Интензитет на радиация от слънчевата маса. Оценка на енергията на слънчевата радиация
По какви причини се променя, когато става дума за земната повърхност?
Има няколко такива причини.
Известно е, че Земята се върти около Слънцето не в кръг, а в елипса. В резултат на това разстоянието между Земята и Слънцето се променя непрекъснато през цялата година. Най-малкото разстояние е през януари, когато Земята е в перихелий, а най-голямото е през юли, когато Земята е в афелий.
Благодарение на това всеки квадратен сантиметърповърхност, разположена перпендикулярно на слънчевите лъчи, през януари ще получи слънчева радиация 7 процента повече от юли. Тези периодични промени, повтарящи се от година на година, се поддават на най-точно изчисление и не се нуждаят от измервания.
Освен това, в зависимост от височината на Слънцето над хоризонта, дължината на пътя на слънчевия лъч в атмосферата се променя много значително. Колкото по-ниско е Слънцето над хоризонта, толкова по-малко слънчева радиация трябва да достигне до земната повърхност. Познавайки разсейващите и поглъщащите свойства на така наречената идеална атмосфера, тоест абсолютно чиста и суха, е възможно да се изчисли каква би била радиацията на земната повърхност в този случай и да се сравни с нея радиацията, наблюдавана в естествени условия .
Такова сравнение е направено в табл. 1, който дава стойности за слънчеви височини от 5 до 60 градуса.
Както се вижда от таблицата, наличието дори на идеална атмосфера има много силен ефект върху слънчевата радиация: колкото по-ниска е височината на Слънцето, толкова по-значително е отслабена радиацията.
Ако изобщо нямаше атмосфера, тогава на всяка височина на Слънцето винаги щяхме да наблюдаваме една и съща стойност - 1,88 калории. При височина на Слънцето от 60 градуса идеалната атмосфера отслабва слънчевата радиация с 0,22 калории, докато реалната атмосфера я отслабва с още 0,35 калории, главно поради съдържанието на водни пари и прах в реалната атмосфера. В този случай до земната повърхност достигат само 1,31 калории. При височина на Слънцето 30 градуса идеалната атмосфера намалява радиацията с 0,31 калории, а до Земята достигат 1,11 калории. При височина на слънцето от 5 градуса, съответните цифри ще бъдат 0,73 и 0,39 калории. Ето колко атмосферата отслабва слънчевата радиация!
На фиг. 5 това свойство на атмосферата може да се види особено ясно. Тук височините на Слънцето са нанесени вертикално, а процентите на затихване са нанесени хоризонтално.
Хоризонталното засенчване показва затихването на слънчевата радиация в идеална атмосфера, наклоненото засенчване показва затихването, причинено от водни пари и прах, съдържащи се в реалната атмосфера, а вертикалното засенчване показва количеството радиация, което в крайна сметка достига земната повърхност.
От тази графика се вижда например, че при средна прозрачност на атмосферата и височина на Слънцето 60 градуса до земната повърхност достига 70 процента от радиацията, при 30 градуса - 60 процента, а при 5 градуса - само 20 процента.
Разбира се, в някои случаи прозрачността на атмосферата може да се различава значително от средната, особено в посока на нейното намаляване.
Интензитетът на падащото лъчение върху хоризонтална повърхност също зависи от ъгъла на неговото падане.
Това обяснява фиг. 6. Да кажем, че слънчев лъч със сечение 1 квадратен метърпада върху равнината ab под различни ъгли. бременна азкогато лъчът пада перпендикулярно, цялата енергия, съдържаща се в слънчевия лъч, ще бъде разпределена върху площ от 1 квадратен метър. бременна IIслънчевите лъчи падат под ъгъл по-малък от 90 градуса; в този случай върху района пада сноп слънчеви лъчи със същото напречно сечение като в първия случай vg, което е повече аб; следователно ще е необходимо по-малко количество енергия за единица площ.
бременна IIIлъчите падат под още по-малък ъгъл; същата лъчиста енергия ще бъде разпределена върху още по-голяма площ de и има още по-малко количество на единица от нея.
Ако лъчът пада под ъгъл 30 градуса, тогава радиацията на единица площ ще бъде 2 пъти по-малка, отколкото при нормалното му падане; при височина на Слънцето 10 градуса, то ще се окаже 6 пъти по-малко, а при височина 5 градуса - 12 пъти.
Ето защо през зимата, при ниска надморска височина на Слънцето, притокът на радиация е толкова малък. От една страна, той намалява, защото слънчевият лъч изминава дълъг път в атмосферата и губи много енергия по пътя; от друга страна, самото лъчение пада под малък ъгъл. И двете причини действат в една и съща посока и напрежението на слънчевата радиация е съвсем незначително в сравнение с лятото и следователно ефектът на нагряване е незначителен; особено ако се има предвид, че зимните дни са кратки.
И така, основните фактори, които влияят върху количеството слънчева радиация, достигаща земната повърхност, са височината на Слънцето над хоризонта и ъгълът на падане на радиацията. Следователно трябва да очакваме предварително значителни промени в слънчевата радиация в зависимост от географската ширина на мястото.
Тъй като системните наблюдения на слънчевата радиация вече са правени в много точки и за дълго време, интересно е да се види какви са най-големите стойности, получени през това време при естествени условия.
Слънчевата константа е 1,88 калории. Това е количеството радиация при липса на атмосфера. При идеална атмосфера, в средните географски ширини, през лятото, около обяд, радиацията би била приблизително 1,65 калории.
Какво дават преките наблюдения в природни условия?
В табл. 2 е обобщение на най-високите стойности на слънчевата радиация, получени от наблюдения за дълъг период от време.
На територията на СССР най-високата измерена стойност на радиация (за малка надморска височина) е 1,51 калории. Втората колона с числа показва какъв процент радиация, в сравнение с възможната при липса на атмосфера, е достигнала до земната повърхност; се оказва, че в най-добрият случайдостига само 80 процента; 20 процента не позволява атмосферата. В полярните страни този процент е само малко по-малък (70), което се обяснява с високата прозрачност на атмосферата в Арктика, особено като се има предвид, че височината на Слънцето по време на наблюдения е много по-ниска там, отколкото в точки, разположени по-южно.
Съвсем естествено е в планините и като цяло в по-високите слоеве на атмосферата интензитетът на слънчевата радиация да се увеличи, тъй като масата на атмосферата, премината от слънчевия лъч, намалява. При съвременно развитиеавиация, може да се очаква, че са направени многобройни измервания на различни височини, но, за съжаление, това не е така: измерванията на височини са единични. Това се обяснява със сложността на актинометричните измервания на балони и особено на самолети; освен това техниката за измерване на радиация на голяма надморска височина е разработена много малко.
Ако намерите грешка, моля, маркирайте част от текста и щракнете Ctrl+Enter.
Източник на информация: Осадчи Генадий Борисович
Публикувано на 22.10.2012 г
За да определим основните и второстепенни фактори, влияещи върху ефективността на съхранение на слънчева енергия от соларно солено езерце, основният модул на редица системи и инсталации за възобновяеми енергийни източници (ВЕИ), нека се обърнем към Фигура 1 - която показва паралелни и последователни напредване на топлината на Слънцето към горещата саламура на слънчевото солено езерце. Както и текущи промени в ценностите различни видовеслънчева радиация и общата им стойност по пътя.
Фигура 1 - Хистограма на промените в интензитета на слънчевата радиация (енергия) по пътя към горещата саламура на слънчевото солено езеро.
За да оценим ефективността на активното използване на различни видове слънчева радиация, ще определим кои от природните, изкуствените и експлоатационните фактори имат положителен ефект и кои Отрицателно влияниевърху концентрацията (увеличаването на получаването) на слънчевата радиация в езерото и натрупването й с гореща саламура.
Земята и атмосферата получават от Слънцето 1,3∙10 24 кал топлина годишно. Измерва се чрез интензитет, т.е. количеството лъчиста енергия (в калории), което идва от Слънцето за единица време към повърхността, перпендикулярна на слънчевите лъчи.
