Радиационный баланс представляет собой разность между суммарным приходом и расходом излучения на земной поверхности или в атмосфере. Этот баланс определяет энергетическое состояние климатической системы, влияя на температуру воздуха, динамику атмосферы, испарение и фотосинтез. Измерение радиационного баланса — одна из центральных задач физики окружающей среды, так как именно через энергетический обмен формируются климатические и погодные процессы.
Составляющими радиационного баланса являются:
Таким образом, полное уравнение радиационного баланса на поверхности Земли можно записать в виде:
R = (S ↓ −S↑) + (L ↓ −L↑),
где
Для измерения прямого солнечного излучения применяются пиргелиметры. Они фиксируют поток излучения в строго ограниченном телесном угле, направленном на Солнце. Для исключения рассеянного света используется коллиматорная труба.
Для регистрации рассеянной составляющей применяют шаровые (или теневые) радиометры, оснащённые экранами, которые перекрывают солнечный диск. Это позволяет измерить только ту часть потока, которая обусловлена рассеянием на молекулах, аэрозолях и облаках.
Пиранометры регистрируют как прямую, так и рассеянную радиацию в диапазоне длин волн 0,3–3 мкм. Приборы устанавливаются горизонтально, что позволяет учитывать полный поток излучения, приходящий на поверхность.
Отражение солнечного излучения зависит от свойств поверхности:
Для измерения альбедо применяют альбедометры — это два идентичных пиранометра, один из которых обращён вверх, а другой вниз. Отношение показаний позволяет вычислить коэффициент альбедо:
$$ \alpha = \frac{S \uparrow}{S \downarrow}. $$
Земная поверхность и атмосфера излучают в инфракрасном диапазоне (4–100 мкм). Для измерений используют пиргеометры, которые фиксируют поток длинноволнового излучения в обе стороны:
Особое значение имеет учёт облачности: облачные слои резко усиливают встречное излучение атмосферы, изменяя радиационный баланс.
Совокупные измерения пиранометров, альбедометров и пиргеометров позволяют вычислить полный радиационный баланс:
R = (S ↓ −S↑) + (L ↓ −L↑).
Если R > 0, поверхность получает больше энергии, чем теряет, что приводит к нагреву и усилению турбулентного теплообмена. При R < 0 наблюдается охлаждение, характерное, например, для ясных ночей.
Для глобальной климатологии особенно важны долговременные спутниковые миссии (например, CERES — Clouds and the Earth’s Radiant Energy System), которые позволяют отслеживать изменения энергетического состояния планеты.
Для обеспечения сопоставимости данных применяются международные стандарты калибровки приборов, утверждённые ВМО (Всемирной метеорологической организацией). Ключевое значение имеют: