ độ xích đạo-nhiệt đới quanh năm và các vĩ độ ôn đới vào mùa hè. Vào mùa đông, ở vĩ độ ôn đới, bức xạ tối đa xảy ra vào buổi trưa.

Khóa học hàng năm giá trị bức xạ trực tiếp trung bình hàng tháng phụ thuộc vào vĩ độ. Tại xích đạo, quá trình bức xạ trực tiếp hàng năm có dạng sóng kép: cực đại trong thời kỳ xuân phân và thu phân, cực tiểu trong thời kỳ hạ và thu. ngày đông chí. Ở các vĩ độ ôn đới, giá trị tối đa của bức xạ trực tiếp xảy ra vào mùa xuân (tháng 4 ở Bắc bán cầu) thay vì vào những tháng mùa hè, vì không khí vào thời điểm này trong hơn do ít hơi nước và bụi hơn, cũng như một lượng nhỏ mây mù. Bức xạ tối thiểu được quan sát thấy vào tháng 12, khi chiều cao thấp nhất Nắng, thời gian ban ngày ngắn và đây là tháng nhiều mây nhất trong năm.

Sự thay đổi hàng ngày và hàng năm của bức xạ tán xạđược xác định bởi sự thay đổi độ cao của Mặt trời so với đường chân trời và độ dài của ngày, cũng như độ trong suốt của khí quyển. Lượng bức xạ tán xạ tối đa trong ngày được quan sát thấy trong ngày với lượng bức xạ nói chung tăng lên, mặc dù tỷ lệ của nó vào buổi sáng và giờ buổi tối nhiều hơn bức xạ trực tiếp, nhưng ngược lại vào ban ngày, bức xạ trực tiếp lại chiếm ưu thế so với bức xạ tán xạ. Đường đi hàng năm của bức xạ tán xạ ở xích đạo thường đi theo đường thẳng. Ở các vĩ độ khác nhiều hơn vào mùa hè hơn vào mùa đông, do tổng lượng bức xạ mặt trời vào mùa hè tăng lên.

Tỷ lệ giữa bức xạ trực tiếp và bức xạ khuếch tán thay đổi tùy theo độ cao của Mặt trời, độ trong suốt của khí quyển và độ che phủ của mây.

Tỷ lệ giữa bức xạ trực tiếp và bức xạ khuếch tán trên vĩ độ khác nhau không giống nhau. Ở các vùng cực và cận cực, bức xạ tán xạ chiếm 70% tổng lượng bức xạ. Giá trị của nó, ngoài vị trí thấp của Mặt trời và độ mây, còn bị ảnh hưởng bởi sự phản xạ nhiều lần của bức xạ mặt trời từ bề mặt tuyết. Bắt đầu từ những vĩ độ vừa phải và gần xích đạo, bức xạ trực tiếp chiếm ưu thế so với bức xạ tán xạ. Tầm quan trọng tuyệt đối và tương đối của nó đặc biệt lớn ở các sa mạc nhiệt đới nội địa (Sahara, Ả Rập), được đặc trưng bởi lượng mây tối thiểu và không khí khô, trong. Dọc theo đường xích đạo, bức xạ khuếch tán lại chiếm ưu thế so với bức xạ trực tiếp do độ ẩm không khí cao và sự hiện diện của các đám mây tích phân tán bức xạ mặt trời tốt.

Khi độ cao của địa điểm trên mực nước biển tăng lên, Hình tuyệt đối. 23. Tổng lượng bức xạ mặt trời hàng năm [MJ/(m 2 xnăm)]

Naya và độ lớn tương đối bức xạ trực tiếp và bức xạ tán xạ giảm khi lớp khí quyển trở nên mỏng hơn. Ở độ cao 50-60 km, dòng bức xạ trực tiếp đạt đến hằng số mặt trời.

Tất cả các bức xạ mặt trời - trực tiếp và khuếch tán, tới bề mặt trái đất được gọi là tổng bức xạ: (Q=S· sinh¤+D trong đó Q là bức xạ toàn phần, S là trực tiếp, D là khuếch tán, h ¤ là chiều cao của Mặt trời so với đường chân trời. Tổng bức xạ chiếm khoảng 50% bức xạ mặt trời tới ranh giới trên của khí quyển.