Лъчистата енергия на Слънцето достига Земята под формата на пряка и разсеяна радиация, т.е. обща сума. Тя се абсорбира от земната повърхност и не се превръща напълно в топлина, част от нея се губи под формата на отразена радиация.
Към късовълновата част на спектъра принадлежат пряката и разсеяната (сумарна), отразената и погълнатата радиация. Заедно с късовълновата радиация в земната повърхност навлиза дълговълнова радиация от атмосферата (противорадиация), от своя страна земната повърхност излъчва дълговълнова радиация (самоизлъчване).
Директната слънчева радиация се отнася до основния природен фактор при доставянето на енергия на водната повърхност на слънчево солено езеро.
Слънчевата радиация, достигаща до активната повърхност под формата на сноп от успоредни лъчи, излъчвани директно от слънчевия диск, се нарича пряка слънчева радиация.
Пряката слънчева радиация принадлежи към късовълновата част на спектъра (с дължини на вълните λ от 0,17 до 4 микрона, всъщност лъчите с дължина на вълната 0,29 микрона достигат земната повърхност).
Слънчевият спектър може да бъде разделен на три основни области:
Ултравиолетова радиация (λ< 0,4 мкм) - 9 % интенсивности.
Късовълнова ултравиолетова област (λ< 0,29 мкм) практически полностью отсутствует на уровне моря вследствие поглощения О2, О3, О, N2 и их ионами;
Близък ултравиолетов диапазон (0,29 µm< λ < 0,4 мкм) достигает Земли малой долей излучения, но вполне достаточной для загара;
Видима радиация (0,4 µm< λ < 0,7 мкм) - 45 % интенсивности.
Чистата атмосфера пропуска видимата радиация почти изцяло и се превръща в „прозорец“, отворен за този вид слънчева енергия, за да премине към Земята. Наличието на аерозоли и атмосферното замърсяване могат да бъдат причина за значителното поглъщане на радиация в този спектър.
Инфрачервено лъчение (λ > 0,7 µm) - 46% интензитет. Среден инфрачервена(0,7 µm<λ < 2,5 мкм). На этот диапазон спектра приходится почти половина интенсивности солнечного излучения. Более 20 % солнечной энергии поглощается в атмосфере, в основном парами воды и СО2 (диоксидом углерода). Концентрация СО2 в атмосфере относительно постоянна и составляет 0,03 %, а концентрация паров воды меняется очень сильно - почти до 4 %.
При дължини на вълните, по-големи от 2,5 микрона, слабото извънземно лъчение се абсорбира интензивно от CO2 и водата, така че само малка част от този диапазон слънчева енергия достига повърхността на Земята.
Далечният инфрачервен диапазон (λ > 12 μm) на слънчевата радиация практически не достига до Земята.
От гледна точка на използването на слънчевата енергия на Земята трябва да се има предвид само радиацията в диапазона на дължината на вълната 0,29 - 2,5 μm.
По-голямата част от слънчевата енергия извън атмосферата е в диапазона на дължината на вълната 0,2 - 4 микрона, а на земната повърхност - в диапазона на дължината на вълната 0,29 - 2,5 микрона.
Да видим как се преразпределят общ изглед, потоци от енергия, които Слънцето дава на Земята. Нека вземем 100 произволни единици слънчева енергия (1,36 kW/m 2 ), падащи на Земята, и проследим техните пътища в атмосферата. Един процент (13,6 W/m2), късият ултравиолетов лъч на слънчевия спектър, се абсорбира от молекулите в екзосферата и термосферата, като ги нагрява. Други три процента (40,8 W / m 2) от близката ултравиолетова светлина се абсорбират от озона на стратосферата.
Инфрачервената опашка на слънчевия спектър (4% или 54,4 W / m 2) остава в горните слоеве на тропосферата, съдържаща водна пара (отгоре практически няма водна пара).
Останалите 92 дяла слънчева енергия (1,25 kW / m 2) попадат върху "прозореца на прозрачност" на атмосферата от 0,29 микрона<λ < 2,5 мкм. Они проникают в плотные приземные слои воздуха. Значительная часть их (45 единиц или 612 Вт/м 2), преимущественно в синей видимой части спектра, рассеиваются воздухом, придавая голубой цвет небу. Прямые солнечные лучи - оставшиеся 47 процентов (639,2 Вт/м 2) начального светового потока - достигают поверхности. Она отражает примерно 7 процентов (95,2 Вт/м 2) из этих 47 % (639,2 Вт/м 2) и этот свет по пути в космос отдает ещё 3 единицы (40,8 Вт/м 2) диффузному рассеянному свету неба. Сорок же долей энергии солнечных лучей, и ещё 8 от атмосферы (всего 48 или 652,8 Вт/м 2) поглощаются поверхностью Земли, нагревая сушу и океан.
Светлинната мощност, разпръсната в атмосферата (само 48 дяла или 652,8 W / m 2), се абсорбира частично от нея (10 дяла или 136 W / m 2), а останалата част се разпределя между повърхността на Земята и космоса. Повече отива в открития космос, отколкото попада на повърхността, 30 дяла (408 W/m 2) нагоре, 8 дяла (108,8 W/m 2) надолу.
Това беше общата осреднена картина на преразпределението на слънчевата енергия в земната атмосфера. Това обаче не позволява решаването на конкретни проблеми с използването на слънчевата енергия за задоволяване на нуждите на човек в определен район на неговото пребиваване и работа и ето защо.
Атмосферата на Земята отразява по-добре наклонените слънчеви лъчи, така че часовата инсолация на екватора и на средните ширини е много по-голяма, отколкото на високите ширини.
Височините на Слънцето (над хоризонта) от 90, 30, 20 и 12 ⁰ (въздушната (оптична) маса (m) на атмосферата съответства на 1, 2, 3 и 5) с безоблачна атмосфера съответства до интензитет от около 900, 750, 600 и 400 W / m 2 (при 42 ⁰ - m = 1,5 и при 15 ⁰ - m = 4). В действителност общата енергия на падащото лъчение надвишава посочените стойности, тъй като включва не само директната компонента, но и стойността на разсеяната компонента на интензитета на радиацията върху хоризонталната повърхност, разпръсната при въздушни маси 1, 2, 3, и 5 при тези условия, съответно, е равно на 110, 90, 70 и 50 W / m 2 (с коефициент 0,3 - 0,7 за вертикалната равнина, тъй като се вижда само половината от небето). В допълнение, в областите на небето, близки до Слънцето, има "околослънчев ореол" в радиус от ≈ 5⁰.
Таблица 1 показва данни за слънчевата светлина за различни региони на Земята.
Таблица 1 - Инсолация на директния компонент по региони за чиста атмосфера.
Таблица 1 показва, че дневното количество слънчева радиация е максимално не на екватора, а близо до 40 ⁰. Подобен факт е следствие и от наклона на земната ос към равнината на нейната орбита. По време на лятното слънцестоене Слънцето в тропиците е почти през целия ден над главата и светлата част на деня е 13,5 часа, повече отколкото на екватора в деня на равноденствието. С увеличаване на географската ширина продължителността на деня се увеличава и въпреки че интензивността на слънчевата радиация намалява, максималната стойност на дневната инсолация се появява на ширина от около 40 ⁰ и остава почти постоянна (за условия на безоблачно небе) до Арктическия кръг.
Трябва да се подчертае, че данните в таблица 1 са валидни само за чиста атмосфера. Като се има предвид облачността и замърсяването на атмосферата от промишлени отпадъци, характерни за много страни по света, стойностите, дадени в таблицата, трябва да бъдат поне наполовина. Например за Англия през 70-те години на ХХ век, преди началото на борбата за опазване на околната среда, годишното количество слънчева радиация е само 900 kWh/m 2 вместо 1700 kWh/m 2 .
