Что такое суммарная солнечная радиация

Воздействие солнечной радиации на человека

Солнце – источник тепла и света, дарящий силы и здоровье. Однако не всегда его воздействие является положительным. Нехватка энергии или ее переизбыток могут расстроить естественные процессы жизнедеятельности и спровоцировать различные проблемы. Многие уверены, что загорелая кожа выглядит намного красивее, чем бледная, однако если долгое время провести под прямыми лучами, можно получить сильный ожог. Солнечная радиация – это поток поступающей энергии, распространяющийся в виде электромагнитных волн, проходящих через атмосферу. Измеряется мощностью переносимой ею энергии на единицу площади поверхности (ватт/м 2 ). Зная, как влияет солнце на человека, можно предотвратить его отрицательное воздействие.

Что представляет собой солнечная радиация

О Солнце и его энергии написано множество книг. Солнце является главным источником энергии всех физико-географических явлений на Земле. Одна двухмиллиардная доля света проникает в верхние слои атмосферы планеты, большая же часть оседает в мировом пространстве.

Лучи света – первоисточники других видов энергии. Попадая на поверхность земли и в воду, они формируются в тепло, воздействуют на климатические особенности и погоду.

Степень воздействия световых лучей на человека зависит от уровня радиации, а также периода, проведенного под солнцем. Многие типы волн люди применяют себе на пользу, пользуясь рентгеновским облучением, инфракрасными лучами, а также ультрафиолетом. Однако солнечные волны в чистом виде в большом количестве могут негативно отразиться на здоровье человека.

Количество радиации зависит от:

• положения Солнца. Наибольшее количество облучения приходится на равнины и пустыни, где солнцестояние довольно высокое, а погода безоблачная. Полярные области получают минимальное количество света, так как облачность поглощает значительную часть светового потока;
• длительности дня. Чем ближе к экватору, тем продолжительнее день. Именно там люди получают больше тепла;
• свойств атмосферы: облачности и влажности. На экваторе повышенная облачность и влажность, что является препятствием для прохождения света. Именно поэтому количество светового потока там меньше, чем в тропических зонах.

Распределение

Распределение солнечного света по земной поверхности неравномерное и имеет зависимость от:

• плотности и влажности атмосферы. Чем они больше, тем уменьшается облучение;
• географической широты местности. Количество получаемого света повышается от полюсов к экватору;
• движения Земли. Объем излучения меняется в зависимости от времени года;
• характеристик земной поверхности. Большое количество светового потока отражается в светлых поверхностях, например, снеге. Наиболее слабо отражает световую энергию чернозем.

Из-за протяженности своей территории уровень излучения в России значительно варьируется. Солнечное облучение в северных регионах примерно такое — 810 кВт-час/м 2 за 365 дней, в южных – более 4100 кВт-час/м 2 .

Немаловажное значение имеет длительность часов, на протяжении которых светит солнце. Эти показатели разнообразны в различных регионах, на что влияет не только географическая широта, но и наличие гор. На карте солнечной радиации России хорошо заметно, что в некоторых регионах не целесообразно устанавливать линии электроснабжения, так как естественный свет вполне способен обеспечить потребности жителей в электричестве и тепле.

Световые потоки достигают Земли различными путями. Именно от этого зависят виды солнечной радиации:

• Исходящие от солнца лучи называются прямой радиацией. Их сила имеет зависимость от высоты расположения солнца над уровнем горизонта. Максимальный уровень наблюдается в 12 часов дня, минимальный – в утреннее и вечернее время. Кроме того, интенсивность воздействия имеет связь с временем года: наибольшая возникает летом, наименьшая – зимой. Характерно, что в горах уровень радиации больше, чем на равнинных поверхностях. Также грязный воздух снижает прямые световые потоки. Чем ниже солнце над уровнем горизонта, тем меньше ультрафиолета.
• Отраженная радиация – это излучение, которое отражается водой или поверхностью земли.
• Рассеянная солнечная радиация формируется при рассеивании светового потока. Именно от нее зависит голубая окраска неба при безоблачной погоде.

Поглощенная солнечная радиация имеет зависимость от отражательной способности земной поверхности – альбедо.

Спектральный состав излучения многообразен:

• цветные или видимые лучи дают освещенность и имеют большое значение в жизни растений;
• ультрафиолет должен проникать в тело человека умеренно, так как его переизбыток или нехватка могут нанести вред;
• инфракрасное облучение дает ощущение тепла и воздействует на рост растительности.

Суммарная солнечная радиация – это проникающие на землю прямые и рассеянные лучи. При отсутствии облачности, примерно около 12 часов дня, а также в летнее время года она достигает своего максимума.

Как происходит воздействие

Электромагнитные волны состоят из различных частей. Есть невидимые, инфракрасные и видимые, ультрафиолетовые лучи. Характерно, что радиационные потоки имеют разную структуру энергии и по-разному влияют на людей.

Световой поток может оказывать благотворное, целебное воздействие на состояние человеческого тела. Проходя через зрительные органы, свет регулирует метаболизм, режим сна, влияет на общее самочувствие человека. Кроме того, световая энергия способна вызывать ощущение тепла. При облучении кожи в организме происходят фотохимические реакции, способствующие правильному обмену веществ.

Высокой биологической способностью обладает ультрафиолет, имеющий длину волны от 290 до 315 нм. Эти волны синтезируют витамин D в организме, а также способны уничтожать вирус туберкулеза за несколько минут, стафилококк – в течение четверти часа, палочки брюшного тифа – за 1 час.

Характерно, что безоблачная погода снижает длительность возникающих эпидемий гриппа и других заболеваний, например, дифтерии, имеющих способность передаваться воздушно-капельным путем.

Естественные силы организма защищают человека от внезапных атмосферных колебаний: температуры воздуха, влажности, давления. Однако иногда подобная защита ослабевает, что под воздействием сильной влажности совместно с повышенной температурой приводит к тепловому удару.