Dưới bầu trời không mây, tổng bức xạ rất đáng kể và có sự thay đổi theo ngày với mức tối đa vào khoảng giữa trưa và mức biến đổi hàng năm với mức tối đa vào mùa hè. Mây làm giảm bức xạ nên vào mùa hè, lượng mưa vào buổi chiều trung bình lớn hơn buổi chiều. Vì lý do tương tự, nửa đầu năm cao hơn nửa cuối năm.

Một số mô hình được quan sát thấy trong sự phân bố tổng bức xạ trên bề mặt trái đất.

Mẫu chính là tổng bức xạ được phân bố theo khu vực, giảm dần từ xích đạo - nhiệt đới

vĩ độ tới các cực tương ứng với sự giảm dần góc tới của tia nắng mặt trời (Hình 23). Những sai lệch so với sự phân bố theo vùng được giải thích bởi độ đục và độ trong suốt của khí quyển khác nhau. Giá trị tổng bức xạ hàng năm cao nhất, 7200 - 7500 MJ/m2 mỗi năm (khoảng 200 kcal/cm2 mỗi năm), xảy ra ở các vĩ độ nhiệt đới, nơi có ít mây và độ ẩm không khí thấp. Ở các sa mạc nhiệt đới nội địa (Sahara, Ả Rập), nơi có lượng bức xạ trực tiếp dồi dào và hầu như không có mây, tổng bức xạ mặt trời thậm chí lên tới hơn 8000 MJ/m2 mỗi năm (lên tới 220 kcal/cm2 mỗi năm). Gần xích đạo, tổng giá trị bức xạ giảm xuống còn 5600 - 6500 MJ/m mỗi năm (140-160 kcal/cm 2 mỗi năm) do mây mù đáng kể, độ ẩm cao và độ trong suốt của không khí kém hơn. Ở các vĩ độ ôn đới, tổng bức xạ là 5000 - 3500 MJ/m2 mỗi năm (≈ 120 - 80 kcal/cm2 mỗi năm), ở các vĩ độ cận cực - 2500 MJ/m2 mỗi năm (≈60 kcal/cm2 mỗi năm). Hơn nữa, ở Nam Cực nó lớn hơn 1,5-2 lần so với ở Bắc Cực, chủ yếu là do độ cao tuyệt đối của lục địa lớn hơn (hơn 3 km) và do đó mật độ không khí thấp, khô và trong suốt, cũng như thời tiết có mây. Việc phân vùng tổng bức xạ được thể hiện tốt hơn trên các đại dương so với trên các lục địa.

Mẫu quan trọng thứ hai tổng bức xạ là lục địa nhận được nhiều hơn đại dương, nhờ có ít mây che phủ hơn (15-30%) ở trên

lục địa. Ngoại lệ duy nhất là ở gần vĩ độ xích đạo, vì vào ban ngày có ít mây đối lưu trên đại dương hơn trên đất liền.

Tính năng thứ bađó có phải là ở bán cầu bắc, có nhiều lục địa hơn, tổng bức xạ nhìn chung lớn hơn ở bán cầu đại dương phía nam.

Vào tháng 6, bán cầu bắc, đặc biệt là các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới trong đất liền, nhận được lượng bức xạ mặt trời hàng tháng cao nhất. Ở các vĩ độ ôn đới và vùng cực, lượng bức xạ thay đổi đôi chút giữa các vĩ độ, vì sự giảm góc tới của tia được bù đắp bằng thời gian nắng, lên tới ngày vùng cực ngoài Vòng Bắc Cực. Ở bán cầu nam, với vĩ độ ngày càng tăng, bức xạ giảm nhanh và trên Vòng Nam Cực bằng không.

Tháng 12 Nam bán cầu nhận được nhiều bức xạ hơn phía bắc. Tại thời điểm này số tiền hàng tháng cao nhất năng lượng nhiệt mặt trời xảy ra ở các sa mạc của Úc và Kalahari; Xa hơn ở các vĩ độ ôn đới, bức xạ giảm dần, nhưng ở Nam Cực, nó lại tăng lên và đạt giá trị tương tự như ở vùng nhiệt đới. Ở bán cầu bắc, với vĩ độ ngày càng tăng, nó nhanh chóng giảm đi và không còn ngoài Vòng Bắc Cực.

Nhìn chung, biên độ tổng bức xạ hàng năm lớn nhất được quan sát thấy ở các vòng cực, đặc biệt là ở Nam Cực và nhỏ nhất ở vùng xích đạo.