Първите данни за прозрачността на атмосферата на езерото Байкал са получени от В.В. Буфалом през 1964 г Той показа, че стойностите на пряката слънчева радиация над Байкал са средно с 13% по-високи, отколкото в Иркутск. Средният спектрален коефициент на прозрачност на атмосферата в Северен Байкал през лятото е 0,949, 0,906, 0,883 съответно за червени, зелени и сини филтри. През лятото атмосферата е оптически по-нестабилна, отколкото през зимата, и тази нестабилност варира значително от предиобедните до следобедните часове. В зависимост от годишния ход на затихване от водни пари и аерозоли, техният принос в общото затихване на слънчевата радиация също се променя. Аерозолите играят основна роля в студената част на годината, а водните пари – в топлата част от годината. Байкалският басейн и езерото Байкал се отличават със сравнително висока интегрална прозрачност на атмосферата. При оптична маса m = 2, средните стойности на коефициента на прозрачност варират от 0,73 (през лятото) до 0,83 (през зимата).
Аерозолите значително намаляват потока на пряка слънчева радиация във водната площ на езерото и те абсорбират предимно радиация от видимия спектър, с дължина на вълната, която свободно преминава през свежия слой на езерото, а това е от голямо значение за натрупването на слънчева енергия. енергия край езерото. (Слой вода с дебелина 1 см е практически непрозрачен за инфрачервено лъчение с дължина на вълната над 1 микрон). Затова като топлозащитен филтър се използва вода с дебелина няколко сантиметра. За стъкло ограничението за предаване на инфрачервени лъчи с дължина на вълната е 2,7 µm.
Голям брой прахови частици, свободно транспортирани през степта, също намаляват прозрачността на атмосферата.
Електромагнитно лъчение се излъчва от всички нагрети тела и колкото по-студено е тялото, толкова по-малък е интензитетът на лъчението и толкова повече се измества максимумът на спектъра му в областта на дългите вълни. Има много проста зависимост λ max X T = c 1 [c 1 = 0,2898 cm∙deg. (закон на Виен)], с помощта на който лесно се установява къде се намира максималното излъчване на тяло с температура T (⁰K). Например, човешко тяло с температура 37 + 273 = 310 ⁰K излъчва инфрачервени лъчи с максимум близо до стойността λ max = 9,3 µm. А стените, например на слънчева сушилня, с температура 90 ⁰С, ще излъчват инфрачервени лъчи с максимум близо до стойността λ = 8 µm.
Видима слънчева радиация (0,4 µm< λ < 0,7 мкм) имеет 45 % интенсивности потому, что температура поверхности Солнца 5780 ⁰К.
По едно време голям напредък беше преходът от електрическа лампа с нажежаема жичка с въглеродна жичка към модерна лампа с волфрамова жичка. Работата е там, че въглеродната нишка може да бъде доведена до температура от 2100 ⁰K, а волфрамова нишка - до 2500 ⁰K. Защо тези 400 ⁰K са толкова важни? Работата е там, че целта на лампата с нажежаема жичка не е да загрява, а да дава светлина. Следователно е необходимо да се постигне такава ситуация, че максимумът на кривата да пада върху видимото изследване. Идеалното би било да има нишка, която може да издържи на температурата на слънчевата повърхност. Но дори преходът от 2100 до 2500 ⁰K увеличава частта от енергията, която се дължи на видимата радиация, от 0,5 на 1,6%.
Всеки може да усети инфрачервените лъчи, излъчвани от тяло, загрято само до 60 - 70 ⁰С, като поднесе дланта си отдолу (за да се премахне топлинната конвекция).
Пристигането на пряка слънчева радиация във водната площ на езерото съответства на пристигането й на хоризонталната повърхност на облъчване. В същото време горното показва несигурността на количествените характеристики на пристигането в определен момент от време, както сезонни, така и дневни. Само височината на Слънцето (оптичната маса на атмосферата) е постоянна характеристика.
Натрупването на слънчева радиация от земната повърхност и езерцето се различават значително.
Естествените повърхности на Земята имат различни отразяващи (поглъщащи) способности. Така тъмните повърхности (чернозем, торфени блата) имат ниска стойност на албедо от около 10%. (Албедото на повърхността е съотношението на радиационния поток, отразен от тази повърхност в околното пространство, към потока, който е паднал върху нея).
Светлите повърхности (бял пясък) имат голямо албедо, 35 - 40%. Албедото на тревните повърхности варира от 15 до 25%.
Албедото на короната на широколистна гора през лятото е 14–17%, а на иглолистна гора е 12–15%. Албедото на повърхността намалява с увеличаване на слънчевата надморска височина.
Албедото на водните повърхности е в диапазона 3 - 45%, в зависимост от височината на Слънцето и степента на вълнение.
При спокойна водна повърхност албедото зависи само от височината на Слънцето (Фигура 2).
Фигура 2 - Зависимост на коефициента на отражение на слънчевата радиация за спокойна водна повърхност от височината на Слънцето.
Навлизането на слънчевата радиация и преминаването й през слой вода има свои собствени характеристики.
Като цяло, оптичните свойства на водата (нейните разтвори) във видимата област на слънчевата радиация са показани на фигура 3.
F o- поток (мощност) на падащото лъчение;
F отр- поток от радиация, отразен от водната повърхност;
F абсорбирае потокът от радиация, погълнат от водната маса;
F prе потокът от радиация, преминал през водната маса.
Коефициент на отражение на тялото p \u003d F neg /F o;
Коефициент на поглъщане a \u003d F етаж / F o;
Пропускливост h \u003d F pr / F o;
Фигура 3 - Оптични свойства на водата (нейните разтвори) във видимата област на слънчевата радиация
На плоската граница на две среди въздух - вода се наблюдават явленията отражение и пречупване на светлината.
Когато светлината се отразява, падащият лъч, отразеният лъч и перпендикулярът към отразяващата повърхност, възстановен в точката на падане на лъча, лежат в една и съща равнина, а ъгълът на отражение е равен на ъгъла на падане. В случай на пречупване падащият лъч, перпендикулярът, възстановен в точката на падане на лъча към интерфейса между две среди, и пречупеният лъч лежат в една и съща равнина. Ъгълът на падане a и ъгълът на пречупване B (Фигура 4) са свързани sin a / sin B = n 2, където n 2 е абсолютният индекс на пречупване на втората среда, n 1 - първата. Тъй като за въздух n \u003d 1, тогава формулата ще приеме формата sin a / sin B \u003d n 2.
Фигура 4 - Пречупване на лъчите по време на прехода от въздух към вода
Когато лъчите преминават от въздух във вода, те се приближават до "перпендикуляра на падане"; например, лъч, падащ върху водата под ъгъл спрямо перпендикуляра на повърхността на водата, влиза в нея вече под ъгъл, който е по-малък от (фиг. 4а). Но когато падащ лъч, плъзгащ се по повърхността на водата, падне върху водната повърхност почти под прав ъгъл спрямо перпендикуляра, например под ъгъл от 89 ⁰ или по-малко, тогава той навлиза във водата под ъгъл, по-малък от права линия, а именно под ъгъл от само 48,5 ⁰. При по-голям ъгъл спрямо перпендикуляра от 48,5 ⁰ лъчът не може да влезе във водата: това е „ограничаващият“ ъгъл за водата (Фигура 4, b).
Следователно лъчите, падащи върху водата под различни ъгли, се компресират под водата в доста стегнат конус с ъгъл на отваряне 48,5 ⁰ + 48,5 ⁰ = 97 ⁰ (фиг. 4c).
Освен това пречупването на водата зависи от нейната температура (Таблица 2), но тези промени не са толкова значителни, че да не представляват интерес за инженерната практика по разглежданата тема.
Таблица 2 - Показателят на пречупване на водата при различни температури t
Нека сега проследим хода на лъчите, които се връщат назад (от точка P) - от вода към въздух (Фигура 5). Според законите на оптиката пътищата ще бъдат еднакви и всички лъчи, съдържащи се в споменатия 97-градусов конус, ще отидат във въздуха под различни ъгли, разпространявайки се върху цялото 180-градусово пространство над водата.