Воздействие облучения имеет связь от степени его проникновения в организм. Чем длиннее волны, тем сильнее сила излучения. Инфракрасные волны способны проникать до 23 см под кожу, видимые потоки – до 1 см, ультрафиолет – до 0,5-1 мм.

Все виды лучей люди получают во время активности солнца, когда пребывают на открытых пространствах. Световые волны позволяют человеку адаптироваться в мире, именно поэтому для обеспечения комфортного самочувствия в помещениях необходимо создать условия оптимального уровня освещения.

Воздействие на человека

Влияние солнечного излучения на здоровье человека определяется различными факторами. Имеет значение место жительства человека, климат, а также количество времени, проведенного под прямыми лучами.

При нехватке солнца у жителей Крайнего Севера, а также у людей, чья деятельность связана с работой под землей, например у шахтеров, наблюдаются различные расстройства жизнедеятельности, снижается прочность костей, возникают нервные нарушения.

Дети, недополучающие света, страдают рахитом чаще, чем остальные. Кроме того, они более подвержены заболеваниям зубов, а также имеют более длительное протекание туберкулеза.

Однако слишком продолжительное воздействие световых волн без периодической смены дня и ночи может пагубно отразиться на состоянии здоровья. Например, жители Заполярья часто страдают раздражительностью, утомлением, бессонницей, депрессиями, снижением трудоспособности.

Радиация в Российской Федерации имеет меньшую активность, чем, к примеру, в Австралии.

Таким образом, люди, которые находятся под длительным излучением:

• подвержены высокой вероятности возникновения рака кожных покровов;
• имеют повышенную склонность к сухости кожи, что, в свою очередь, ускоряет процесс старения и появление пигментации и ранних морщин;
• могут страдать ухудшением зрительных способностей, катарактой, конъюнктивитом;
• обладают ослабленным иммунитетом.

Нехватка витамина D у человека является одной из причин злокачественных новообразований, нарушений обмена веществ, что приводит к излишней массе тела, эндокринным нарушениям, расстройству сна, физическому истощению, плохому настроению.

Человек, который систематически получает свет солнца и не злоупотребляет солнечными ванными, как правило, не испытывает проблем со здоровьем:

• имеет стабильную работу сердца и сосудов;
• не страдает нервными заболеваниями;
• обладает хорошим настроением;
• имеет нормальный обмен веществ;
• редко болеет.

Таким образом, только дозированное поступление излучения способно положительно отразиться на здоровье человека.

Как защититься

Переизбыток облучения может спровоцировать перегрев организма, ожоги, а также обострение некоторых хронических болезней. Любителям принимать солнечные ванны необходимо позаботиться о выполнении нехитрых правил:

• с осторожностью загорать на открытых пространствах;
• во время жаркой погоды скрываться в тени под рассеянными лучами. В особенности это касается маленьких детей и пожилых людей, страдающих туберкулезом и заболеваниями сердца.

Следует помнить, что загорать необходимо в безопасное время суток, а также не находиться длительное время под палящим солнцем. Кроме того, стоит оберегать от теплового удара голову, нося головной убор, солнцезащитные очки, закрытую одежду, а также использовать различные средства от загара.

Солнечная радиация в медицине

Световые потоки активно применяют в медицине:

• при рентгене используется способность волн проходить через мягкие ткани и костную систему;
• введение изотопов позволяет зафиксировать их концентрацию во внутренних органах, обнаружить многие патологии и очаги воспаления;
• лучевая терапия способна разрушать рост и развитие злокачественных новообразований.

Свойства волн успешно используют во многих физиотерапевтических аппаратах:

• Приборы с инфракрасным излучением применяют для теплолечения внутренних воспалительных процессов, заболеваний костей, остеохондроза, ревматизма, благодаря способности волн восстанавливать клеточные структуры.
• Ультрафиолетовые лучи могут отрицательно сказываться на живых существах, угнетать рост растений, подавлять микроорганизмы и вирусы.

Гигиеническое значение солнечной радиации велико. Аппараты с ультрафиолетовым излучением используют в терапии:

• различных травм кожных покровов: ран, ожогов;
• инфекций;
• болезней ротовой полости;
• онкологических новообразований.

Кроме того, радиация имеет положительное влияние на организм человека в целом: способна придать сил, укрепить иммунную систему, восполнить нехватку витаминов.

Солнечный свет является важным источником полноценной жизни человека. Достаточное его поступление приводит к благоприятному существованию всех живых существ на планете. Человек не может снизить степень радиации, однако в силах оградить себя от его отрицательного воздействия.

Солнечная радиация

Солнце

Солнце всегда интересовало людей и служило темой для сочинения загадочных легенд. Еще в древние времена люди начинали догадываться о его воздействии на Землю. Однако все это было лишь неподтвержденными догадками и только с развитием технологий человечество смогло узнать, что такое солнечная радиация и как она воздействует на планету и ее обитателей.

Солнечная радиация – что это?

Солнечная радиация – энергетическое излучение, которое непрерывно поступает на Землю. Распространение энергии осуществляется в форме электромагнитных волн. Ежесекундно они преодолевают расстояние в 300 000 километров и в течение 8 минут достигают Земли.

На земную поверхность попадает как рассеянные, так и прямые лучи Солнца. Именно благодаря рассеиванию поступающих лучей в атмосфере, днем небо окрашено в голубоватый оттенок. Оранжевый окрас солнечного диска обуславливается тем, что его лучи практически не рассеиваются.

В течение 2-3 дней Земли достигает «солнечный ветер». Он состоит из огромного количества ядер водорода, гелия и электронов. Именно этим и обусловлено то, что солнечное излучение оказывает серьезное воздействие на человека и планету в целом.

Как влияет на организм?

