Nguồn nhiệt. Nhiệt năng có vai trò quyết định đối với sự sống của khí quyển. Nguồn chính của năng lượng này là Mặt trời. Đối với bức xạ nhiệt của Mặt trăng, các hành tinh và các ngôi sao, nó không đáng kể đối với Trái đất nên trong thực tế không thể tính đến nó. Nhiều năng lượng nhiệt hơn được cung cấp bởi sức nóng bên trong của Trái đất. Theo tính toán của các nhà địa vật lý, dòng nhiệt liên tục từ lòng Trái đất làm tăng nhiệt độ bề mặt trái đất thêm 0,1. Nhưng dòng nhiệt như vậy vẫn nhỏ đến mức không cần tính đến nó. Như vậy, chỉ có thể coi Mặt trời là nguồn nhiệt năng duy nhất trên bề mặt Trái đất.

Bức xạ năng lượng mặt trời. Mặt trời, có nhiệt độ của quang quyển (bề mặt bức xạ) khoảng 6000°, bức xạ năng lượng vào không gian theo mọi hướng. Một phần năng lượng này dưới dạng một chùm tia mặt trời song song khổng lồ chiếu xuống Trái đất. Năng lượng mặt trời chiếu tới bề mặt trái đất dưới dạng các tia trực tiếp từ mặt trời được gọi là bức xạ mặt trời trực tiếp. Nhưng không phải tất cả các bức xạ mặt trời hướng tới Trái đất đều đến được bề mặt trái đất, vì các tia nắng mặt trời khi xuyên qua một lớp khí quyển mạnh sẽ bị nó hấp thụ một phần, một phần bị tán xạ bởi các phân tử và các hạt lơ lửng trong không khí, một số bị phản xạ bởi những đám mây. Phần năng lượng mặt trời bị tiêu tán trong khí quyển được gọi là bức xạ tán xạ. Bức xạ mặt trời tán xạ lan truyền trong khí quyển và đến bề mặt Trái đất. Chúng tôi coi loại bức xạ này là ánh sáng ban ngày đồng nhất, khi Mặt trời bị mây che phủ hoàn toàn hoặc vừa biến mất dưới đường chân trời.

Bức xạ mặt trời trực tiếp và khuếch tán, đến bề mặt Trái đất, không bị nó hấp thụ hoàn toàn. Một phần của bức xạ mặt trời được phản xạ từ bề mặt trái đất trở lại bầu khí quyển và ở đó dưới dạng một luồng tia, cái gọi là phản xạ bức xạ mặt trời.

Thành phần của bức xạ mặt trời rất phức tạp, có liên quan đến nhiệt độ rất cao của bề mặt bức xạ của Mặt trời. Thông thường, theo bước sóng, quang phổ của bức xạ mặt trời được chia thành ba phần: tia cực tím (η<0,4<μ видимую глазом (η từ 0,4μ đến 0,76μ) và hồng ngoại (η >0,76μ). Ngoài nhiệt độ của quang quyển mặt trời, thành phần của bức xạ mặt trời gần bề mặt trái đất cũng bị ảnh hưởng bởi sự hấp thụ và tán xạ của một phần tia nắng mặt trời khi chúng đi qua lớp vỏ không khí của Trái đất. Về vấn đề này, thành phần bức xạ mặt trời ở ranh giới trên của khí quyển và gần bề mặt Trái đất sẽ khác nhau. Dựa trên các tính toán và quan sát lý thuyết, người ta đã xác định rằng ở ranh giới của bầu khí quyển, bức xạ cực tím chiếm 5%, tia nhìn thấy - 52% và tia hồng ngoại - 43%. Trên bề mặt trái đất (ở độ cao 40 ° của Mặt trời), tia cực tím chỉ chiếm 1%, tia nhìn thấy - 40% và tia hồng ngoại - 59%.

Cường độ bức xạ mặt trời. Dưới cường độ bức xạ mặt trời trực tiếp hiểu lượng nhiệt tính bằng calo nhận được trong 1 phút. từ năng lượng bức xạ của Mặt trời bởi bề mặt trong 1 cm2,đặt vuông góc với mặt trời.

Để đo cường độ bức xạ mặt trời trực tiếp, các dụng cụ đặc biệt được sử dụng - máy đo độ nhạy và máy đo nhiệt độ; lượng bức xạ tán xạ được xác định bằng hỏa kế. Việc ghi lại tự động thời gian tác động của bức xạ mặt trời được thực hiện bằng máy ghi quang và máy ghi nhật ký. Cường độ quang phổ của bức xạ mặt trời được xác định bằng máy quang phổ.