Bức xạ năng lượng mặt trời (bức xạ năng lượng mặt trời) là toàn bộ vật chất và năng lượng mặt trời đi vào Trái đất. Bức xạ mặt trời gồm hai phần chính sau: thứ nhất là bức xạ nhiệt và bức xạ ánh sáng, là sự kết hợp của sóng điện từ; thứ hai, bức xạ hạt.

Trong ánh mặt trời năng lượng nhiệt phản ứng hạt nhân chuyển thành năng lượng bức xạ. Khi tia nắng mặt trời chiếu xuống bề mặt trái đất, năng lượng bức xạ lại được chuyển thành nhiệt năng. Bức xạ mặt trời do đó mang theo ánh sáng và nhiệt.

Cường độ bức xạ mặt trời. Hằng số mặt trời. Bức xạ mặt trời là nguồn nhiệt quan trọng nhất cho phong bì địa lý. Nguồn nhiệt thứ hai cho lớp vỏ địa lý là nhiệt đến từ các quả cầu và lớp bên trong của hành tinh chúng ta.

Do trong lớp vỏ địa lý có một loại năng lượng ( năng lượng bức xạ ) tương đương chuyển sang dạng khác ( năng lượng nhiệt ), thì năng lượng bức xạ của bức xạ mặt trời có thể được biểu thị bằng đơn vị nhiệt năng – joules (J).

Cường độ bức xạ mặt trời phải được đo chủ yếu bên ngoài khí quyển, vì khi đi qua quả cầu không khí, nó bị biến đổi và suy yếu. Cường độ bức xạ mặt trời được biểu thị bằng hằng số mặt trời.

Hằng số mặt trời - đây là dòng năng lượng mặt trời trong 1 phút đi vào một khu vực có tiết diện 1 cm 2, vuông góc với tia nắng mặt trời và nằm ngoài bầu khí quyển. Hằng số mặt trời cũng có thể được định nghĩa là lượng nhiệt nhận được trong 1 phút ở ranh giới trên của khí quyển bằng 1 cm 2 bề mặt đen vuông góc với tia nắng mặt trời.

Hằng số mặt trời là 1,98 cal/(cm 2 x phút), hoặc 1.352 kW/m 2 x phút.

Vì bầu khí quyển phía trên hấp thụ một phần đáng kể bức xạ nên điều quan trọng là phải biết cường độ của nó ở ranh giới trên của đường bao địa lý, tức là ở tầng bình lưu phía dưới. Bức xạ mặt trời ở ranh giới trên của đường bao địa lý được biểu thị hằng số mặt trời thông thường . Giá trị của hằng số mặt trời thông thường là 1,90 - 1,92 cal / (cm 2 x phút), hoặc 1,32 - 1,34 kW / (m 2 x phút).

Hằng số mặt trời, trái với tên gọi của nó, không giữ nguyên hằng số. Nó thay đổi do sự thay đổi khoảng cách từ Mặt trời đến Trái đất khi Trái đất di chuyển dọc theo quỹ đạo của nó. Những biến động này dù nhỏ đến đâu cũng luôn ảnh hưởng đến thời tiết, khí hậu.

Trung bình mỗi kilomet vuông Tầng đối lưu nhận được 10,8 x 10 15 J mỗi năm (2,6 x 10 15 cal). Lượng nhiệt này có thể thu được bằng cách đốt 400.000 tấn than đá. Toàn bộ Trái đất nhận được một lượng nhiệt mỗi năm được xác định bằng giá trị 5,74 x 10 24 J. (1,37 x 10 24 cal).

Sự phân bố bức xạ mặt trời “ở ranh giới trên của khí quyển” hoặc với bầu khí quyển hoàn toàn trong suốt. Kiến thức về sự phân bố bức xạ mặt trời trước khi nó đi vào khí quyển, hay còn gọi là khí hậu mặt trời (nắng) , rất quan trọng trong việc xác định vai trò và tỷ lệ tham gia của vỏ không khí Trái đất (khí quyển) trong sự phân bố nhiệt trên bề mặt trái đất và hình thành chế độ nhiệt của nó.

Lượng nhiệt và ánh sáng mặt trời nhận được trên một đơn vị diện tích được xác định, trước hết là bởi góc tới của tia sáng, tùy thuộc vào độ cao của Mặt trời so với đường chân trời và thứ hai là theo độ dài của ngày.