Излучаемая Солнцем радиация состоит из ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной частей. В них содержится различная энергия и поэтому они могут по-разному влиять на человека:

1. Тепловой эффект. Он появляется из-за влияния инфракрасного излучения и сопровождается расширением сосудов, которое приводит к улучшению кровотока. В результате теплового эффекта и людей расслабляются мышцы и лучше усваиваются биологически активные микроэлементы.
2. Фотохимическое действие. Видимое солнечное излучение активизирует работу зрительного органа, благодаря чему человек может познавать окружающий мир. Поступающий свет от Солнца благоприятно влияет на работоспособность коры мозга и нормализует биоритмы человека. Нарушение биологических ритмов может привести к ухудшению самочувствия, бессоннице и развитию депрессии.
3. Ультрафиолетовое воздействие. Недостаток ультрафиолета может негативно сказаться на здоровье людей. Ослабляется иммунная система, замедляется процесс вырабатывания жизненно важных веществ, обостряются хронические болезни и развиваются психические расстройства.

Распределение излучения

Не всегда солнечное излучение достигает своей конечной цели. Земля отражает лучи, которые могут навредить ее биосфере. Делает она это при помощи озонового слоя, который фильтрует ультрафиолетовые лучи. Значительная часть излучений Солнца поглощается, рассеивается и отражается благодаря озоновому фильтру.

Излучения, которым удалось пройти через озоновый слой, падают на земную поверхность под разными углами. Они распределяются по территории Земли неравномерно. Интенсивность излучений напрямую зависит от высоты солнцестояния. При увеличении угла падения лучей количество тепла на возрастает.

Воздействие радиации на климат

Неоднократно было доказано, что солнечная радиация влияет на климат планеты. Наибольшее влияние оказывают инфракрасные излучения, которые усиливаются, когда Солнце поднимается над горизонтом. Интенсивность воздействия во многом зависит от удаленности Солнца от планеты. Расстояние между ними меняется в течение года.

Количество поступающей радиации зависит и от угла наклона оси планеты к орбите. Он изменяется в зависимости от времени года. Летом наклон сокращается, что приводит к увеличению радиации.

При изменении притока радиации от Солнца на 1% температурные показатели нижнего атмосферного слоя изменяются на 1.5 ℃. Иногда на Солнце возникают катаклизмы, из-за которых солнечная радиация может увеличиваться в разы. Благодаря магнитному полю и озоновому слою, до Земли доходит не так много радиации.

Защита от солнечной радиации

Ультрафиолетовое излучение, исходящее от Солнца – сильный раздражитель, которого надо избегать. Длительное нахождение под воздействием солнечных лучей может иметь следующие последствия для человека:

• ожоги;
• обострение хронических болезней;
• общий перегрев.

Чтобы солнечная радиация не смогла навредить здоровью человека, надо придерживаться следующих рекомендаций:

• ограничивать продолжительность загара и заниматься этим до или после обеда;
• во время пребывания на улице в солнечный день надевать одежду с длинным рукавом, солнцезащитные очки и широкополую шляпу или кепку;
• загорая на пляже, пользоваться специальными солнцезащитными кремами.

Людям, которые любят загорать в ясные летние дни, надо быть очень осторожными. Грудным детям и старикам с заболеваниями сердца нужно меньше находиться под солнцем и больше времени проводить в тени.

2011dnevnoe

Все виды солнечных лучей достигают земной поверхности тремя путями — в виде прямой, отраженной и рассеянной солнечной радиации.
Прямая солнечная радиация — это лучи, идущие непосредственно от солнца. Её интенсивность (эффективность) зависит от высоты стояния солнца над горизонтом: максимум наблюдается в полдень, а минимум — утром и вечером; от времени года: максимум — летом, минимум — зимой; от высоты местности над уровнем моря (в горах выше, чем на равнине); от состояния атмосферы (загрязнённость воздуха уменьшает её). От высоты стояния солнца над горизонтом зависит и спектр солнечной радиации (чем ниже стоит солнце над горизонтом, тем меньше ультрафиолетовых лучей).
Отраженная солнечная радиация — это лучи солнца, отраженные земной или водной поверхностью. Она выражается процентным отношением отраженных лучей к их суммарному потоку и называется альбедо. Величина альбедо зависит от характера отражающих поверхностей. При организации и проведении солнечных ванн необходимо знать и учитывать альбедо поверхностей, на которых проводятся солнечные ванны. Некоторые из них характеризуются избирательной отражающей способностью. Снег полностью отражает инфракрасные лучи, а ультрафиолетовые — в меньшей степени.

Рассеянная солнечная радиация образуется в результате рассеивания солнечных лучей в атмосфере. Молекулы воздуха и взвешенные в нем частицы (мельчайшие капельки воды, кристаллики льда и т. п.), называемые аэрозолями, отражают часть лучей. В результате многократных отражений часть их все же достигает земной поверхности; это рассеянные солнечные лучи. Рассеиваются в основном ультрафиолетовые, фиолетовые и голубые лучи, что и определяет голубой цвет неба в ясную погоду. Удельный вес рассеянных лучей велик в высоких широтах (в северных районах). Там солнце стоит низко над горизонтом, и потому путь лучей к земной поверхности длиннее. На длинном пути лучи встречают больше препятствий и в большей степени рассеиваются.

Суммарная солнечная радиация — вся прямая и рассеянная солнечная радиация, поступающая на земную поверхность. Суммарная солнечная радиация характеризуется интенсивностью. При безоблачном небе суммарная солнечная радиация имеет максимальное значение около полудня, а в течение года — летом.

(http://www.glossary.ru/cgi-bin/gl_sch2.c gi?RQgkog.outt:p!hgrgtx!nlstup!vuilw)tux yo)

Радиационный баланс
Радиационный баланс земной поверхности — разность между суммарной солнечной радиацией, поглощенной земной поверхностью, и ее эффективным излучением. Для земной поверхности
— приходная часть есть поглощенная прямая и рассеянная солнечная радиация, а также поглощенное встречное излучение атмосферы;
— расходная часть состоит из потери тепла за счет собственного излучения земной поверхности.

Радиационный баланс может быть положительным (днем, летом) и отрицательным (ночью, зимой); измеряется в кВт/кв.м/мин.
Радиационный баланс земной поверхности — важнейший компонент теплового баланса земной поверхности; один из основных климатообразующих факторов.