Tại ranh giới của khí quyển, nơi loại trừ các hiệu ứng hấp thụ và tán xạ của lớp vỏ không khí của Trái đất, cường độ bức xạ mặt trời trực tiếp xấp xỉ 2 phân Cho 1 cm2 bề mặt trong 1 phút. Giá trị này được gọi là hằng số mặt trời. Cường độ bức xạ mặt trời trong 2 phân Cho 1 cm2 trong 1 phút. cung cấp một lượng nhiệt lớn trong năm đủ để làm tan chảy một lớp băng 35 tôi dày, nếu một lớp như vậy bao phủ toàn bộ bề mặt trái đất.

Nhiều phép đo cường độ bức xạ mặt trời đưa ra lý do để tin rằng lượng năng lượng mặt trời đến ranh giới phía trên của bầu khí quyển Trái đất trải qua những dao động với số lượng vài phần trăm. Các dao động là định kỳ và không định kỳ, dường như gắn liền với các quá trình xảy ra trên chính Mặt trời.

Ngoài ra, một số thay đổi về cường độ bức xạ mặt trời xảy ra trong năm do Trái đất trong vòng quay hàng năm của nó không chuyển động theo hình tròn mà theo hình elip, một trong những tiêu điểm của nó là Mặt trời. Về vấn đề này, khoảng cách từ Trái đất đến Mặt trời thay đổi và do đó, có sự dao động về cường độ bức xạ mặt trời. Cường độ lớn nhất được quan sát vào khoảng ngày 3 tháng 1, khi Trái đất ở gần Mặt trời nhất và nhỏ nhất vào khoảng ngày 5 tháng 7, khi Trái đất ở khoảng cách tối đa so với Mặt trời.

Vì lý do này, sự dao động về cường độ bức xạ mặt trời là rất nhỏ và chỉ có thể được quan tâm về mặt lý thuyết. (Lượng năng lượng ở khoảng cách tối đa có liên quan đến lượng năng lượng ở khoảng cách tối thiểu, như 100:107, tức là sự khác biệt hoàn toàn không đáng kể.)

Điều kiện để chiếu xạ bề mặt địa cầu. Chỉ riêng hình dạng hình cầu của Trái đất đã dẫn đến thực tế là năng lượng bức xạ của Mặt trời phân bố rất không đều trên bề mặt trái đất. Vì vậy, vào những ngày xuân phân và thu phân (21 tháng 3 và 23 tháng 9), chỉ ở xích đạo vào buổi trưa, góc tới của các tia sẽ là 90 ° (Hình 30), và khi nó tiến đến các cực, nó sẽ giảm từ 90 xuống 0°. Như vậy,

nếu ở xích đạo lượng bức xạ nhận được lấy bằng 1 thì ở vĩ tuyến 60 sẽ biểu thị bằng 0,5 và ở cực sẽ bằng 0.

Ngoài ra, quả địa cầu còn có sự chuyển động hàng ngày và hàng năm, trục trái đất nghiêng với mặt phẳng quỹ đạo một góc 66°.5. Do độ nghiêng này, một góc 23 ° 30 g được hình thành giữa mặt phẳng xích đạo và mặt phẳng quỹ đạo, điều này dẫn đến thực tế là góc tới của các tia nắng mặt trời ở cùng vĩ độ sẽ thay đổi trong khoảng 47 ° (23,5 + 23,5) .

Tùy thuộc vào thời gian trong năm, không chỉ góc tới của các tia thay đổi mà còn cả thời gian chiếu sáng. Nếu ở các nước nhiệt đới vào mọi thời điểm trong năm, thời lượng ngày và đêm xấp xỉ nhau, thì ở các nước vùng cực, ngược lại, lại rất khác. Ví dụ, ở 70° N. sh. vào mùa hè, Mặt trời không lặn trong 65 ngày, ở 80°N. sh.- 134, và ở cực -186. Do đó, ở Bắc Cực, bức xạ vào ngày hạ chí (22 tháng 6) cao hơn 36% so với ở xích đạo. Trong cả nửa năm mùa hè, tổng lượng nhiệt và ánh sáng mà cực nhận được chỉ ít hơn 17% so với ở xích đạo. Do đó, vào mùa hè ở các nước vùng cực, thời gian chiếu sáng phần lớn bù đắp cho việc thiếu bức xạ, đây là hệ quả của góc tới nhỏ của các tia. Vào nửa mùa đông của năm, bức tranh hoàn toàn khác: lượng bức xạ ở cùng một Bắc Cực sẽ bằng 0. Do đó, lượng bức xạ trung bình ở cực ít hơn 2,4 lần so với ở xích đạo. Từ tất cả những gì đã nói, có thể thấy rằng lượng năng lượng mặt trời mà Trái đất nhận được do bức xạ được xác định bởi góc tới của các tia và thời gian tiếp xúc.

