Интенсивность солнечного излучения на поверхности Земли

Интенсивность солнечного излучения у земной поверхности в основном зависит от двух факторов: угла наклона лучей к плоскости поверхности в данной точке и длины пути лучей в атмосфере. Оба эти фактора зависят от высоты Солнца h.

Рис. 9. Интенсивность солнечной радиации на наклонной поверхности

Если через I обозначить интенсивность излучения, падающего на горизонтальную поверхность под углом i к ее нормали, как показано на рис. 9, то интенсивность облучения этой поверхности определяется произведением I*cos i. Наклон любой поверхности, например склона горы или крыши дома, можно задать через направление нормали к ней (то есть так же, как мы определили кажущееся положение Солнца) путем задания высоты ψ и азимута ξ. Эти углы показаны на рис. 10. Нам не следует глубоко вникать в подробности расчета интенсивности излучения, падающего на такие наклонные поверхности, однако следует хотя бы в общих чертах описать метод подобных расчетов. В результате соответствующих тригонометрических преобразований мы получаем уравнение, позволяющее определить угол i между направлением солнечных лучей и нормалью к освещаемой поверхности:

Рис. 10. Угловые координаты нормали к наклонной поверхности

Из уравнения видно, что для поверхности, нормаль к которой лежит в той же вертикальной плоскости, что и Солнце (то есть ξ = A), угол i = h - ψ. Поскольку толщина атмосферы Земли много меньше ее радиуса, при вертикальном падении лучей длина пройденного ими пути в атмосфере почти обратно пропорциональна sin h (рис. 11). Кривизну Земли необходимо учитывать только при очень малой высоте Солнца. Такое упрощение очень удобно. Для измерения длины пути солнечных лучей в атмосфере метеорологи пользуются специальной единицей, называемой воздушной массой. Единице воздушной массы соответствует путь, пройденный лучами при вертикальном падении. Тогда для любой высоты Солнца h воздушная масса равна 1/sin h. Такое допущение вполне оправдано, поскольку рассеяние и поглощение солнечного излучения при этом пропорциональны длине пути лучей, измеренной в воздушных массах.

Рис. 11. Ход солнечных лучей в атмосфере

Например, если угол h принимает значения 42, 30 и 0°, то воздушная масса соответственно равна 1,5; 3. В период зимнего солнцестояния в Северной Европе или центральной Канаде максимальное значение высоты Солнца не превышает 15°, следовательно, величина воздушной массы равна 4, поэтому даже в полдень фактический путь солнечных лучей в атмосфере в 4 раза превышает их путь при вертикальном падении.

Уменьшение интенсивности и видоизменение спектрального распределения солнечной энергии, обусловленные поглощением и рассеянием в атмосфере, зависят от длины воздушного пути, или воздушной массы, довольно сложным образом. На рис. 12 приблизительно показана такая зависимость для безоблачной атмосферы. Как мы уже говорили, на интенсивность солнечного излучения существенно влияют рассеяние и избирательное поглощение молекулами водяного пара и углекислого газа. Площадь, ограничиваемая этими кривыми, представляет собой интенсивность I, то есть полную энергию, поступающую в единицу времени на единицу поверхности, обращенную непосредственно к Солнцу. Значениям высоты Солнца 90, 30, 20 и 12° (воздушная масса соответственно 1, 2, 3 и 5) при безоблачной атмосфере соответствуют интенсивности около 900, 750, 600 и 400 ^Вт/_м². Интенсивности для других, промежуточных значений высоты с учетом соответствующих величин воздушной массы можно получить путем интерполяции. (Заметим, что, поскольку интенсивность есть скорость прохождения энергии солнечных лучей через единицу перпендикулярной им поверхности, то она соответствует мощности и оценивается в единицах удельной мощности ^Вт/_м².)

Рис. 12. Влияние атмосферы на распределение энергии солнечной радиации

В зависимости от местоположения, а также от времени суток и сезона распределение энергии по длинам волн может несколько отличаться от приведенного выше: для длин волн менее 0,35 мкм в среднем лишь на один процент и для видимой и инфракрасной областей спектра - до 50%.

В действительности полная энергия падающего излучения превышает указанные значения, поскольку она включает не только прямую составляющую, но и рассеянную. В последнюю, в частности, входит та часть излучения, которая рассеивается различными компонентами атмосферы, но тем не менее попадает на поверхность Земли (см. рис. 5). Рассеянное излучение, которое иногда называют небесным светом, составляет значительную долю полной энергии (при низких высотах Солнца она может достигать половины ее). Поскольку интенсивность рассеянного излучения трудно оценить с большой точностью, в разных работах часто даются существенно отличающиеся ее значения. Для ориентировочных расчетов воспользуемся некоторыми приближенными значениями интенсивности, взятыми для прежних значений воздушной массы, а именно 1, 2, 3, 5. Величины рассеянной составляющей интенсивности излучения на горизонтальной поверхности при этих условиях соответственно равны 110, 90, 70 и 50 ^Вт/_м². При необходимости эти значения интерполируются. В случае наклонных поверхностей мы не будем пытаться точно учитывать изменение рассеянной составляющей в зависимости от наклона. Мы воспользуемся ее значениями, полученными для горизонтальной поверхности, и умножим их на некий коэффициент, величина которого линейно уменьшается в зависимости от наклона от 1,0 для горизонтальной поверхности до 0,5 - для вертикальной. (При вертикальной поверхности можно "наблюдать" лишь половину неба.) Энергетический спектр рассеянной составляющей излучения несколько сдвинут в сторону более коротких волн по сравнению со спектром прямой составляющей, поскольку именно в области коротких волн рассеяние излучения в атмосфере максимально.