Тепловой баланс земной поверхности — алгебраическая сумма всех видов прихода и расхода тепла на поверхность суши и океана. Характер теплового баланса и его энергетический уровень определяют особенности и интенсивность большинства экзогенных процессов. Основными составляющими теплового баланса океана являются:
— радиационный баланс;
— затрата тепла на испарение;
— турбулентный теплообмен между поверхностью океана и атмосферой;
— вертикальный турбулентный теплообмен поверхности океана с нижележащими слоями; и
— горизонтальная океаническая адвекция.

(http://www.glossary.ru/cgi-bin/gl_sch2.c gi?RQgkog.outt:p!hgrgtx!nlstup!vuilw)tux yo)

Измерение солнечной радиации.

Для измерения солнечной радиации служат актинометры и пиргелиометры. Интенсивность солнечной радиации обычно измеряется по её тепловому действию и выражается в калориях на единицу поверхности за единицу времени.

Измерение интенсивности солнечной радиации производится пиранометром Янишевского в комплекте с гальванометром или потенциометром.

При замерах суммарной солнечной радиации пиранометр устанавливают без теневого экрана, при замерах же рассеянной радиации с теневым экраном. Прямая солнечная радиация вычисляется как разность между суммарной и рассеянной радиацией.

При определении интенсивности падающей солнечной радиации на ограждение пиранометр устанавливают на него так, чтобы воспринимаемая поверхность прибора была строго параллельна поверхности ограждения. При отсутствии автоматической записи радиации замеры следует производить через 30 мин в промежутке между восходом и заходом солнца.

Радиация, падающая на поверхность ограждения, полностью не поглощается. В зависимости от фактуры и окраски ограждения некоторая часть лучей отражается. Отношение отраженной радиации к падающей, выраженное в процентах, называется альбедо поверхности и измеряется альбедометром П.К. Калитина в комплекте с гальванометром или потенциометром.

Для большей точности наблюдения следует проводить при ясном небе и при интенсивном солнечном облучении ограждения.

10.Суммарная солнечная радиация. Распределение суммарной солнечной радиации на земной поверхности. Отраженная и поглащённая радиация. Альбедо.

Частичная облачность увеличивает СР, полная облачность уменьшает. При сплошной плотной облачности СР= РР.

Зимой вследствие отражения Р и ее вторичного рассеяния доля РР с составе СР возрастает.

Суточный ход: сев. полуш. при безоблачном небе СР макс. около полудня; год – летом – в дополуденные часы больше.

Закономерности в распределении СР:

зональность, в соответствии в уменьшением угла падения с. лучей

материки получают больше ССР, чем океаны, над материками меньше облачность и суше воздух

В Сев. полуш., материковом, ССР больше.

Годовая ССР 7200 МДж/м2 – тропические широты, малая облачность и сухой прозрачный воздух. Сев . Африка 8400-9200. Экватор, облачность 5600-6400. Индонезия, Амазонка, Конго 4800-4200. Умеренные 5000-3500, приполярные 2400, Антарктида, большая высота и сухость, прозрачность 5-5400.

Распределение суммарной солнечной радиации на земной поверхности. 1)Зональность в распределении солнечной суммарной радиации; 2)Материки получают больше суммарной солнечной радиации, чем океан.

Отражение и поглощение СР.

падая на з.п., ССР в большей части поглощается в верхнем тонком слое почвы или слое воды и переходит в тепло, а частично отражается

Часть ССР, приходящей к зп и отражающейся от нее – отраженная коротковолновая радиация.

Отношение отраженной части р. к суммарной р. называют отражательной способностью или альбедо данной подстилающей поверхности. A = (Rk/Q)*100%

Величина альбедо характеризует отражательную способность деятельной поверхности, % или доли единицы.

А. зависит от характера поверхности, цвета, шероховатости, влажности и др. Шероховатые почвы темного цвета отражают меньше, чем светлые, влажные – меньше, так они более темные. А. осушенных и вспах. торфяников 8%, светлых песчаных 45. А. раст покрова от 10 до 25. максимум – свежевыпавший снег 80-90%. Альбедо водной поверхности от нескольких процентов до 70%, зависит от волнения

А. всех поверхностей зависит от высоты Солнца: мин. полдень, макс. утром и вечером, так как при малой высоте Солнца в ССР возрастает доля рассеянной, которая в болььшей степени отражается от шероховатой подстил. пов-ти. А. водных поверхностей при высоте Солнца больше 60 меньше А. суши, так акк лучи попадая в воду поглощаются и рассеиваются в ней.

Разные длины волн солнечного спектра отражаются по-разному, то есть каждая волна имеет свою отр. способность, альбедо.. С увеличеснием длины волны А. возрастает.

Солнечный свет создает освещенность, которая характер-ся суммарным действием прямой. рассеянной и отраженной радиации. Освещенность растет с увеличеснием отраж. р.

Планетарное альбедо – отношение отраженной и рассеянной солн. рад, которая направляется в космос, к общему количеству радиации, поступающей в а. 30%. основную часть альбедо составляет отражение солнечной радиации облаками. Наибольшие значения в полярных широтах. Разность суммарной и отраженной радиации – поглощенная радиация.

Соотношение между поглощенной и отраженной радиацией зависит от физических свойств подстилающей поверхности: цвета, влажности, шероховатости.

Отношение количества отраженной от поверхности тела лучистой энергии к количеству падающей лучистой энергии называется альбедо. Альбедо характеризует отражательную способность поверхности тела. Когда, например, говорят, что альбедо свежевыпавшего снега равно 80—85%, это означает, что 80—85% всей падающей на снежную поверхность радиации отражается от нее.

Альбедо снега и льда зависит от их чистоты. В промышленных городах в связи с осаждением на снег различных примесей, преимущественно копоти, альбедо меньше. Наоборот, в арктических областях альбедо снега иногда достигает 94%. Так как альбедо снега по сравнению с альбедо других видов поверхности земли наиболее высокое, то при снежном покрове прогревание земной поверхности происходит слабо. Альбедо травяной растительности и песка значительно меньше. Альбедо травяной растительности равно 26%, а песка 30%. Это означает, что трава поглощает 74% солнечной энергии, а пески — 70%. Поглощенная радиация идет на испарение, рост растений и нагревание.