Trong trường hợp không có bầu khí quyển ở các vĩ độ khác nhau, bề mặt trái đất sẽ nhận được lượng nhiệt mỗi ngày như sau, được biểu thị bằng calo trên 1 cm2(xem bảng trang 92).

Sự phân bố bức xạ trên bề mặt trái đất cho trong bảng thường được gọi là khí hậu mặt trời. Chúng tôi nhắc lại rằng chúng tôi chỉ có sự phân bố bức xạ như vậy ở ranh giới phía trên của bầu khí quyển.

Sự suy giảm bức xạ mặt trời trong khí quyển. Cho đến nay, chúng ta đã nói về các điều kiện phân phối nhiệt mặt trời trên bề mặt trái đất mà không tính đến bầu khí quyển. Trong khi đó, bầu không khí trong trường hợp này có tầm quan trọng lớn. Bức xạ mặt trời đi qua bầu khí quyển trải qua sự phân tán và thêm vào đó là sự hấp thụ. Cả hai quá trình này cùng nhau làm suy giảm bức xạ mặt trời ở mức độ lớn.

Các tia nắng mặt trời đi qua bầu khí quyển trước hết trải qua hiện tượng tán xạ (khuếch tán). Sự tán xạ được tạo ra bởi thực tế là các tia sáng, khúc xạ và phản xạ từ các phân tử không khí và các hạt của chất rắn và chất lỏng trong không khí, đi chệch khỏi đường đi trực tiếp đến thực sự "bung ra".

Tán xạ làm suy giảm đáng kể bức xạ mặt trời. Với sự gia tăng lượng hơi nước và đặc biệt là các hạt bụi, sự phân tán tăng lên và bức xạ yếu đi. Ở các thành phố lớn và khu vực sa mạc, nơi hàm lượng bụi trong không khí lớn nhất, sự phân tán làm suy yếu cường độ bức xạ từ 30-45%. Nhờ hiện tượng tán xạ, người ta thu được ánh sáng ban ngày chiếu sáng các vật thể, ngay cả khi các tia nắng mặt trời không chiếu trực tiếp vào chúng. Sự tán xạ quyết định chính màu sắc của bầu trời.

Bây giờ chúng ta hãy tập trung vào khả năng hấp thụ năng lượng bức xạ của Mặt trời của bầu khí quyển. Các loại khí chính tạo nên bầu khí quyển hấp thụ năng lượng bức xạ tương đối rất ít. Ngược lại, các tạp chất (hơi nước, ozone, carbon dioxide và bụi) được phân biệt bằng khả năng hấp thụ cao.

Trong tầng đối lưu, hỗn hợp quan trọng nhất là hơi nước. Chúng hấp thụ đặc biệt mạnh tia hồng ngoại (sóng dài), tức là, chủ yếu là các tia nhiệt. Và càng nhiều hơi nước trong khí quyển, tự nhiên càng nhiều. sự hấp thụ. Lượng hơi nước trong khí quyển có thể thay đổi lớn. Trong điều kiện tự nhiên, nó thay đổi từ 0,01 đến 4% (theo thể tích).

Ozone rất hấp thụ. Một hỗn hợp đáng kể của ôzôn, như đã đề cập, nằm ở các tầng thấp hơn của tầng bình lưu (phía trên tầng đối lưu). Ozone hấp thụ tia cực tím (sóng ngắn) gần như hoàn toàn.

Carbon dioxide cũng rất hấp thụ. Nó hấp thụ chủ yếu là sóng dài, tức là chủ yếu là tia nhiệt.

Bụi trong không khí cũng hấp thụ một phần bức xạ của mặt trời. Nóng lên dưới tác động của ánh sáng mặt trời, nó có thể làm tăng đáng kể nhiệt độ của không khí.

Trong tổng số năng lượng mặt trời đến Trái đất, bầu khí quyển chỉ hấp thụ khoảng 15%.