Sự phân bố bức xạ ở ranh giới trên của đường bao địa lý, chỉ được xác định bởi các yếu tố thiên văn, đồng đều hơn so với sự phân bố thực tế của nó trên bề mặt trái đất.

Trong trường hợp không có bầu khí quyển, lượng bức xạ hàng năm ở vĩ độ xích đạo sẽ là 13.480 MJ/cm2 (322 kcal/cm2), và ở các cực là 5.560 MJ/m2 (133 kcal/cm2). Đến các vĩ độ cực, Mặt trời gửi nhiệt ít hơn một nửa (khoảng 42%) lượng nhiệt đến xích đạo.

Có vẻ như bức xạ mặt trời của Trái đất là đối xứng so với mặt phẳng xích đạo. Nhưng điều này chỉ xảy ra hai lần một năm, vào những ngày xuân phân và thu phân. Độ nghiêng của trục quay và chuyển động hàng năm của Trái đất xác định bức xạ không đối xứng của nó bởi Mặt trời. Vào tháng 1 trong năm, bán cầu nam nhận được nhiều nhiệt hơn và vào tháng 7, bán cầu bắc nhận được nhiều nhiệt hơn. Đây chính xác là những gì nó là Lý do chính nhịp điệu theo mùa trong phạm vi địa lý.

Sự chênh lệch giữa xích đạo và cực của bán cầu mùa hè là nhỏ: xích đạo nhận được 6.740 MJ/m2 (161 kcal/cm2) và cực nhận được khoảng 5.560 MJ/m2 (133 kcal/cm2 trong nửa năm). Nhưng các quốc gia vùng cực của bán cầu mùa đông đồng thời hoàn toàn bị thiếu nhiệt và ánh sáng mặt trời.

Vào ngày hạ chí, cực thậm chí còn nhận được nhiều nhiệt hơn cả xích đạo - 46,0 MJ/m2 (1,1 kcal/cm2) và 33,9 MJ/m2 (0,81 kcal/cm2).

Nhìn chung, khí hậu mặt trời hàng năm ở hai cực lạnh hơn ở xích đạo 2,4 lần. Tuy nhiên, chúng ta phải nhớ rằng vào mùa đông, các cực hoàn toàn không được Mặt trời sưởi ấm.

Khí hậu thực tế của tất cả các vĩ độ phần lớn là do các yếu tố trên mặt đất. Điều quan trọng nhất trong số các yếu tố này là: thứ nhất là sự suy yếu của bức xạ trong khí quyển và thứ hai là cường độ hấp thụ bức xạ mặt trời khác nhau của bề mặt trái đất trong các điều kiện địa lý khác nhau.

Sự thay đổi bức xạ mặt trời khi đi qua bầu khí quyển. Ánh sáng mặt trời trực tiếp xuyên qua bầu khí quyển dưới bầu trời không mây được gọi là bức xạ mặt trời trực tiếp . Giá trị tối đa của nó là ở độ trong suốt cao của khí quyển trên bề mặt vuông góc với các tia trong vùng nhiệt đới tương đương khoảng 1,05 - 1,19 kW/m 2 (1,5 - 1,7 cal/cm 2 x phút. Ở các vĩ độ trung bình, điện áp của bức xạ giữa trưa thường khoảng 0,70 - 0,98 kW/m 2 x phút (1,0 – 1,4 cal/ cm 2 x phút) Ở vùng núi giá trị này tăng lên đáng kể.

Một số tia nắng mặt trời khi tiếp xúc với các phân tử khí và sol khí bị phân tán và trở thành bức xạ tán xạ . Bức xạ tán xạ không còn đến bề mặt trái đất từ đĩa mặt trời mà từ toàn bộ bầu trời và tạo ra ánh sáng ban ngày lan rộng. Từ cô ấy đến những ngày nắngĐó cũng là ánh sáng nơi các tia trực tiếp không xuyên qua được, chẳng hạn như dưới tán rừng. Cùng với bức xạ trực tiếp, bức xạ khuếch tán cũng đóng vai trò là nguồn nhiệt và ánh sáng.