Подводните лъчи, които са извън споменатия ъгъл (97 градуса), няма да излязат изпод водата, а ще се отразят изцяло от нейната повърхност, като от огледало.
Ако n 2< n 2 (вторая среда оптически менее плотная), то a < B . Наибольшему значению B = 90 ⁰ соответствует угол падения, определяемый равенством sin a o = n 2 /n 1 . При угле падения a >a o има само отразен лъч, няма пречупен лъч (явлението пълно вътрешно отражение).
Всеки подводен лъч, който среща повърхността на водата под ъгъл, по-голям от „ограничаващия“ (т.е. по-голям от 48,5 ⁰), не се пречупва, а се отразява: той претърпява „пълно вътрешно отражение“. Отражението се нарича този случайзавършено, защото всички падащи лъчи се отразяват тук, докато дори най-добре полираното сребърно огледало отразява само част от лъчите, попадащи върху него, докато поглъща останалите. Водата при тези условия е идеално огледало. В такъв случай говорим сиотносно видимата светлина. Най-общо казано, индексът на пречупване на водата, подобно на други вещества, зависи от дължината на вълната (това явление се нарича дисперсия). Като следствие от това, граничният ъгъл, при който възниква пълно вътрешно отражение, не е еднакъв за различните дължини на вълната, но за видимата светлина, когато се отразява на границата вода-въздух, този ъгъл се променя с по-малко от 1⁰.
Поради факта, че при по-голям ъгъл към перпендикуляра от 48,5⁰, слънчевият лъч не може да влезе във водата: това е „ограничаващият“ ъгъл за водата (Фигура 4, b), след това водната маса, в целия диапазон от стойности от височината на Слънцето, не се променя толкова незначително от въздуха - винаги е по-малко
Но тъй като плътността на водата е 800 пъти по-голяма от плътността на въздуха, поглъщането на слънчевата радиация от водата ще се промени значително.
Освен това, ако светлинното лъчение преминава през прозрачна среда, тогава спектърът на такава светлина има някои характеристики. Някои линии в него са силно отслабени, т.е. вълни със съответната дължина се абсорбират силно от разглежданата среда. Такива спектри се наричат абсорбционни спектри.
Формата на абсорбционния спектър зависи от разглежданото вещество.
Тъй като соленият разтвор на слънчево солено езерце може да съдържа различни концентрации натриев хлориди магнезий и техните съотношения, тогава няма смисъл да се говори еднозначно за спектрите на поглъщане. Въпреки че изследванията и данните по този въпрос са в изобилие.
Така например, изследванията, проведени в СССР (Ю. Усманов) за идентифициране на пропускливостта на радиация с различни дължини на вълната за вода и получен разтвор на магнезиев хлорид с различни концентрации следните резултати(Фигура 6). И B. J. Brinkworth показва графична зависимост на абсорбцията на слънчевата радиация и плътността на монохроматичния поток на слънчевата радиация (радиация) в зависимост от дължината на вълната (Фигура 7).
Следователно, количественото подаване на пряка слънчева радиация към горещата саламура на езерото, след навлизане във водата, ще зависи от: монохроматичната плътност на потока на слънчевата радиация (радиация); от височината на слънцето. А също и от албедото на повърхността на езерото, от чистотата на горния слой на слънчевото солено езеро, състоящ се от прясна вода, с дебелина обикновено 0,1 - 0,3 m, където не е възможно да се потисне смесването, съставът, концентрацията и дебелината на разтвора в градиентния слой (изолационен слой с концентрация на солен разтвор, нарастваща надолу), върху чистотата на водата и саламура.
Фигури 6 и 7 показват, че водата има най-висок капацитет на предаване във видимата област на слънчевия спектър. Това е много благоприятен фактор за преминаване на слънчевата радиация през горния пресен слой на слънчевия солен басейн.
Фигура 6. Зависимостта на пропускателната способност на разтвор на магнезиев хлорид от концентрацията. Фигура 7. Поглъщане на слънчева радиация във водата.
Библиография:
1. Осадчий Г.Б. Слънчева енергия, нейните производни и технологии за тяхното използване (Въведение във ВЕИ енергията) / G.B. Осадчи. Омск: ИПК Макшеева Е.А., 2010. 572 с.;
2. Twydell J. Възобновяеми енергийни източници / J. Twydell, A. Ware. М.: Енергоатомиздат, 1990. 392 с.;
3. Дъфи, Дж. А. Топлинни процеси, използващи слънчева енергия / Дж. А. Дъфи, В. А. Бекман. М.: Мир, 1977. 420 с.;
4. Климатични ресурси на Байкал и неговия басейн /N. П. Ладейщиков, Новосибирск, Наука, 1976, 318 с.;
5. Пикин С. А. Течни кристали / С. А. Пикин, Л. М. Блинов. М.: Наука, 1982. 208 с.;
6. Kitaygorodsky A.I. Физика за всеки: Фотони и ядра / A.I. Kitaygorodsky. М.: Наука, 1984. 208 с.;
7. Kuhling H. Наръчник по физика. / Х. Кюлинг. М.: Мир, 1982. 520 с.;
8. Енохович А. С. Наръчник по физика и технология / А. С. Енохович. М.: Образование, 1989. 223 с.;
9 . Перелман Я. И. Занимателна физика. Книга 2 / Я. И. Перелман. М.: Наука, 1986. 272 с.
Обсъдете във форума |
|
|
|
ЛЕКЦИЯ 2.
СЛЪНЧЕВА РАДИАЦИЯ.
план:
1. Стойността на слънчевата радиация за живота на Земята.
2. Видове слънчева радиация.
3. Спектрален състав на слънчевата радиация.
4. Поглъщане и разсейване на радиацията.
5.PAR (фотосинтетично активна радиация).
6. Радиационен баланс.
1. Основният източник на енергия на Земята за всички живи същества (растения, животни и хора) е енергията на слънцето.
Слънцето е газова топка с радиус 695300 км. Радиусът на Слънцето е 109 пъти по-голям от радиуса на Земята (екваториален 6378,2 km, полярен 6356,8 km). Слънцето се състои главно от водород (64%) и хелий (32%). Останалите представляват само 4% от масата му.
Слънчевата енергия е основното условие за съществуването на биосферата и един от основните климатообразуващи фактори. Благодарение на енергията на Слънцето въздушните маси в атмосферата непрекъснато се движат, което осигурява постоянството на газовия състав на атмосферата. Под действието на слънчевата радиация огромно количество вода се изпарява от повърхността на резервоари, почва, растения. Водните пари, пренасяни от вятъра от океаните и моретата към континентите, са основният източник на валежи за сушата.
Слънчевата енергия е задължително условие за съществуването на зелени растения, които преобразуват слънчевата енергия във високоенергийни органични вещества по време на фотосинтеза.
Растежът и развитието на растенията е процес на усвояване и преработка на слънчевата енергия, следователно земеделското производство е възможно само ако слънчевата енергия достигне земната повърхност. Руски учен пише: „Дайте на най-добрия готвач колкото искате. свеж въздух, слънчева светлина, цялата река чиста вода, помолете го да свари от всичко това захар, нишесте, мазнини и зърна и той ще си помисли, че му се смеете. Но това, което за човек изглежда абсолютно фантастично, се извършва безпрепятствено в зелените листа на растенията под въздействието на енергията на Слънцето. Смята се, че 1 кв. метър листа на час произвежда грам захар. Поради факта, че Земята е заобиколена от непрекъсната обвивка на атмосферата, слънчевите лъчи, преди да достигнат земната повърхност, преминават през цялата дебелина на атмосферата, която частично ги отразява, частично разсейва, т.е. променя количеството и качеството на слънчевата светлина, навлизаща в земната повърхност. Живите организми са чувствителни към промените в интензитета на осветеността, създадена от слънчевата радиация. Поради различни реакцииспоред интензивността на осветеността всички форми на растителност се разделят на светлолюбиви и устойчиви на сянка. Недостатъчното осветление в културите причинява например слаба диференциация на тъканите на сламата на зърнените култури. В резултат на това силата и еластичността на тъканите намаляват, което често води до полягане на посевите. При удебелени царевични култури, поради слабото осветяване от слънчева радиация, образуването на кочани върху растенията е отслабено.
