Взаимодействие солнечного излучения с атмосферой Земли

Солнечное излучение, распространяясь со скоростью 3*10^5км/_с, уже через 8 мин. достигает орбиты Земли, отстоящей от Солнца на 1,5*10⁸ км. Его исходная интенсивность настолько велика, что даже на таком большом расстоянии она составляет около 1300 ^Вт/_м². Хотя Земле достается лишь малая доля солнечной энергии, но и энергии, которая достигает верхних слоев атмосферы, достаточно, чтобы в десятки тысяч раз перекрыть существующую энергетическую потребность всего земного шара. Однако следствие различных сложных взаимодействий (рис. 5) в атмосфере до земной поверхности доходит лишь часть этой энергии. В верхних слоях атмосферы, удаленных от поверхности Земли на 25 км и более, происходит поглощение и рассеяние ультрафиолетового излучения. Сначала обычный молекулярный кислород O₂ диссоциирует в атомарный кислород O₂. Для разрушения указанной молекулярной связи требуются фотоны с длиной волны менее 0,18 мкм, в результате этого процесса фотоны с такой энергией полностью поглощаются. Лишь часть атомов кислорода снова соединяется в молекулы, большинство же атомов вступают во взаимодействие с другими молекулами кислорода, образуя молекулы озона O₃. Последний также поглощает ультрафиолетовое излучение, хотя и в меньшей степени, чем O₂; под действием фотонов с длиной волны менее 0,32 мкм происходит разложение озона на O₂ и O. Итак, почти вся энергия ультрафиолетового излучения идет на поддержание устойчивого процесса разложения и объединения O, O₂ и O₃, в результате чего при прохождении через атмосферу ультрафиолетовое излучение преобразуется в излучение меньшей энергии. И это наше счастье, поскольку ультрафиолетовое излучение обжигает кожу, повреждает глаза и может быть даже смертельно опасным.

Рис. 5. Взаимодействие солнечного излучения с атмосферой: 1 - поглощение в озоне; 2 - рассеяние излучения различными компонентами атмосферы; 3 - многократное рассеяние; 4 - однократное рассеяние; 5 - отражение излучения облаками; 6 - рассеяние излучения в облаках; 7 - поглощение компонентами атмосферы

Фотоны с длинами волн, соответствующими видимой и инфракрасной областям спектра, взаимодействуют с молекулами газа и частицами пыли воздуха, не нарушая их связей. При этом фотоны рассеиваются более или менее равномерно во всех направлениях и некоторые из них вновь попадают в космическое пространство. Такому виду рассеяния подвержено в основном наиболее коротковолновое излучение. Отраженное от различных частей атмосферы рассеянное излучение доходит до нас, принося голубизну ясного неба, которую можно наблюдать на малых высотах. Капли воды также сильно рассеивают солнечное излучение. При повышенной их плотности, например в массивной туче, рассеяние может быть столь велико, что до 80% фотонов возвращается вновь в космическое пространство. Если учесть, что облачность в среднем покрывает около 50% неба, то такой механизм потерь солнечной энергии следует считать достаточно мощным.

Солнечное излучение при прохождении через атмосферу встречает еще одно значительное препятствие - это молекулы водяного пара, углекислого газа и других соединений, которые поглощают излучение. Степень этого поглощения зависит от длины волны, наиболее интенсивно оно в середине инфракрасной области спектра. Все виды электромагнитного излучения распространяются с одинаковой скоростью c (скоростью света.- Ред.), равной 3*10^5км/_с. Если длину волны обозначить через λ, то частоту излучения можно определить отношением ^c/_λ. Частоты, характерные для инфракрасной области спектра, соответствуют частотам колебаний молекул некоторых входящих в состав атмосферы соединений. Это обстоятельство также обусловливает потери энергии солнечного излучения, поглощенная энергия затем в процессе столкновений (сравнительно частых в довольно плотной атмосфере Земли) распределяется между другими молекулами. Пока мы будем считать поглощенное излучение полностью потерянным, хотя позже мы увидим, что благодаря ему образуется некое вторичное излучение, играющее важную роль. В результате взаимодействий с атмосферой интенсивность солнечного излучения у поверхности Земли по сравнению с ее значением в верхних слоях атмосферы уменьшается более чем вдвое. Существенно изменяется также спектральное распределение энергии. Все эти эффекты зависят от состава атмосферы и заметно изменяются от места к месту. Прохождению солнечного излучения препятствуют значительная загрязненность атмосферы больших городов, высокое содержание водяного пара у морского побережья, облачность и т. д. Но, по-видимому, основным фактором, определяющим интенсивность солнечного излучения в той или иной точке земного шара, является пройденный им путь. Потери на этом пути связаны с рассеянием и поглощением излучения и, как будет показано дальше, зависят от времени суток, сезона и географического местоположения.