Sự suy giảm bức xạ mặt trời do tán xạ và hấp thụ bởi khí quyển là rất khác nhau đối với các vĩ độ khác nhau của Trái đất. Sự khác biệt này phụ thuộc chủ yếu vào góc tới của các tia. Ở vị trí thiên đỉnh của Mặt trời, các tia sáng rơi thẳng đứng đi qua bầu khí quyển theo cách ngắn nhất. Khi góc tới giảm, đường đi của tia sáng dài ra và sự suy giảm bức xạ mặt trời trở nên đáng kể hơn. Cái sau có thể nhìn thấy rõ ràng từ hình vẽ (Hình 31) và bảng đính kèm (trong bảng, đường đi của chùm tia Mặt trời ở vị trí thiên đỉnh của Mặt trời được coi là thống nhất).

Tùy thuộc vào góc tới của tia, không chỉ số lượng tia thay đổi mà chất lượng của chúng cũng thay đổi. Trong thời kỳ Mặt Trời ở thiên đỉnh (trên cao), tia cực tím chiếm 4%,

có thể nhìn thấy - 44% và hồng ngoại - 52%. Tại vị trí của Mặt trời, không có tia cực tím nào ở đường chân trời, khả kiến ​​28% và tia hồng ngoại 72%.

Sự phức tạp của ảnh hưởng của khí quyển đối với bức xạ mặt trời càng trầm trọng hơn do khả năng truyền tải của nó thay đổi rất nhiều tùy thuộc vào thời gian trong năm và điều kiện thời tiết. Vì vậy, nếu bầu trời luôn không có mây, thì dòng bức xạ mặt trời hàng năm ở các vĩ độ khác nhau có thể được biểu thị bằng đồ họa như sau (Hình 32). Bức xạ mặt trời tháng 5, tháng 6 và tháng 7 sẽ tạo ra nhiều hơn ở xích đạo. Tương tự, vào nửa cuối tháng 5, tháng 6 và nửa đầu tháng 7, nhiệt sẽ được tạo ra ở Bắc Cực nhiều hơn ở xích đạo và ở Moscow. Chúng tôi nhắc lại rằng đây sẽ là trường hợp với bầu trời không mây. Nhưng trên thực tế, điều này không hiệu quả, vì mây che phủ làm suy yếu đáng kể bức xạ mặt trời. Hãy để chúng tôi đưa ra một ví dụ được hiển thị trong biểu đồ (Hình 33). Biểu đồ cho thấy lượng bức xạ mặt trời không đến được bề mặt Trái đất: một phần đáng kể của nó được giữ lại bởi bầu khí quyển và các đám mây.

Tuy nhiên, phải nói rằng nhiệt do các đám mây hấp thụ một phần làm ấm bầu khí quyển, một phần gián tiếp truyền tới bề mặt trái đất.

Quá trình hàng ngày và hàng năm của cường độ solbức xạ ban đêm. Cường độ bức xạ mặt trời trực tiếp gần bề mặt Trái đất phụ thuộc vào độ cao của Mặt trời so với đường chân trời và trạng thái của khí quyển (độ bụi của nó). Nếu. độ trong suốt của bầu khí quyển trong ngày là không đổi, khi đó cường độ bức xạ mặt trời tối đa sẽ được quan sát thấy vào buổi trưa và mức tối thiểu - vào lúc bình minh và hoàng hôn. Trong trường hợp này, biểu đồ của cường độ bức xạ mặt trời hàng ngày sẽ đối xứng với nửa ngày.

Hàm lượng bụi, hơi nước và các tạp chất khác trong khí quyển luôn thay đổi. Về vấn đề này, độ trong suốt của không khí thay đổi và tính đối xứng của đồ thị cường độ bức xạ mặt trời bị vi phạm. Thông thường, đặc biệt là vào mùa hè, vào giữa trưa, khi bề mặt trái đất nóng lên rất nhiều, các luồng không khí đi lên mạnh mẽ xảy ra và lượng hơi nước và bụi trong khí quyển tăng lên. Điều này dẫn đến bức xạ mặt trời giảm đáng kể vào buổi trưa; cường độ bức xạ tối đa trong trường hợp này được quan sát thấy vào trước buổi trưa hoặc buổi chiều. Quá trình hàng năm của cường độ bức xạ mặt trời cũng liên quan đến sự thay đổi độ cao của Mặt trời so với đường chân trời trong năm và với trạng thái trong suốt của khí quyển trong các mùa khác nhau. Ở các quốc gia ở Bắc bán cầu, chiều cao lớn nhất của Mặt trời so với đường chân trời xảy ra vào tháng Sáu. Nhưng đồng thời, độ bụi lớn nhất của bầu khí quyển cũng được quan sát thấy. Do đó, cường độ tối đa thường không xảy ra vào giữa mùa hè mà vào những tháng mùa xuân, khi Mặt trời mọc khá cao * trên đường chân trời và bầu không khí sau mùa đông tương đối sạch. Để minh họa cho quá trình hàng năm của cường độ bức xạ mặt trời ở bán cầu bắc, chúng tôi trình bày dữ liệu về các giá trị cường độ bức xạ vào buổi trưa trung bình hàng tháng ở Pavlovsk.