Слънчевата радиация влияе химичен съставземеделски продукти. Например съдържанието на захар в цвеклото и плодовете, съдържанието на протеини в пшеничното зърно директно зависи от броя слънчеви дни. Количеството масло в семената на слънчоглед, лен също се увеличава с увеличаването на пристигането на слънчева радиация.
Осветяването на надземните части на растенията значително влияе върху усвояването от корените хранителни вещества. При слабо осветление прехвърлянето на асимилати към корените се забавя и в резултат на това се инхибират биосинтетичните процеси, протичащи в растителните клетки.
Осветеността също влияе върху появата, разпространението и развитието на болестите по растенията. Периодът на инфекция се състои от две фази, които се различават една от друга в отговор на светлинния фактор. Първият от тях - действителното поникване на спорите и проникването на инфекциозния принцип в тъканите на засегнатата култура - в повечето случаи не зависи от наличието и интензивността на светлината. Вторият - след покълването на спорите - е най-активен при условия на висока светлина.
Положителният ефект на светлината влияе и върху скоростта на развитие на патогена в растението гостоприемник. Това е особено очевидно при гъбичките от ръжда. Колкото повече светлина, толкова по-кратко инкубационен периодпри линейна ръжда по пшеница, жълта ръжда по ечемик, ръжда по лен и боб и др. И това увеличава броя на поколенията на гъбичките и увеличава интензивността на поражението. Плодовитостта се увеличава при този патоген при условия на интензивна светлина.
Някои заболявания са най-активни при недостатъчно осветление, което води до отслабване на растенията и намаляване на тяхната устойчивост към болести (причинители на различни видове гниене, особено зеленчукови култури).
Продължителност на осветлението и растенията. Ритъмът на слънчевата радиация (редуването на светлите и тъмните части на денонощието) е най-стабилният и повтарящ се фактор на околната среда от година на година. В резултат на дългогодишни изследвания физиолозите са установили зависимостта на прехода на растенията към генеративно развитие от определено съотношение на продължителността на деня и нощта. В тази връзка културите според фотопериодичната реакция могат да бъдат класифицирани в групи: кратък денчието развитие се забавя при продължителност на деня над 10 часа. Късият ден насърчава образуването на цветя, докато дългият ден го възпрепятства. Такива култури включват соя, ориз, просо, сорго, царевица и др.;
дълъг дендо 12-13 часа,изискващи дълготрайно осветление за развитието си. Развитието им се ускорява при продължителност на деня около 20 ч. Към тези култури спадат ръж, овес, пшеница, лен, грах, спанак, детелина и др.;
неутрален по отношение на продължителността на деня, чието развитие не зависи от продължителността на деня, например домати, елда, бобови култури, ревен.
Установено е, че за началото на цъфтежа на растенията е необходимо преобладаването на определен спектрален състав в лъчистия поток. Растенията с къс ден се развиват по-бързо, когато максималната радиация пада върху синьо-виолетовите лъчи, а растенията с дълъг ден - върху червените. Продължителността на светлата част от деня (астрономическата продължителност на деня) зависи от времето на годината и географската ширина. На екватора продължителността на деня през цялата година е 12 часа ± 30 минути. При движение от екватора към полюсите след пролетно равноденствие(21.03) продължителността на деня нараства от север и намалява от юг. След есенното равноденствие (23.09) разпределението на продължителността на деня се обръща. В Северното полукълбо 22 юни е най-дългият ден, чиято продължителност е 24 часа на север от Северния полярен кръг Най-късият ден в Северното полукълбо е 22 декември, а отвъд Арктическия кръг през зимните месеци Слънцето не изобщо се издига над хоризонта. В средните географски ширини, например в Москва, продължителността на деня през годината варира от 7 до 17,5 часа.
2. Видове слънчева радиация.
Слънчевата радиация се състои от три компонента: пряка слънчева радиация, разсеяна и обща.
ПРЯКА СЛЪНЧЕВА РАДИАЦИЯС-радиация, идваща от слънцето в атмосферата и след това към земната повърхност под формата на сноп от успоредни лъчи. Интензивността му се измерва в калории на cm2 за минута. Зависи от височината на слънцето и състоянието на атмосферата (облачност, прах, водни пари). Годишното количество пряка слънчева радиация на хоризонталната повърхност на територията на Ставрополския край е 65-76 kcal/cm2/min. На морското равнище при висока позицияСлънце (лято, обед) и добра прозрачност, пряката слънчева радиация е 1,5 kcal/cm2/min. Това е частта от спектъра с къса дължина на вълната. Когато потокът от пряка слънчева радиация преминава през атмосферата, той отслабва поради абсорбция (около 15%) и разсейване (около 25%) на енергия от газове, аерозоли, облаци.
Потокът от пряка слънчева радиация, падаща върху хоризонтална повърхност, се нарича инсолация. С= С грях хое вертикалната компонента на пряката слънчева радиация.
С – количество топлина, получено от повърхност, перпендикулярна на лъча ,
хо – височината на Слънцето, т.е. ъгълът, образуван от слънчев лъч с хоризонтална повърхност .
На границата на атмосферата интензивността на слънчевата радиация еТака= 1,98 kcal/cm2/мин. - От международно споразумение 1958 г Нарича се слънчева константа. Това би било на повърхността, ако атмосферата беше абсолютно прозрачна.
Ориз. 2.1. Пътят на слънчевия лъч в атмосферата на различни височини на Слънцето
РАЗСЕЯНА РАДИАЦИЯд – част от слънчевата радиация в резултат на разсейване от атмосферата се връща обратно в космоса, но значителна част от нея навлиза в Земята под формата на разсеяна радиация. Максимална разсеяна радиация + 1 kcal/cm2/min. Отбелязва се при ясно небе, ако върху него има високи облаци. При облачно небе спектърът на разсеяната радиация е подобен на този на слънцето. Това е частта от спектъра с къса дължина на вълната. Дължина на вълната 0,17-4 микрона.
ОБЩА РАДИАЦИЯQ- се състои от дифузно и директно излъчване към хоризонтална повърхност. Q= С+ д.
Съотношението между пряката и дифузната радиация в състава на общата радиация зависи от височината на Слънцето, облачността и замърсеността на атмосферата и височината на повърхността над морското равнище. С увеличаване на височината на Слънцето фракцията на разсеяната радиация в безоблачно небе намалява. Колкото по-прозрачна е атмосферата и колкото по-високо е слънцето, толкова по-малък е делът на разсеяната радиация. При непрекъснати плътни облаци общата радиация се състои изцяло от разсеяна радиация. През зимата, поради отразяването на радиацията от снежната покривка и вторичното й разсейване в атмосферата, делът на разсеяната радиация в състава на общата се увеличава значително.
Светлината и топлината, получени от растенията от Слънцето, са резултат от действието на общата слънчева радиация. Ето защо голямо значениеза селското стопанство имат данни за количествата радиация, получена от повърхността за ден, месец, вегетационен период, година.
отразена слънчева радиация. Албедо. Общата радиация, достигнала до земната повърхност, частично отразена от нея, създава отразена слънчева радиация (РК), насочена от земната повърхност в атмосферата. Стойността на отразената радиация до голяма степен зависи от свойствата и състоянието на отразяващата повърхност: цвят, грапавост, влажност и т.н. Коефициентът на отражение на всяка повърхност може да се характеризира с нейното албедо (Ak), което се разбира като отношение на отразената слънчева радиация до общо. Албедото обикновено се изразява като процент:
Наблюденията показват, че албедото на различни повърхности варира в относително тесни граници (10...30%), с изключение на снега и водата.
