Солнечная радиация

Солнечная радиация — это поток электромагнитной энергии, излучаемой Солнцем. Спектральный состав солнечного излучения охватывает широкий диапазон длин волн — от ультрафиолетового до инфракрасного, с максимумом в видимом диапазоне. Приблизительно:

8–9 % приходится на ультрафиолетовое излучение (λ < 0,4 мкм),
~42 % — на видимый свет (0,4–0,7 мкм),
~49–50 % — на инфракрасное (λ > 0,7 мкм).

Излучение Солнца по спектру близко к излучению абсолютно чёрного тела с температурой около 5770 К. Интенсивность солнечного излучения определяется законом Планка, интегральная энергетическая мощность — законом Стефана-Больцмана, а максимум излучения — законом Вина.

Солнечная постоянная

Под солнечной постоянной понимается количество солнечной энергии, приходящей за одну секунду на единицу площади, перпендикулярной к солнечным лучам, вне атмосферы Земли на среднем расстоянии от Солнца. Современное уточнённое значение солнечной постоянной:

I₀ ≈ 1361 Вт/м²

Это значение варьирует в пределах ±3 % из-за изменений расстояния от Земли до Солнца в течение года, обусловленных эллиптической орбитой (перигелий и афелий). Максимальное значение наблюдается в январе, минимальное — в июле.

Влияние атмосферы на солнечную радиацию

Атмосфера Земли оказывает значительное влияние на спектр и интенсивность приходящей солнечной радиации. Энергия, проходящая через атмосферу, подвергается следующим процессам:

Поглощение — молекулами газов (O₃, O₂, H₂O, CO₂),
Рассеяние — на молекулах воздуха (рейлеевское) и на аэрозолях (ми-анское),
Отражение — облаками, поверхностью Земли.

Таким образом, у земной поверхности остаётся лишь часть первоначального потока солнечной энергии. Эта часть называется прямой солнечной радиацией. Остальная энергия формирует рассеянную радиацию. Суммарная радиация у поверхности представляет собой сумму прямой и рассеянной составляющих.

Воздушная масса

Для учёта пути прохождения солнечных лучей через атмосферу вводится понятие воздушной массы (m):

$$ m = \frac{1}{\cos \theta} $$

где θ — зенитный угол Солнца. При θ = 0^∘, m = 1 — минимальный путь через атмосферу. При увеличении зенитного угла путь возрастает, что ведёт к увеличению потерь радиации. Формула корректна при малых углах; при больших зенитных углах используется более точное выражение с учётом кривизны атмосферы.

Атмосферная прозрачность и коэффициент ослабления

Солнечная радиация ослабевает экспоненциально по мере прохождения через атмосферу:

I = I₀e^−km

где:

I — интенсивность радиации у поверхности Земли,
I₀ — интенсивность вне атмосферы,
k — общий коэффициент ослабления (включает поглощение, рассеяние, отражение),
m — воздушная масса.

Этот закон называют экспоненциальным законом Бугера–Ламберта–Бера. Коэффициент k варьирует в зависимости от содержания водяного пара, пыли, озона и других компонентов атмосферы.

Распределение солнечной радиации по широтам и сезонам

Из-за сферической формы Земли и наклона земной оси поступление солнечной энергии неравномерно распределено по широте и по времени года. Основные закономерности:

На экваторе радиация поступает относительно равномерно в течение года.
В средних широтах наблюдаются ярко выраженные сезонные колебания.
За полярными кругами часть года наблюдается полярная ночь, когда поступление солнечной энергии отсутствует.

Инсоляция (суммарное количество солнечной энергии, приходящей на горизонтальную поверхность за определённое время) определяется:

Q = ∫_t₁^t₂I(t) dt

Для различных широт и сезонов составлены карты инсоляции, показывающие пространственно-временное распределение солнечной энергии.

Альбедо Земли

Альбедо — это доля отражённой энергии от общей приходящей. У Земли среднее планетарное альбедо составляет:

A ≈ 0, 30

Это означает, что 30 % солнечного излучения отражается в космос, а 70 % — поглощается системой Земля–атмосфера. Величина альбедо зависит от:

Облачности,
Снегового и ледяного покрова,
Растительности,
Типа подстилающей поверхности (вода, почва, города и т. д.).

Изменения альбедо оказывают влияние на климатическую систему, в том числе участвуют в механизмах положительной обратной связи (например, при потере ледяного покрова и усилении поглощения).

Роль солнечной радиации в энергетическом балансе атмосферы

Солнечная радиация является главным источником энергии для процессов в атмосфере. Поглощённая солнечная энергия преобразуется в тепло, вызывает испарение, формирует конвекционные потоки, влияет на циркуляцию атмосферы.

Общий энергетический баланс системы Земля–атмосфера включает:

Поступление солнечной радиации (инсоляция),
Отражение радиации (альбедо),
Поглощение радиации в атмосфере и у поверхности,
Эмиссию теплового инфракрасного излучения Землёй и атмосферой.

Суммарная радиация, получаемая у поверхности, делится на:

Нагревание поверхности (изменение температуры),
Испарение воды (латентная теплота),
Теплообмен с атмосферой (чувствительное тепло).

Эти компоненты описываются уравнением радиационного баланса:

R = Q_прих − Q_отраж − I_ИК

где:

R — радиационный баланс,
Q_прих — приходящая солнечная радиация,
Q_отраж — отражённая радиация,
I_ИК — исходящее инфракрасное излучение.

Спутниковые методы изучения солнечной радиации

Современная метеорология активно использует спутниковые данные для оценки солнечной радиации на глобальном уровне. Это позволяет:

Мониторить облачность и альбедо,
Определять инсоляцию и радиационные балансы в реальном времени,
Анализировать пространственно-временные изменения радиационных характеристик.

Используются сенсоры в видимом и инфракрасном диапазонах, данные которых калибруются и интерпретируются с учётом моделей атмосферы и поверхности.

Солнечные циклы и долгосрочные вариации

Солнечная активность проявляется в циклических изменениях — 11-летние циклы солнечных пятен, флуктуации ультрафиолетового излучения, выбросы корональной массы и т. д. Эти колебания оказывают влияние на верхние слои атмосферы, и, возможно, на климатические процессы на Земле.

Изменения солнечной постоянной на десятилетних и столетних масштабах времени рассматриваются в контексте естественных факторов климатических изменений, однако вклад этих изменений по сравнению с антропогенными факторами остаётся предметом научных дискуссий.