Наибольшей поглощательной способностью обладает вода. Моря и океаны поглощают около 95% поступающей на их поверхность солнечной энергии, т. е. альбедо воды равно 5% (рис. 9). Правда, альбедо воды находится в зависимости от угла падения солнечных лучей (В. В. Шулейкин). При отвесном падении лучей от поверхности чистой воды отражается лишь 2% радиации, а при низком стоянии солнца — почти вся.

Солнечная радиация

Солнечная радиация – это ничто иное, как энергия, которую излучает Солнце. Расстояние, на котором находится Солнце от Земли, равняется 150 млн км. Именно благодаря Солнцу происходит формирование климата и погоды на нашей планете. На светящейся поверхности Солнца температура достигает почти 6000 0С. Когда солнечная радиация поступает на Землю, она практически в полном своем объеме трансформируется в тепло.

Солнце на Землю посылает просто колоссальное количество энергии. Например, количество солнечной радиации, которая поступает на площадь равную 10 м2 в безоблачный летний день, составляет порядка 7-9 кВт. Однако, стоит отметить, что количество солнечной радиации, поступающей на Землю, зависит от множества разнообразных факторов. Среди них можно выделить следующие:

• угол падения солнечных лучей;
• продолжительность светлого времени суток;
• облачность.

Так, чем выше в тот или иной момент времени находится Солнце над земной поверхностью, тем, соответственно, больше угол падения солнечных лучей на Землю, а следовательно, земная поверхность поглощает большее количество радиации, излучаемой небесным светилом. Если же солнечные лучи падают на Землю под меньшим углом, то большая их часть отражается от Земли. Максимальное количество солнечной радиации получают пустыни, которые находятся вдоль линии тропиков. Это связано с тем, что Солнце над пустыней поднимается на максимальную высоту и практически круглый год погода над пустынями сохраняется ясной. Над экватором радиации значительно меньше, чем над пустынями, не смотря на то, что Солнце там находится существенно выше. Данное явление обусловлено тем, что атмосфера над экватором содержит много водяного пара, который формирует плотную облачность. В свою очередь, пар и облачность поглощают очень большое количество солнечной радиации. На территории полярных районов земной поверхностью поглощается наименьшее количество солнечной радиации, так как солнечные лучи там падают под очень маленьким углом, можно сказать, они практически скользят по поверхности Земли.

Способность земной поверхности отражать солнечную радиацию называется альбедо, что в переводе с латинского означает белый. То есть, стоит отметить, что в зависимости от земного рельефа будет разное отражение и поглощение радиации Землей. Так, темные и неровные поверхности обладают меньшей способностью к отражению радиации, в отличие от гладких и ровных поверхностей. То же самое касается и воды: в шторм море отражает меньшее количество радиации, чем в штиль.

Виды солнечной радиации

Как уже стало ясно из выше написанного, солнечная радиация не в полном объеме попадает на земную поверхность. Следуя от Солнца к Земле, происходит частичное ее поглощение, а также частичное рассеивание и отражение от облаков и земной поверхности. В связи с этим принято выделять три основных вида солнечной радиации:

• прямую;
• рассеянную;
• суммарную.

Прямой солнечной радиацией принято назвать ту радиацию, которая приходит на Землю от самого солнечного диска. Следует отметить, что радиация Солнца распространяется от небесного светила абсолютно во всех направлениях. Однако, расстояние между Солнцем и Землей настолько большое, что солнечная радиация падает на любую земную поверхность в виде пучка параллельных лучей.

Верхняя граница атмосферы встречается только с прямой солнечной радиацией. Порядка 30% от общего количества солнечной радиации, которая падает на Землю, отражается в космическом пространстве. Около 23% всей солнечной радиации поглощается в атмосфере кислородом, азотом, озоном, диоксидом углерода, водяными парами (т.е. облаками), а также аэрозольными частицами. Озоном поглощается ультрафиолетовая и видимая радиация. Не смотря на то, что воздух содержит крайне малое количество озона, им поглощается вся ультрафиолетовая часть радиации, которая составляет приблизительно 3%. В связи с этим, ультрафиолетовая часть солнечной радиации у самой земной поверхности отсутствует, что имеет очень важное значение для жизни и растительности на планете.

Таким образом, прямая солнечная радиация на пути к земной поверхности рассеивается. Рассеянной солнечной радиацией называется та солнечная радиация, которая претерпела рассеивание в атмосфере. Источником рассеянной радиации, в отличие от прямой радиации, является не сам солнечный диск, а весь небосвод. Она отличается от прямой радиации по своему спектровому составу. Это связано с тем, что рассеивание лучей разных длин волн имеют разную степень.

Рассеянная радиация происходит от прямой радиации. В связи с этим, на поток рассеянной радиации влияют те же факторы, что и на прямую. Например, чем выше Солнце, тем больший поток рассеянной радиации.

Суммарная радиация – это общее количество потоков как прямой, так и рассеянной радиации, которые поступают на горизонтальную поверхность. В суммарной радиации может преобладать как прямая, так и рассеянная радиация. Это зависит от того, насколько высоко Солнце над землей, какая облачность, какое время суток. Так, например, до восхода и после захода небесного светила, а также в светлое время суток во время сплошной облачности суммарная радиация полностью состоит из рассеянной радиации. А когда Солнце находится не очень высоко над землей, то в суммарной радиации преобладает рассеянная. В ясную погоду в дневное время суток в суммарной радиации доля прямой радиации значительно увеличивается. Когда суммарная радиация попадает на земную поверхность, то, главным образом, поглощается верхним слоем почвы или же более толстым водяным слоем и переходит в тепло, а частично отражается (отраженная радиация).

Влияние солнечной радиации

В составе электромагнитного спектра солнечной радиации присутствует инфракрасная, видимая, а также ультрафиолетовая части. Их кванты имеют разную энергию, в связи с чем они по-разному влияют как на организм человека, так и на окружающую среду.