Giá trị tuyệt đốiĐường truyền trực tiếp càng mạnh thì lượng bức xạ tán xạ càng lớn. Giá trị tương đối Bức xạ tán xạ tăng khi vai trò của bức xạ trực tiếp giảm dần: ở vĩ độ trung bình vào mùa hè, nó chiếm 41% và vào mùa đông là 73% tổng lượng bức xạ đi vào. Trọng lượng riêng bức xạ tán xạ trong Tổng giá trị Tổng bức xạ cũng phụ thuộc vào độ cao của Mặt trời. Ở vĩ độ cao, bức xạ tán xạ chiếm khoảng 30% và ở vĩ độ cực, nó chiếm khoảng 70% tổng lượng bức xạ.

Nhìn chung, bức xạ tán xạ chiếm khoảng 25% tổng lượng tia mặt trời tới hành tinh của chúng ta.

Do đó, bức xạ trực tiếp và khuếch tán tới bề mặt trái đất. Cùng nhau, dạng bức xạ trực tiếp và tán xạ tổng bức xạ , xác định chế độ nhiệt của tầng đối lưu .

Bằng cách hấp thụ và tán xạ bức xạ, bầu khí quyển làm suy yếu nó đáng kể. Lượng suy giảm phụ thuộc hệ số minh bạch, cho biết tỷ lệ bức xạ tới được bề mặt trái đất. Nếu tầng đối lưu chỉ bao gồm các loại khí thì hệ số trong suốt sẽ bằng 0,9, tức là nó sẽ truyền khoảng 90% bức xạ tới Trái đất. Tuy nhiên, các sol khí luôn hiện diện trong không khí làm giảm hệ số trong suốt xuống còn 0,7 - 0,8. Độ trong suốt của khí quyển thay đổi theo thời tiết.

Vì mật độ không khí giảm theo độ cao nên lớp khí bị tia xuyên qua không được biểu thị bằng km độ dày khí quyển. Đơn vị đo được sử dụng là khối lượng quang học, bằng độ dày của lớp không khí với tia tới theo phương thẳng đứng.

Sự suy yếu của bức xạ trong tầng đối lưu rất dễ quan sát vào ban ngày. Khi Mặt trời ở gần đường chân trời, các tia của nó xuyên qua một số khối quang học. Đồng thời, cường độ của chúng yếu đi đến mức người ta có thể nhìn Mặt trời bằng mắt không được bảo vệ. Khi Mặt trời mọc, khối lượng quang học mà các tia của nó đi qua giảm đi, dẫn đến bức xạ tăng lên.

Mức độ suy giảm bức xạ mặt trời trong khí quyển được biểu thị Công thức Lambert :

I i = I 0 p m , ở đâu

I i – bức xạ tới bề mặt trái đất,

I 0 – hằng số mặt trời,

p - hệ số minh bạch,

m là số khối lượng quang học.

Bức xạ mặt trời trên bề mặt trái đất. Lượng năng lượng bức xạ trên một đơn vị bề mặt trái đất trước hết phụ thuộc vào góc tới của tia nắng mặt trời. TRÊN khu vực giống hệt nhau Tại xích đạo, vĩ độ trung bình và vĩ độ cao có lượng bức xạ khác nhau.

Ánh nắng mặt trời (ánh sáng) giảm đi đáng kể mây mù. Những đám mây lớn ở vĩ độ xích đạo và ôn đới và những đám mây thấp ở vĩ độ nhiệt đới tạo ra những điều chỉnh đáng kể đối với sự phân bố năng lượng bức xạ mặt trời theo vùng.

Sự phân bố nhiệt mặt trời trên bề mặt trái đất được mô tả trên bản đồ tổng bức xạ mặt trời. Như những bản đồ này cho thấy, số lớn nhất nhiệt mặt trời - từ 7.530 đến 9.200 MJ/m2 (180-220 kcal/cm2) được nhận ở các vĩ độ nhiệt đới. Các vĩ độ xích đạo do có nhiều mây nên nhận được ít nhiệt hơn một chút: 4.185 – 5.860 MJ/m2 (100-140 kcal/cm2).

Từ vĩ độ nhiệt đới đến ôn đới, bức xạ giảm dần. Ở các đảo Bắc Cực, lượng này không quá 2.510 MJ/m2 (60 kcal/cm2) mỗi năm. Sự phân bố bức xạ trên bề mặt trái đất có tính chất vùng-khu vực. Mỗi khu được chia thành các khu vực (khu vực) riêng biệt, hơi khác nhau một chút.