Албедото зависи от влажността на почвата, с увеличаването на която тя намалява, което е важно в процеса на промяна на топлинния режим на напояваните полета. Поради намаляването на албедото, когато почвата се овлажнява, погълнатата радиация се увеличава. Албедото на различни повърхности има добре изразена дневна и годишна вариация, което се дължи на зависимостта на албедото от височината на Слънцето. Най-ниска стойносталбедо се наблюдава в околообедните часове, а през годината - през лятото.
Собственото лъчение на Земята и насрещното лъчение на атмосферата. Ефективно излъчване.Земната повърхност като физическо тяло, който има температура над абсолютната нула (-273 ° C), е източник на радиация, която се нарича собствена радиация на Земята (E3). Той се насочва в атмосферата и се абсорбира почти напълно от водните пари, водните капки и въглеродния диоксид, съдържащи се във въздуха. Излъчването на Земята зависи от температурата на нейната повърхност.
Атмосферата, поглъщаща голям бройслънчевата радиация и почти цялата енергия, излъчвана от земната повърхност, се нагрява и на свой ред също излъчва енергия. Около 30% от атмосферната радиация отива в открития космос, а около 70% идва на повърхността на Земята и се нарича противоатмосферна радиация (Ea).
Количеството енергия, излъчвана от атмосферата, е правопропорционално на нейната температура, съдържание въглероден двуокис, озон и облаци.
Повърхността на Земята поглъща това противоизлъчване почти изцяло (с 90...99%). По този начин той е важен източник на топлина за земната повърхност в допълнение към абсорбираната слънчева радиация. Това влияние на атмосферата върху топлинния режим на Земята се нарича парников или парников ефект поради външната аналогия с действието на стъклата в оранжерии и оранжерии. Стъклото добре пропуска слънчевите лъчи, които загряват почвата и растенията, но забавя топлинното излъчване на нагрятата почва и растения.
Разликата между собственото лъчение на земната повърхност и насрещното лъчение на атмосферата се нарича ефективно лъчение: Eef.
Eef= E3-Ea
В ясни и слабо облачни нощи ефективната радиация е много по-голяма, отколкото в облачни нощи, следователно нощното охлаждане на земната повърхност също е по-голямо. През деня тя се блокира от погълната обща радиация, в резултат на което повърхностната температура се повишава. В същото време ефективното излъчване също се увеличава. Земната повърхност в средните географски ширини губи 70...140 W/m2 поради ефективна радиация, което е приблизително половината от количеството топлина, което получава от поглъщането на слънчевата радиация.
3. Спектрален състав на радиацията.
Слънцето, като източник на радиация, има различни излъчвани вълни. Потоците лъчиста енергия по дължината на вълната условно се разделят на къси вълни (х < 4 мкм) и длинноволновую (А. >4 µm) радиация.Спектърът на слънчевата радиация на границата на земната атмосфера е практически между дължините на вълните от 0,17 до 4 микрона, а на земната и атмосферната радиация - от 4 до 120 микрона. Следователно потоците на слънчевата радиация (S, D, RK) се отнасят към късовълнова радиация, а радиацията на Земята (£3) и атмосферата (Ea) - към дълговълнова радиация.
Спектърът на слънчевата радиация може да бъде разделен на три качествено различни части: ултравиолетова (Y< 0,40 мкм), видимую (0,40 мкм < Y < 0,75 µm) и инфрачервен (0,76 µm < Y < 4 µm). Преди ултравиолетовата част на спектъра на слънчевата радиация се намира рентгеновото лъчение, а отвъд инфрачервената - радиоизлъчването на Слънцето. На Горна границаатмосфера, ултравиолетовата част на спектъра представлява около 7% от енергията на слънчевата радиация, 46% за видимата и 47% за инфрачервената.
Лъчението, излъчвано от земята и атмосферата, се нарича далечна инфрачервена радиация.
Биологично действие различни видоверадиацията върху растенията е различна. ултравиолетова радиациязабавя процесите на растеж, но ускорява преминаването на етапите на формиране на репродуктивните органи в растенията.
Стойността на инфрачервеното лъчение, който се абсорбира активно от водата в листата и стъблата на растенията, е неговият топлинен ефект, който значително влияе върху растежа и развитието на растенията.
далечна инфрачервена радиацияпроизвежда само топлинен ефектвърху растенията. Влиянието му върху растежа и развитието на растенията е незначително.
Видима част от слънчевия спектър, първо, създава светлина. Второ, така нареченото физиологично лъчение (A, = 0,35 ... 0,75 μm), което се абсорбира от пигментите на листата, почти съвпада с областта на видимата радиация (частично улавяща областта на ултравиолетовото лъчение). Енергията му има важно регулаторно и енергийно значение в живота на растенията. В рамките на тази област на спектъра се разграничава област на фотосинтетично активно излъчване.
4. Поглъщане и разсейване на радиация в атмосферата.
Преминавайки през земната атмосфера, слънчевата радиация се отслабва поради поглъщане и разсейване от атмосферните газове и аерозоли. В същото време той също се променя спектрален състав. При различна височина на слънцето и различна височина на наблюдателната точка над земната повърхност дължината на пътя, изминат от слънчевия лъч в атмосферата, не е еднаква. С намаляване на надморската височина ултравиолетовата част на радиацията намалява особено силно, видимата част намалява малко по-малко и само леко инфрачервената част.
Разсейването на радиация в атмосферата възниква главно в резултат на непрекъснати флуктуации (флуктуации) в плътността на въздуха във всяка точка на атмосферата, причинени от образуването и разрушаването на определени "клъстери" (клъстери) от молекули атмосферен газ. Аерозолните частици също разпръскват слънчевата радиация. Интензитетът на разсейване се характеризира с коефициента на разсейване.
K = добавяне на формула.
Интензитетът на разсейване зависи от броя на разсейващите частици в единица обем, от техния размер и характер, а също и от дължините на вълните на самото разсеяно лъчение.
Лъчите се разсейват толкова по-силно, колкото по-къса е дължината на вълната. Например виолетовите лъчи се разпръскват 14 пъти повече от червените, което обяснява синия цвят на небето. Както беше отбелязано по-горе (вижте раздел 2.2), пряката слънчева радиация, преминаваща през атмосферата, се разсейва частично. В чист и сух въздух интензитетът на молекулярния коефициент на разсейване се подчинява на закона на Rayleigh:
k= s/Y4 ,
където С е коефициент, зависещ от броя на газовите молекули на единица обем; X е дължината на разсеяната вълна.
Тъй като далечните дължини на вълните на червената светлина са почти два пъти по-големи от дължините на вълните на виолетовата светлина, първите се разсейват от въздушните молекули 14 пъти по-малко от вторите. Тъй като първоначалната енергия (преди разсейването) на виолетовите лъчи е по-малка от синьото и синьото, максималната енергия в разсеяната светлина (разсеяната слънчева радиация) се измества към синьо-сините лъчи, което определя синия цвят на небето. По този начин дифузната радиация е по-богата на фотосинтетично активни лъчи от директната радиация.
Във въздуха, съдържащ примеси (малки водни капчици, ледени кристали, прахови частици и др.), разсейването е еднакво за всички области на видимата радиация. Поради това небето придобива белезникав оттенък (появява се мъгла). Облачните елементи (големи капчици и кристали) изобщо не разпръскват слънчевите лъчи, а ги отразяват дифузно. В резултат на това облаците, осветени от Слънцето, имат бял цвят.
5. PAR (фотосинтетично активна радиация)
Фотосинтетично активна радиация. В процеса на фотосинтезата не се използва целият спектър на слънчевата радиация, а само нейният
част в диапазона на дължината на вълната от 0,38 ... 0,71 микрона, - фотосинтетично активна радиация (PAR).
Известно е, че видимото лъчение, възприемано от човешкото око като бяло, се състои от цветни лъчи: червено, оранжево, жълто, зелено, синьо, индиго и виолетово.
Усвояването на енергията на слънчевата радиация от листата на растенията е избирателно (избирателно). Най-интензивните листа абсорбират синьо-виолетови (X = 0,48 ... 0,40 микрона) и оранжево-червени (X = 0,68 микрона) лъчи, по-малко жълто-зелени (A. = 0,58 ... 0,50 микрона) и далечно червено (A .\u003e 0,69 микрона) лъчи.