Так, под влиянием инфракрасного излучения человек получает тепловой эффект, в результате которого расширяются кровеносные сосуды, усиливается кровоток и кожное дыхание. Также расслабляются сосуды и мышцы. Под влиянием мягкого тепла образуются, а также лучше усваиваются биологически активные вещества.

Под влиянием видимого излучения в тканях происходят очень важные для человеческого организма процессы. Благодаря квантам видимого света происходит активация зрительного анализатора, в результате чего человек видит разнообразие красок. Также существенно улучшается эмоциональное состояние организма, синхронизируются суточные и сезонные человеческие ритмы, определяется время сна и бодрствования.

Ультрафиолетовая часть солнечной радиации также является достаточно важной составляющей, поскольку дефицит ультрафиолета приводит к значительному понижению иммунитета, обострению хронических заболеваний, способствует функциональным расстройствам нервной системы, препятствует выработке жизненно важных веществ.

В целом, стоит отметить, что значение солнечной радиации является достаточно важным, поскольку в последнее время очень часто энергия солнечной радиации используется в полезных целях. Например, все чаще люди стали использовать альтернативные источники энергии, которые способны обеспечить человечество всеми необходимыми удобствами, такими как свет и тепло. Существуют специальные солнечные панели, которые способны накопить энергию солнечной радиации и затем использовать ее в своих полезных целях.

Параметры солнечного излучения и радиации

Энергоэффективность – эффективное (рациональное) использование энергетических ресурсов – достижение экономически оправданной эффективности использования топливоэнергетических ресурсов при существующем уровне развития техники и технологии и соблюдении требований к охране окружающей среды.

Коэффициент полезного действия (КПД) – характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии. Определяется отношением полезно использованной энергии к затраченной энергии, полученной системой.

Возобновляемые источники энергии – означают неископаемые источники энергии (ветер, солнечная энергия, геотермальная, энергия волн, приливы, гидроэнергия, биомасса, газ из органических отходов, газ установок по обработке сточных вод и биогазы) (Директива 2003/54/ЕС).

Человечество потребляет энергию, в подавляющем большинстве, полученную при сжигании традиционных ископаемых углеводородов, с каждым годом все больше. Но суммарное количество этой потребляемой энергии составляет всего около 0,0125 % доли процента от энергии возобновляемых источников, имеющихся на планете Земля, главная из которых – энергия Солнца [1]. Задача в том, как научиться эффективно использовать эти ресурсы.

Кроме того, энергия возобновляемых источников экологически чистая энергия.

Последние десятилетия постоянно поднимается вопрос о снижении странами выбросов в атмосферу парниковых газов, влияющих, по мнению ряда ученых, на потепление климата планеты и выживание человечества [2, 3]. Теплоэнергетика, наряду с другими отраслями, вносит большой вклад в накопление парниковых газов, поскольку именно при сжигании ископаемого топлива в котлах коммунального хозяйства и индивидуальных домов, происходит выброс диоксида углерода. Применение, при решении вопросов теплоснабжения, высокоэффективных технологий, возобновляемых источников энергии, позволит сохранить планету.

В мире сложная экономическая ситуация. Экономика многих стран-лидеров благосостояния стагнирует, либо развивается очень низкими темпами. В такие периоды мирового развития актуальным становится вопрос экономии энергоресурсов. Отопление и потребление горячей воды – значительные статьи расходов бюджетов, как индивидуальных домовладельцев, так и государств (к примеру, Россия), исторически взявших на себя затраты на поддержание функционирования систем жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ). Снижение стоимости киловатта тепловой энергии, доставленной конечному потребителю – одна из важнейших экономических задач, стоящей перед техническими и фундаментальными науками.

Тепловой солнечный коллектор (ТСК) – устройство для сбора тепловой энергии Солнца, переносимой видимым светом и ближним инфракрасным излучением.

Инсоляция – облучение поверхности или пространства параллельным пучком лучей, поступающих с направления, в котором виден в данный момент центр солнечного диска.

Фактическая инсоляция всегда зависит от ориентации и конфигурации освещаемого солнцем объекта.

Единицей измерения потока солнечной энергии в системе СИ является ватт на квадратный метр (Вт/м 2 ). При среднем расстоянии от Земли до Солнца – 150 миллионов километров – плотность энергии солнечного излучения, которое достигает атмосферы Земли, составляет в среднем 1,367 кВт/м 2 . На рис. 1 представлена интенсивность падающего на Землю солнечного излучения в зависимости от длины волны.

Рис. 1. Интенсивность падающего на Землю солнечного излучения в зависимости от длины волны

Солнечная радиация – энергетическая освещенность (облученность или поверхностная плотность потока излучения), создаваемая электромагнитным излучением, поступающим от Солнца, атмосферы и земной поверхности, единицы измерения:

мгновенное значение в кВт/м 2 , часовые и суточные суммы в МДж/м 2 .Тепловая энергия солнца – излучение солнечной радиации в диапазоне частот 350–1100 нм.

Суммарное солнечное излучение – прямое и рассеянное солнечное излучение, поступающее на горизонтальную поверхность. Единицы измерения: мгновенное значение в кВт/м 2 , часовые и суточные суммы в МДж/м 2 .

Прямое солнечное излучение – энергетическая освещенность, поступающая на деятельную поверхность в виде пучка параллельных лучей, исходящих непосредственно от диска Солнца. Единицы измерения: мгновенное значение в кВт/м 2 , часовые и суточные суммы в МДж/м 2 .

Рассеянное солнечное излучение – энергетическая освещенность, поступающая на земную поверхность со всего небесного свода под действием атмосферных и оптических факторов, за исключением действия прямого солнечного излучения. Единицы измерения: мгновенное значение в кВт/м 2 , часовые и суточные суммы в МДж/м 2 .

Отраженное солнечное излучение (применительно к ТСК) – энергетическая освещенность, создаваемая направленным солнечным излучением, отраженным от поверхности отражателя на поверхность ТСК. Единицы измерения: мгновенное значение в кВт/м 2 , часовые и суточные суммы в МДж/м 2 .