Biến đổi theo mùa tổng bức xạ.

Ở các vĩ độ xích đạo và nhiệt đới, độ cao của Mặt trời và góc tới của tia mặt trời thay đổi đôi chút theo từng tháng. Tổng bức xạ các tháng có đặc điểm là có giá trị lớn, thay đổi theo mùađiều kiện nhiệt hoặc không có hoặc rất không đáng kể. Ở vành đai xích đạo, hai cực đại được nhìn thấy mờ nhạt, tương ứng với vị trí thiên đỉnh của Mặt trời.

TRONG vùng ôn đới Trong quá trình bức xạ hàng năm, cực đại mùa hè được biểu hiện rõ ràng, trong đó giá trị tổng bức xạ hàng tháng không nhỏ hơn giá trị nhiệt đới. Con số tháng ấm áp giảm theo vĩ độ.

Ở các vùng cực chế độ bức xạ thay đổi đáng kể. Ở đây, tùy thuộc vào vĩ độ, từ vài ngày đến vài tháng, không chỉ sưởi ấm mà cả ánh sáng cũng dừng lại. Vào mùa hè, ánh sáng ở đây diễn ra liên tục, điều này làm tăng đáng kể lượng bức xạ hàng tháng.

Sự đồng hóa bức xạ của bề mặt trái đất. suất phản chiếu. Tổng bức xạ tới bề mặt trái đất được đất và nước hấp thụ một phần và chuyển thành nhiệt. Trên các đại dương và biển, tổng lượng bức xạ được dành cho sự bốc hơi. Một phần của tổng bức xạ được phản xạ vào khí quyển ( bức xạ phản xạ).

Tất cả các loại tia mặt trời đều chiếu tới bề mặt trái đất theo ba cách - dưới dạng bức xạ mặt trời trực tiếp, phản xạ và khuếch tán.
Bức xạ mặt trời trực tiếp- Đây là những tia tới trực tiếp từ mặt trời. Cường độ (hiệu quả) của nó phụ thuộc vào độ cao của mặt trời so với đường chân trời: cực đại được quan sát vào buổi trưa và cực tiểu vào buổi sáng và buổi tối; tùy theo thời điểm trong năm: tối đa - vào mùa hè, tối thiểu - vào mùa đông; về độ cao của khu vực so với mực nước biển (ở vùng núi cao hơn ở đồng bằng); về trạng thái của khí quyển (ô nhiễm không khí làm giảm nó). Phổ bức xạ mặt trời phụ thuộc vào độ cao của mặt trời so với đường chân trời (mặt trời càng ở phía trên đường chân trời thì càng ít). tia cực tím).
Bức xạ mặt trời phản xạ- đây là những tia sáng mặt trời được trái đất phản chiếu hoặc mặt nước. Cô ấy thể hiện bản thân phần trăm của tia phản xạ trên tổng dòng của chúng được gọi là suất phản chiếu. Độ lớn của suất phản chiếu phụ thuộc vào bản chất của các bề mặt phản xạ. Khi tổ chức và tiến hành tắm nắng, cần phải biết và tính đến suất phản chiếu của các bề mặt nơi thực hiện việc tắm nắng. tắm nắng. Một số trong số chúng được đặc trưng bởi độ phản xạ chọn lọc. Tuyết phản ánh hoàn toàn tia hồng ngoại và tia cực tím - ở mức độ thấp hơn.

Bức xạ mặt trời tán xạđược hình thành do sự tán xạ của ánh sáng mặt trời trong khí quyển. Các phân tử không khí và các hạt lơ lửng trong đó (những giọt nước nhỏ, tinh thể băng, v.v.), được gọi là sol khí, phản xạ một phần tia. Do phản xạ nhiều lần, một số trong số chúng vẫn chạm tới bề mặt trái đất; Đây là những tia nắng rải rác. Phần lớn các tia cực tím, tím và xanh lam bị tán xạ, quyết định màu xanh của bầu trời khi thời tiết quang đãng. Tỷ lệ tia tán xạ cao ở vĩ độ cao (ở khu vực phía Bắc). Ở đó mặt trời ở vị trí thấp so với đường chân trời và do đó đường đi của các tia tới bề mặt trái đất dài hơn. TRÊN đường dài tia gặp nhiều chướng ngại vật hơn và đến một mức độ lớn hơn tiêu tan.