На земната повърхност максималната енергия в спектъра на пряката слънчева радиация, когато Слънцето е високо, пада върху областта на жълто-зелените лъчи (дискът на Слънцето е жълт). Когато Слънцето е близо до хоризонта, далечните червени лъчи имат максимална енергия (слънчевият диск е червен). Следователно енергията на пряката слънчева светлина е малко включена в процеса на фотосинтеза.
Тъй като PAR е един от най-важните фактори за продуктивността на селскостопанските растения, информацията за количеството на постъпващия PAR, като се вземе предвид разпределението му по територия и във времето, е от голямо практическо значение.
Интензитетът на PAR може да бъде измерен, но това изисква специални светлинни филтри, които предават само вълни в диапазона от 0,38 ... 0,71 микрона. Има такива устройства, но те не се използват в мрежата от актинометрични станции, но измерват интензитета на интегралния спектър на слънчевата радиация. Стойността на PAR може да се изчисли от данни за пристигането на пряка, дифузна или обща радиация, като се използват коефициентите, предложени от H. G. Tooming и:
Qfar = 0,43 С"+0,57 D);
бяха съставени карти на разпространение на месечните и годишните количества Far на територията на Русия.
За характеризиране на степента на използване на PAR по култури се използва коеф полезно използване PAR:
KPIfar = (сумаQ/ фарове/сумQ/ фарове) 100%,
Където сумаQ/ фарове- количеството PAR, изразходвано за фотосинтеза по време на вегетационния период на растенията; сумаQ/ фарове- сумата на PAR, получена за култури през този период;
Културите според техните средни стойности на CPIF се разделят на групи (според): обикновено наблюдавани - 0,5 ... 1,5%; добър-1,5...3,0; запис - 3.5...5.0; теоретично възможно - 6,0 ... 8,0%.
6. РАДИАЦИОНЕН БАЛАНС НА ЗЕМНАТА ПОВЪРХНОСТ
Разликата между входящите и изходящите потоци лъчиста енергия се нарича радиационен баланс на земната повърхност (В).
Входящата част от радиационния баланс на земната повърхност през деня се състои от пряка слънчева и дифузна радиация, както и атмосферна радиация. Разходната част на баланса е радиацията на земната повърхност и отразената слънчева радиация:
б= С / + д+ Еа-E3-Rk
Уравнението може да бъде написано и в друга форма: б = Q- РК - Еф.
За нощно време уравнението на радиационния баланс има следния вид:
B \u003d Ea - E3, или B \u003d -Eef.
Ако входящото лъчение е по-голямо от изхода, тогава радиационният баланс е положителен и активната повърхност* се нагрява. При отрицателен баланс се охлажда. През лятото радиационният баланс е положителен през деня и отрицателен през нощта. Преминаването през нулата се случва сутрин приблизително 1 час след изгрев, а вечер 1-2 часа преди залез.
Годишният радиационен баланс в районите, където е установена стабилна снежна покривка, има отрицателни стойности през студения сезон и положителни стойности през топлия сезон.
Радиационният баланс на земната повърхност значително влияе върху разпределението на температурата в почвата и повърхностния слой на атмосферата, както и върху процесите на изпарение и снеготопене, образуването на мъгла и слана, промените в свойствата на въздушните маси (техните трансформация).
Познаването на радиационния режим на земеделските земи позволява да се изчисли количеството радиация, погълната от културите и почвата в зависимост от височината на слънцето, структурата на културите и фазата на развитие на растенията. Данните за режима също са необходими за оценка на различни методи за регулиране на температурата и влагата на почвата, изпарението, от което зависи растежът и развитието на растенията, формирането на реколтата, нейното количество и качество.
Ефективни агротехнически методи за въздействие върху радиацията и съответно топлинния режим на активната повърхност са мулчиране (покриване на почвата с тънък слой торф, угнил тор, дървени стърготини и др.), покриване на почвата с полиетиленово фолио и напояване. . Всичко това променя отразяващата и абсорбционната способност на активната повърхност.
* Активна повърхност - повърхността на почвата, водата или растителността, която директно поглъща слънчевата и атмосферната радиация и излъчва радиация в атмосферата, като по този начин регулира топлинния режим на съседните слоеве въздух и подлежащите слоеве почва, вода, растителност.
Слънчева радиацияе интегрален поток от корпускулярни частици (протони, γ-частици, електрони, неутрони, неутрино) и електромагнитно (фотонно) излъчване.
В резултат на слънчевата активност се образуват голям брой корпускулярни частици, които се движат със скорост от 300 до 2000 km/s и достигат земната атмосфера за 2 дни, но се забавят магнитно поле. Също така се образува електромагнитно излъчване, движейки се със скорост 300 000 км/сек и достигайки Земята за 8 минути.
Корпускулярни частици: α-частици, β-частици, протони, електрони, неутрони, позитрони и др.
Електромагнитен състав:
γ-лъчение (дължина на вълната<0,1 нм) задерживаются
рентгеново лъчение (0,1–10 nm) магнитно
екстремни, канцерогенни ултравиолетови лъчи (10-120 nm) от полето на Земята
ултравиолетова радиация (120-400 nm; 0,6-3% достига до Земята, другата част се разсейва)
видим (400–760 nm; 40% достига Земята)
инфрачервен (760–10 000 nm, 59% достига Земята)
далечна инфрачервена (10 000–100 000 nm)
радиочестоти (>100 000 nm)
Физични свойства, биологично действиеи съответно, възможни нарушения, в здравословно състояние, произтичащо от недостатъчно или прекомерно излагане, зависят от дължината на вълната на преобладаващата слънчева радиация на дадена територия. Корпускулярните частици и вълните, по-къси от 280 nm, се абсорбират напълно озонов слой, в горните слоеве на земната атмосфера. Въпреки това, замърсяването на въздуха с промишлени емисии, особено фреон, допринася за разрушаването и изтъняването на озоновия слой на атмосферата, появата в някои региони на така наречените „озонови дупки“, през които ултравиолетовите лъчи, които са по-опасни за всички живи същества, с по-къса дължина на вълната, проникват до земната повърхност.
Количеството слънчева радиация, което достига до Земята, се нарича лек климати зависи от природни и антропогенни фактори. В зависимост от осигуряването на ултравиолетово лъчение на регионите се разграничават зони:
UV ДЕФИЦИТ (северни райони, >57 географска ширина);
UV КОМФОРТ (42-57 ширина);
Излишък от UV (южни райони,<42 широты).
Интегралният (общ) поток от слънчева радиация се измерва с пиранометър (например пиранометър на Янишевски) и се изразява в mcal/cm 2 × min.
Физични свойства и биологични ефекти на ултравиолетовото лъчение
Целият диапазон на ултравиолетовите лъчи от слънцето и изкуствените източници е разделен на три области:
зона A - дълговълнова UV радиация λ = 320–400 nm;
област B – средновълнова UV радиация λ = 280–320 nm;
област C - късовълнова UV радиация: λ = 10–280 nm.
Биологично действие на UV радиацията:
А. Биогенни:
1. Общ стимулант– В-спектър. Поради фотолизата на кожните протеини (UV лъчите проникват в кожата на дълбочина 3-4 mm) се образуват токсични продукти на фотолизата - хистамин, холин, аденазин, пиримидинови съединения и др. Последните се абсорбират в кръвта, стимулират метаболизма на тялото, ретикулоендотелната система, костния мозък, повишават количеството на хемоглобина, еритроцитите, левкоцитите, активността на тъканните ензими, чернодробната функция, стимулират дейността на нервната система и т.н. Еритемният ефект от прекомерното излагане може да доведе до изгаряне на кожата.