Lượng nhiệt từ bức xạ mặt trời. Bề mặt Trái đất trong ngày liên tục nhận nhiệt từ bức xạ mặt trời trực tiếp và khuếch tán hoặc chỉ từ bức xạ khuếch tán (khi trời nhiều mây). Giá trị nhiệt hàng ngày được xác định trên cơ sở các quan sát đo quang: bằng cách tính đến lượng bức xạ trực tiếp và khuếch tán đã đi vào bề mặt trái đất. Khi đã xác định được lượng nhiệt cho mỗi ngày, lượng nhiệt mà bề mặt trái đất nhận được mỗi tháng hoặc mỗi năm cũng được tính toán.

Lượng nhiệt hàng ngày mà bề mặt trái đất nhận được từ bức xạ mặt trời phụ thuộc vào cường độ bức xạ và thời gian hoạt động của nó trong ngày. Về vấn đề này, dòng nhiệt tối thiểu xảy ra vào mùa đông và tối đa vào mùa hè. Trong sự phân bố địa lý của tổng lượng bức xạ trên toàn cầu, sự gia tăng của nó được quan sát thấy khi vĩ độ của khu vực giảm xuống. Vị trí này được xác nhận bởi bảng sau.

Vai trò của bức xạ trực tiếp và khuếch tán đối với lượng nhiệt mà bề mặt trái đất nhận được hàng năm ở các vĩ độ khác nhau của địa cầu là không giống nhau. Ở vĩ độ cao, bức xạ khuếch tán chiếm ưu thế trong tổng nhiệt hàng năm. Với sự giảm vĩ độ, giá trị chiếm ưu thế chuyển sang bức xạ mặt trời trực tiếp. Vì vậy, ví dụ, ở Vịnh Tikhaya, bức xạ mặt trời khuếch tán cung cấp 70% lượng nhiệt hàng năm và bức xạ trực tiếp chỉ 30%. Ngược lại, ở Tashkent, bức xạ mặt trời trực tiếp cho 70%, chỉ khuếch tán 30%.

Hệ số phản xạ của Trái Đất. Albedo. Như đã đề cập, bề mặt Trái đất chỉ hấp thụ một phần năng lượng mặt trời đến dưới dạng bức xạ trực tiếp và khuếch tán. Phần khác được phản ánh vào bầu khí quyển. Tỷ lệ giữa lượng bức xạ mặt trời bị phản xạ bởi một bề mặt nhất định với lượng dòng năng lượng bức xạ tới bề mặt này được gọi là suất phản chiếu. Albedo được biểu thị bằng phần trăm và đặc trưng cho hệ số phản xạ của một khu vực nhất định trên bề mặt.

Albedo phụ thuộc vào bản chất của bề mặt (đặc tính của đất, sự hiện diện của tuyết, thảm thực vật, nước, v.v.) và vào góc tới của các tia Mặt trời trên bề mặt Trái đất. Vì vậy, ví dụ, nếu các tia chiếu xuống bề mặt trái đất ở một góc 45 °, thì:

Từ các ví dụ trên, có thể thấy hệ số phản xạ của các vật thể khác nhau là không giống nhau. Nó gần tuyết nhất và ít gần nước nhất. Tuy nhiên, các ví dụ chúng tôi đã lấy chỉ đề cập đến những trường hợp chiều cao của Mặt trời trên đường chân trời là 45°. Khi góc này giảm, hệ số phản xạ tăng. Vì vậy, ví dụ, ở độ cao của Mặt trời ở 90 °, nước chỉ phản xạ 2%, ở 50 ° - 4%, ở 20 ° -12%, ở 5 ° - 35-70% (tùy thuộc vào trạng thái của mặt trời). mặt nước).

