Солнечное излучение — основной двигатель атмосферных процессов. Потоки солнечной радиации определяют тепловой режим поверхности Земли и атмосферы, формируют глобальную и локальную циркуляцию воздуха, а также обуславливают возможность использования солнечной энергии как возобновляемого источника. В физике атмосферы особое внимание уделяется законам переноса излучения, альбедо, характеристикам прозрачности атмосферы, влиянию облачности и аэрозолей на эффективность использования солнечных панелей.
Солнечное излучение, достигающее поверхности Земли, подразделяется на прямое и рассеянное. Прямое излучение — это поток, поступающий от Солнца по прямой траектории. Рассеянное излучение возникает в результате взаимодействия фотонов с молекулами, аэрозолями и частицами облаков. Их соотношение сильно варьирует в зависимости от атмосферных условий.
Для расчёта энергоэффективности солнечных установок критически важны:
Процесс прохождения солнечного излучения через атмосферу сопровождается потерями, обусловленными:
Эти процессы количественно описываются уравнением переноса излучения и параметрами радиационного баланса. В физике атмосферы для моделирования солнечной инсоляции широко применяются спектральные модели, учитывающие все формы взаимодействия фотонов с атмосферой.
Ветер — результат перераспределения энергии в атмосфере, вызванного неравномерным нагревом поверхности Земли и её вращением. Использование кинетической энергии воздушных масс требует точного понимания структуры и закономерностей атмосферной циркуляции.
Ключевыми параметрами для ветроэнергетики являются:
На высоте до 100 м, где обычно устанавливаются современные ветровые турбины, ветер подвержен сильному влиянию подстилающей поверхности. Тип подстилающей поверхности (лес, вода, город, горы) определяет коэффициент шероховатости и, соответственно, вертикальный градиент скорости ветра.
В нижних слоях атмосферы, в пределах приземного пограничного слоя (ППС), происходят основные процессы, формирующие структуру ветра. Здесь важны следующие физические явления:
Все эти аспекты критичны для прогнозирования эффективности работы ветровых электростанций и оптимального выбора места их установки.
Процессы образования и распределения атмосферных осадков имеют непосредственное отношение к гидроэнергетике. Количество поступающей воды в водохранилища зависит от климатических условий региона, характера циркуляции, частоты циклонов и влажности воздушных масс.
Наиболее важные метеорологические элементы:
Для построения водных балансов гидроэлектростанций применяются данные метеонаблюдений, спутниковые измерения, а также численные модели атмосферной циркуляции, учитывающие процессы конденсации, субсидиарных движений и вертикального переноса влаги.
Геотермальная энергетика в меньшей степени зависит от атмосферы, однако определённую роль играют тепловые потоки в атмосфере, отражающие подземные процессы. Важным направлением является наблюдение за температурными аномалиями, тепловым излучением земной поверхности, особенно в районах вулканической активности.
Также важны:
Процессы фотосинтеза и продуктивность растительных экосистем, от которых зависит доступность биомассы, обусловлены совокупностью атмосферных параметров:
Климатические колебания напрямую влияют на урожайность и темпы накопления биомассы. В этом контексте атмосферная физика играет роль ключевого инструмента в мониторинге и прогнозировании энергетического потенциала биомассы.
Хотя возобновляемые источники энергии имеют низкое загрязняющее воздействие, они всё же могут оказывать влияние на локальные и региональные климатические условия. Например:
Поэтому физика атмосферы необходима не только для оптимизации использования ВИЭ, но и для оценки их воздействия на климатическую систему. Эти вопросы становятся особенно актуальными при интеграции ВИЭ в масштабные энергосистемы.