В пасмурные дни прямая солнечная радиация отсутствует и нагрев солнечных коллекторов зависит только от рассеянного солнечного излучения. Прямое солнечное излучение отсутствует, если в дневное время, предметы не дают тени. В средней полосе России осень и зима пасмурные и доля рассеянной энергии в эти периоды времени составляет до 90 % от общей солнечной энергии. Соотношение всех видов энергий солнечного излучения сильно зависят от климатических и географических данных. Эти показатели представлены во многих изданиях, большинство из которых относятся к периоду образования СССР, например [4, 5]. Одним из важнейших вопросов эффективной работы ТСК является их правильного расположение относительно солнца. Конструкции солнечных коллекторов могут быть стационарными, ориентированными на положение солнца в определенный момент времени, или оснащенными механизмами, способными отслеживать его движение.

Солнечный треккер – это устройство, позволяющее следить за движением солнца по небосводу, и перемещать СК в положение, в котором поглощение солнечных лучей происходит наиболее эффективно. Использование этих устройств позволило бы значительно увеличить эффективность работы гелиосистемы.

Но далеко не всегда используются такие устройства. Причина этому их стоимость и необходимость в квалифицированном техническом обслуживании. Большинство ТСК, применяемых для индивидуальных и децентрализированных объектов строительства, являются стационарными, ориентированными на фиксированное положение Солнца, конструкциями. Их расположение определяется формой крыши или опорной рамы. Очень важно правильно выбрать направление на Солнце и угол наклона фиксированных солнечных панелей.

Для оптимальной ориентации коллекторов, необходимо знать основные угловые параметры вращения Земли вокруг Солнца и вокруг своей оси (широта места установки φ, часовой угол ω, угол солнечного склонения δ, угол наклона к горизонту β, азимут α). Их схема представлена на рис. 2.

Широта места φ – одна из географических координат: дуга меридиана между экватором и параллелью данного места, или угол между плоскостью экватора и отвесной линией в данном месте земной поверхности. Изменяется от 0 до 90°; от экватора до Северного полюса – северная широта, от экватора до Южного полюса – южная широта.

Рис. 2. Основные и дополнительные углы движения Солнца: а – схема кажущегося движения солнца по небосводу; б – углы, определяющие положение точки А на земной поверхности относительно солнечных лучей

Часовой угол Солнца (ω) – угол между меридианом данного пункта наблюдений и кругом склонения светила; или дуга экватора между плоскостями меридиана и круга склонения. Величина (ω) отсчитывается от меридиана к западу. Часовой угол (ω) переводит местное солнечное время в число градусов, которое солнце проходит по небу. По определение часовой угол равен нулю в полдень. Земля поворачивается на 15° за один час. Утром угол направления Солнца отрицательный, вечером – положительный.

Необходимо помнить о разнице директивного времени часовых поясов и реального астрономического солнечного времени. К примеру, в Москве в январе эта разница составляет 2298 секунд, в Краснодаре 1964 секунды, Екатеринбурге – 3971 секунды. Во Владивостоке – 4339 секунды. Это отличие астрономического и директивного времени надо учитывать при установке солнечных коллекторов. Значение астрономического времени места вычисляется по формулам, но сейчас легко найти различные автоматические калькуляторы, где нужно только ввести искомое место и происходит автоматический

расчет астрономического времени, директивного и разницы между ними. К примеру. такой ресурс на time. satmaps. info, dateandtime. info/ru/citysunrisesunset. php?id=524901, продолжительность светового дня для любого места в любое время planetcalc. ru/300/.

В Москве, продолжительность светового дня меняется от 7 до 17 часов 30 минут, следовательно, Солнце перемещается за это время по дуге около 105 градусов зимой и 260 градусов летом.

Угол склонения Солнца (δ) зависит от вращения Земли вокруг Солнца, поскольку орбита вращения имеет эллиптическую форму и сама ось вращения тоже наклонена, то угол меняется в течение года от значения 23,45° до –23,45°. Угол склонения становится равным нулю два раза в год в дни весеннего и осеннего равноденствия.

Склонение солнца для конкретно выбранного дня определяется по формуле:

(1)

где n – порядковый номер дня в году, отсчитанный от 1-го января.

Наклон к горизонту (β) образуется между горизонтальной плоскостью и солнечной панелью.

Азимут (α) характеризует отклонение поглощающей плоскости коллектора от южного направления, при ориентировании солнечного коллектора точно на юг азимут = 0°.

Вопросы эффективного расположения солнечных тепловых коллекторов в зависимости от периода эксплуатации в течение года и другие вопросы проектирования солнечных тепловых коллекторов будут рассмотрены в других разделах учебного пособия.

По данным института АЕЕ INTEC, на конец 2012 г. в мире установлено 383 млн квадратных метров солнечных тепловых установок общей тепловой мощностью 268,1 ЕВт с годовой выработкой тепловой энергии 225 ТВт·ч [6]. С каждым годом эти показатели только возрастают. К сожалению, в России общая площадь солнечных тепловых установок оценивается в 30 тыс. м 2 [7].

По удельной тепловой мощности гелиоустановок на 1000 человек первое место занимает Кипр (542 кВт, площадью 774 м 2 ), второе – Австрия (406 кВт, 580 м 2 ), третье – Израиль (400 кВт, 571 м 2 ). На сегодняшний день большинство гелиоустановок построены в Китае – на площади 217,4 млн м 2 (152,2 ЕВт), или 64,9 % от общемирового использования этих установок. В Европе – 56,1 млн м 2 (39,3 ЕВт), или 16,7 % [7].

Исследования, проведенные лабораторией возобновляемых источников энергии Института высоких температур РАН, позволили создать «Атлас ресурсов солнечной энергии на территории России» [8]. Согласно данным, представленным в этой работе, более 60 % территории России, в том числе и многие северные районы, характеризуются среднегодовым поступлением солнечной радиации от 3,5 до 4,5 кВт·ч/м 2 в день, а регионы Приморья и юга Сибири от 4,5 до 5,0 кВт·ч/м 2 в день, что не сильно отличается от аналогичных показателей центральной Европы (5,0–5,5 кВт·ч/м 2 в день).