(http://new-med-blog.livejournal.com/204

Tổng bức xạ mặt trời- tất cả các bức xạ mặt trời trực tiếp và khuếch tán tới bề mặt trái đất. Tổng bức xạ mặt trời được đặc trưng bởi cường độ. Với bầu trời không mây, tổng bức xạ mặt trời có gia trị lơn nhât vào khoảng giữa trưa và quanh năm vào mùa hè.

Cân bằng bức xạ
Cân bằng bức xạ của bề mặt trái đất là sự chênh lệch giữa tổng bức xạ mặt trời được bề mặt trái đất hấp thụ và bức xạ hiệu dụng của nó. Đối với bề mặt trái đất
- phần tới được hấp thụ bức xạ mặt trời trực tiếp và khuếch tán, cũng như hấp thụ bức xạ ngược từ khí quyển;
- phần tiêu hao bao gồm sự mất nhiệt do bức xạ của chính trái đất.

Sự cân bằng bức xạ có thể tích cực(ban ngày, mùa hè) và tiêu cực(vào ban đêm, vào mùa đông); được đo bằng kW/sq.m/phút.
Cân bằng bức xạ của bề mặt trái đất - thành phần thiết yếu cân bằng nhiệt của bề mặt trái đất; một trong những yếu tố hình thành khí hậu chính.

Cân bằng nhiệt của bề mặt trái đất- tổng đại số tất cả các loại nhiệt vào và ra bề mặt đất liền và đại dương. Bản chất của cân bằng nhiệt và nó mức năng lượng xác định các tính năng và cường độ của hầu hết các quá trình ngoại sinh. Các thành phần chính của cân bằng nhiệt đại dương là:
- cân bằng bức xạ;
- tiêu thụ nhiệt cho quá trình bay hơi;
- trao đổi nhiệt hỗn loạn giữa bề mặt đại dương và khí quyển;
- trao đổi nhiệt hỗn loạn theo chiều dọc của bề mặt đại dương với các lớp bên dưới; Và
- đối lưu đại dương theo chiều ngang.

(http://www.glossary.ru/cgi-bin/gl_sch2.c gi?RQgkog.outt:p!hgrgtx!nlstup!vuilw)tux yo)

Đo bức xạ mặt trời.

Máy đo độ nhạy và máy đo nhiệt độ được sử dụng để đo bức xạ mặt trời. Cường độ bức xạ mặt trời thường được đo bằng hiệu ứng nhiệt của nó và được biểu thị bằng calo trên một đơn vị diện tích bề mặt trên một đơn vị thời gian.

(http://www.ecosystema.ru/07referats/slo vgeo/967.htm)

Cường độ bức xạ mặt trời được đo bằng pyranometer Janiszewski hoàn chỉnh với điện kế hoặc chiết áp.

Khi đo tổng bức xạ mặt trời, pyranometer được lắp đặt không có màn chắn bóng, còn khi đo bức xạ tán xạ, nó được lắp đặt với màn chắn bóng. Bức xạ mặt trời trực tiếp được tính bằng chênh lệch giữa bức xạ toàn phần và bức xạ khuếch tán.

Khi xác định cường độ bức xạ mặt trời tới trên hàng rào, nhật xạ kế được lắp đặt trên đó sao cho bề mặt cảm nhận được của thiết bị hoàn toàn song song với bề mặt của hàng rào. Nếu không có thiết bị ghi bức xạ tự động thì nên thực hiện phép đo 30 phút một lần từ lúc mặt trời mọc đến lúc mặt trời lặn.

Bức xạ tới trên bề mặt hàng rào không được hấp thụ hoàn toàn. Tùy thuộc vào kết cấu và màu sắc của hàng rào, một số tia sẽ bị phản xạ. Tỷ số giữa bức xạ phản xạ và bức xạ tới, được biểu thị bằng phần trăm, được gọi là suất phản chiếu bề mặt và được đo bằng máy đo suất phản chiếu P.K. Kalitina hoàn chỉnh với điện kế hoặc chiết áp.

Để có độ chính xác cao hơn, các quan sát phải được thực hiện dưới bầu trời quang đãng và có ánh nắng gay gắt chiếu vào hàng rào.

(http://www.constructioncheck.ru/default.a spx?textpage=5)