2. D-витаминообразуващиизлагането на UV лъчение е характерно за регион B. Ефектът се състои в разграждането на калциферол: от ергостерол (7,8-дехидрохолестерол) в себума (секреция на мастните жлези) под въздействието на UV лъчение, поради разделянето на бензеновия пръстен се образуват витамин D 2 (ергохолекалциферол) и витамин D 3 (холекалциферол), а от провитамина 2,2-дехидроергостерол - витамин D 4.
3. Пигментационен ефект UVI - зона А, Б. Причинява се от образуването на меланин. Меланинът предпазва кожата (и цялото тяло) от излишната UV, видима и инфрачервена радиация.
Б. Абиогенен:
1. Бактерицидендействието е характерно за зона С. Под въздействието на ултравиолетовите лъчи първо възниква възбуждане на бактериите с активиране на тяхната жизнена активност, което с увеличаване на дозата на ултравиолетовите лъчи се заменя с бактериостатичен ефект, а след това чрез фотодеструкция, денатурация на протеини и смърт на микроорганизми.
2. КанцерогененЕфектът от ултравиолетовите лъчи се проявява в горещ тропически климат и при производство с високо ниво и продължително излагане на технически източници на ултравиолетови лъчи (електрическо заваряване и др.).
3. Мутагенен.
4. Алергичен.
Липсата на UV радиация (светлинно гладуване) води до:
Намалена устойчивост на организма и в резултат на това повишаване на заболеваемостта, обостряне на хронична патология
появата на рахит при деца
Остеопороза при възрастни
Предотвратяване:слънчеви бани, солариуми, фоториуми, витамин D в лекарствена форма
Излишната UV радиация води до:
еритема, изгаряния
Намалена устойчивост на тялото и в резултат на това повишена заболеваемост, обостряне на хронична патология
увреждане на очите (фотофталмия с естествен произход на ултравиолетовата радиация, например в планината, електрофталмия с изкуствен произход, например при електрически заварчици, кератоконюнктивит, катаракта, птеригиум - рак на роговицата)
фотодерматоза, слънчева еластоза (нарушение на образуването на колаген)
· рак на кожата
екскреция на витамини B 2, PP, C от тялото
нарушения на липидния метаболизъм
Предотвратяване:дрехи от естествени материи, шапки, слънчеви очила и специални очила, използвани в производството.
Методи за определяне на интензитета на UV радиация:
1) Фотохимиченспоред Н. З. Куличкова - въз основа на разграждането на оксаловата киселина пропорционално на интензивността и продължителността на UV облъчването. Устройство за измерване на интензивността на ултравиолетовото лъчение по фотохимичен метод е кварцова епруветка с разтвор на оксалова киселина и уранил нитрат. Мерна единица: милиграм разложена оксалова киселина на cm 2 от повърхността на разтвора за единица време (min, час). Физиологичната доза на облъчване е 1 mg/cm 2 , профилактичната доза е 0,5 mg/cm 2 .
2) Фотоелектричен метод- измерване на UV интензитета с ултравиолетов метър или уфиметър (фотоинтензиметър или фотоекспометър) в μW / cm 2
3) Биологичен (еритемния) метод– определяне на еритемната доза чрез биодозиметър M.F. Горбачов. Биологична (еритема) доза(биодоза) е минималното време, през което даден участък от кожата е изложен на ултравиолетова радиация, което води до нейното леко зачервяване ( еритема). Биодозиметърът представлява таблетка с 6 отвора-прозорчета, които се затварят с подвижна пластина. Биодозиметърът се намира върху незагоряла част от кожата, чувствителна към ултравиолетово лъчение (долната част на кожата на корема или вътрешната част на предмишницата) на субекта, разположена на разстояние 0,5 m от източника на радиация.
В началото на изследването отворете всички дупки. В бъдеще, след 1 минута, първият се затваря, след 2 минути - вторият, след 3 минути - третият и т.н.
Контролът на появата на еритема трябва да се извърши 6-8 часа след облъчването. Биодозата (в минути) се определя според номера на дупката (според времето на експозиция), в която е регистрирано най-малко зачервяване.
Профилактична дозаултравиолетовото лъчение е 1/8 биодоза, физиологична доза -1/4-1/2 биодоза. Максималната доза е 1 биодоза за деца и 2 биодози за възрастни.
Например:
За да се определи биологичната (еритема) доза, биодозиметърът Горбачов-Далфелд се поставя върху кожата на долната трета от коремната кухина на ученика и се облъчва в продължение на 6 минути.
Непрекъснатият спектър има най-висок интензитет в диапазона на дължината на вълната 430–500 nm. Във видимата и инфрачервената област спектърът на електромагнитното излъчване на Слънцето е близък до спектъра на излъчване на абсолютно черно тяло с температура 6000 K. Тази температура съответства на температурата на видимата повърхност на Слънцето - фотосферата. Във видимата област на слънчевия спектър най-интензивни са Н и К линиите на йонизирания калций, линиите от Балмеровата серия на водорода H α , H β и H γ .
Около 9% от енергията в слънчевия спектър идва от ултравиолетово лъчение с дължини на вълните от 100 до 400 nm. Останалата част от енергията се разпределя приблизително по равно между видимата (400–760 nm) и инфрачервената (760–5000 nm) области на спектъра.
Слънцето е мощен източник на радиоизлъчване. Радиовълните проникват в междупланетното пространство, които се излъчват от хромосферата (сантиметрови вълни) и короната (дециметрови и метрови вълни). Радиоизлъчването на Слънцето има две компоненти – постоянна и променлива. Постоянната компонента характеризира радиоизлъчването на тихото Слънце. Слънчевата корона излъчва радиовълни като черно тяло с температура T\u003d 10 6 K. Променливият компонент на радиоизлъчването на Слънцето се проявява под формата на изблици, шумови бури. Шумните бури продължават от няколко часа до няколко дни. 10 минути след силно слънчево изригване, радиоизлъчването на Слънцето се увеличава хиляди и дори милиони пъти в сравнение с радиоизлъчването на тихото Слънце; това състояние продължава от няколко минути до няколко часа. Това радиоизлъчване има нетермичен характер.
Плътността на потока на слънчевата радиация в рентгеновата област (0,1–10 nm) е много ниска (~5∙10–4 W/m2) и варира значително в зависимост от нивото на слънчевата активност.В ултравиолетовата област при дължини на вълните от 200 до 400 nm, спектърът на Слънцето също се описва от законите на излъчването на черното тяло.
В ултравиолетовата област на спектъра с дължини на вълните, по-къси от 200 nm, интензитетът на непрекъснатия спектър рязко спада и се появяват емисионни линии. Най-интензивната от тях е водородната линия от серията Лайман (λ = 121,5 nm). При ширина на тази линия от около 0,1 nm, тя съответства на плътност на радиационния поток от около 5∙10 -3 W/m 2 . Интензитетът на радиацията в линията е приблизително 100 пъти по-малък. Забелязват се и ярки емисионни линии на различни атоми, като най-важните линии принадлежат на Si I (λ = 181 nm), Mg II и Mg I, O II, O III, C III и др.
Късовълновото ултравиолетово лъчение на Слънцето възниква близо до фотосферата. Рентгеновите лъчи идват от хромосферата ( T~ 10 4 K), разположен над фотосферата, и короната ( T~ 10 6 K) - външната обвивка на Слънцето. Радиоизлъчването при метрови дължини на вълните възниква в короната, при сантиметрови дължини на вълните - в хромосферата.
Потокът от слънчева радиация на 1 m 2 от площта на земната граница на атмосферата е 1350 W. Тази стойност се нарича слънчева константа.
Измерва се интензитетът на пряката слънчева радиация актинометър. Принципът му на действие се основава на използването на нагряване на очертаните повърхности на телата, което идва от слънчевата радиация. В термоелектрическия актинометър Савинов-Янишевски, приемащата част на радиацията е очертан отвън тънък диск 1. Връзките на термоелементите 2 са запоени към диска с електрическа изолация, други връзки 3 са прикрепени към меден пръстен вътре в кутията и са засенчен. Под въздействието на слънчевата радиация в термобатареята възниква електрически ток, чиято сила е правопропорционална на радиационния поток.