Карта распределения суммарной солнечной радиации на наклонную поверхность (угол равен широте) для территории России, представлена на рис. 3 [8].

В табл. 1 приведены усреднённые данные по среднемесячной энергии солнечного излучения (инсоляции) для некоторых городов с учётом климатических условий (частоты и силы облачности) для неподвижных панелей, ориентированных на юг под разными углами наклона, и для систем, отслеживающих движение Солнца. Инсоляция измерялась на открытом пространстве.

Таблица 1. Среднемесячные значения солнечного излучения и долей рассеянной солнечной радиации для ряда городов Российской Федерации, Республики Белорусь, Казахстана [4]

Камчатский

Доля рассеянного излучения в общей инсоляции

Город	янв.	фев.	март	апр.	май	июнь	июль	авг.	сен.	окт.	ноя.	дек.	в среднем за год
Алма-Ата	57 %	56 %	52 %	42 %	40 %	34 %	28 %	31 %	31 %	37 %	50 %	53 %	39 %
Москва	93 %	73 %	64 %	56 %	50 %	49 %	54 %	54 %	61 %	67 %	69 %	84 %	57 %

Растительный покров, соседние здания, снежный покров, близость открытых водных поверхностей и другие факторы могут влиять на реальные значения полной солнечной энергии, падающей на тепловой коллектор. Для определения дневных средних показателей, разделите указанные значения на количество дней в месяце. Реальные дневные показатели могут отличаться от средних в несколько раз, но с точки зрения работы солнечного теплового коллектора, важны именно средние значения.

Рис. 3. Распределение суммарной солнечной радиации на наклонную поверхность (угол равен широте) для территории России [8]

Все данные указаны в джоулях на квадратный метр (Дж/м 2 ). В скобках справочно приведены те же величины в кВт·ч/м 2 (1 кВт·ч = 3,6 МДж).

Также в Приложении указаны значения доли рассеянного излучения в общей инсоляции для городов Москва и Алма-Ата.

Солнечная радиация и тепловой баланс

Источником тепловой и световой энергии для Земли является солнечная радиациия. Ее величина зависит от широты места, так как от экватора к полюсам угол падения солнечных лучей уменьшается. Чем меньше угол падения солнечных лучей, тем на большую поверхность распределяется пучок солнечных лучей одинакового сечения, а следовательно на единицу площади приходится меньше энергии.

Благодаря тому, что в течение года Земля совершает 1 оборот вокруг Солнца, перемещаясь, сохраняя постоянство угла наклона своей оси к плоскости орбиты (эклиптики) появляются сезоны года, характеризующиеся разными условиями нагрева поверхности.

21 марта и 23 сентября Солнце стоит в зените под экватором (Дни равноденствия). 22 июня Солнце в зените над Северным Тропиком, 22 декабря – над Южным. На земной поверхности выделяют пояса освещенности и тепловые пояса (по среднегодовой изотерме +20 о С проходит граница теплого (жаркий) пояса; между среднегодовыми изотермами +20 о С и изотермой +10 о С расположен умеренный пояс; по изотерме +10 о С – границы холодного пояса.

Солнечные лучи проходят через прозрачную атмосферу, не нагревая ее, они достигают земной поверхности, нагревают ее, а от нее за счет длинноволнового излучения нагревается воздух. Степень нагрева поверхности, а значит и воздуха, зависят, прежде всего, от широты местности, а также от 1) высоты над уровнем моря (с подъемом вверх температура воздуха уменьшается в среднем на 0,6ºС на 100 м .; 2) особенностей подстилающей поверхности которая может быть разной по цвету и иметь различное альбедо – отражающую способность горных пород. Также разные поверхности имеют разную теплоемкость и теплоотдачу. Вода из-за высокой теплоемкости медленно нагревается и медленно, а суша наоборот. 3) от побережий в глубь материков количество водного пара в воздухе уменьшается, а чем прозрачнее атмосфера, тем меньше рассеивается в ней солнечных лучей каплями воды, и больше солнечных лучей достигает поверхности Земли.

Вся совокупность солнечной материи и энергии, поступающая на землю называется Солнечная радиация. Она делится на прямую и рассеянную. Прямая радиация – это совокупность прямых солнечных лучей, пронизывающих атмосферу при безоблачном небе. Рассеянная радиация – часть радиации, рассеивающаяся в атмосфере, лучи при этом идут во всех направлениях. П + Р = Суммарная радиация. Часть суммарной радиации отраженная от поверхности Земли называется отраженная радиация. Часть суммарной радиации поглощенная поверхностью Земли – поглощенная радиация. Тепловая энергия, движущаяся от нагретой атмосферы к поверхности Земли, навстречу потоку тепла от Земли называется встречное излучение атмосферы.

Годовое количество суммарной солнечной радиации в ккал/см 2 год (по Т.В. Власовой).

Эффективное излучение – величина, выражающая фактический переход тепла от поверхности Земли к атмосфере. Разница между излучением Земли и встречным излучением атмосферы определяет прогрев поверхности. От эффективного излучения напрямую зависит радиационный баланс – результат взаимодействия двух процессов прихода и расхода солнечной радиации. На величину баланса во многом влияет облачность. Там где она значительная в ночное время она перехватывает длинноволновое излучение Земли не давая ему уйти в космос.

От поступления солнечной радиации напрямую зависят температуры подстилающей поверхности и приземных слоев воздуха и тепловой баланс.

Тепловой баланс определяет температуру, ее величину и изменение на той поверхности, которая непосредственно нагревается солнечными лучами. Нагреваясь, эта поверхность, передает тепло (в длинноволновом диапазоне) как ниже лежащим слоям, так и атмосфере. Саму поверхность называют деятельной поверхностью.

Основные составляющие теплового баланса атмосферы и поверхности Земли как целого