Trung bình, với bầu trời không mây, bề mặt địa cầu phản xạ 8% bức xạ mặt trời. Ngoài ra, 9% phản ánh bầu không khí. Do đó, toàn bộ địa cầu, với bầu trời không mây, phản chiếu 17% năng lượng bức xạ của Mặt trời chiếu xuống nó. Nếu bầu trời bị mây bao phủ thì 78% bức xạ được phản xạ từ chúng. Nếu chúng ta lấy các điều kiện tự nhiên, dựa trên tỷ lệ giữa bầu trời không mây và bầu trời có mây, được quan sát thấy trong thực tế, thì hệ số phản xạ của Trái đất nói chung là 43%.

Bức xạ mặt đất và khí quyển. Trái đất, nhận năng lượng mặt trời, nóng lên và chính nó trở thành nguồn bức xạ nhiệt vào không gian thế giới. Tuy nhiên, các tia phát ra từ bề mặt trái đất khác hẳn với các tia mặt trời. Trái đất chỉ phát ra các tia hồng ngoại (nhiệt) vô hình sóng dài (λ 8-14 μ). Năng lượng do bề mặt trái đất tỏa ra được gọi là bức xạ trái đất. bức xạ trái đất xảy ra và. ngày và đêm. Cường độ bức xạ càng lớn thì nhiệt độ của vật thể bức xạ càng cao. Bức xạ mặt đất được xác định theo cùng đơn vị với bức xạ mặt trời, tức là tính bằng calo từ 1 cm2 bề mặt trong 1 phút. Các quan sát đã chỉ ra rằng cường độ của bức xạ mặt đất là nhỏ. Thông thường nó đạt 15-18 phần trăm calo. Nhưng, hoạt động liên tục, nó có thể tạo ra hiệu ứng nhiệt đáng kể.

Bức xạ mặt đất mạnh nhất thu được với bầu trời không mây và độ trong suốt của bầu khí quyển. Mây (đặc biệt là mây thấp) làm giảm đáng kể bức xạ mặt đất và thường đưa nó về không. Ở đây chúng ta có thể nói rằng bầu khí quyển cùng với những đám mây là một "tấm chăn" tốt bảo vệ Trái đất khỏi bị làm mát quá mức. Các bộ phận của bầu khí quyển, giống như các khu vực trên bề mặt trái đất, bức xạ năng lượng tùy theo nhiệt độ của chúng. Năng lượng này được gọi là bức xạ khí quyển. Cường độ của bức xạ khí quyển phụ thuộc vào nhiệt độ của phần bức xạ của khí quyển, cũng như lượng hơi nước và carbon dioxide chứa trong không khí. Bức xạ khí quyển thuộc nhóm bức xạ sóng dài. Nó lan truyền trong bầu khí quyển theo mọi hướng; một phần của nó chạm tới bề mặt trái đất và được nó hấp thụ, phần còn lại đi vào không gian liên hành tinh.

Ô thu nhập và chi tiêu của năng lượng mặt trời trên trái đất. Bề mặt trái đất một mặt nhận năng lượng mặt trời dưới dạng bức xạ trực tiếp và khuếch tán, mặt khác lại mất đi một phần năng lượng này dưới dạng bức xạ mặt đất. Do sự xuất hiện và tiêu thụ năng lượng "mặt trời", một số kết quả thu được. Trong một số trường hợp, kết quả này có thể là tích cực, trong những trường hợp khác là tiêu cực. Hãy đưa ra ví dụ về cả hai.

ngày 8 tháng giêng. Ngày không có mây. Cho 1 cm2 bề mặt trái đất nhận được mỗi ngày 20 phân bức xạ mặt trời trực tiếp và 12 phân bức xạ tán xạ; tổng cộng, do đó đã nhận được 32 cal.Đồng thời do bức xạ 1 cm? bề mặt trái đất bị mất 202 cal. Kết quả là, theo ngôn ngữ kế toán, lỗ 170 phân(dư âm).

ngày 6 tháng 7 Bầu trời gần như không có mây. 630 nhận được từ bức xạ mặt trời trực tiếp ca, từ bức xạ tán xạ 46 cal. Do đó, tổng cộng, bề mặt trái đất đã nhận được 1 cm2 676 cal. 173 bị mất bởi bức xạ mặt đất cal. Trong bảng cân đối kế toán lợi nhuận trên 503 phân(cân bằng dương).

Từ những ví dụ trên, trong số những điều khác, khá rõ ràng tại sao ở các vĩ độ ôn đới, trời lạnh vào mùa đông và ấm vào mùa hè.

Việc sử dụng bức xạ mặt trời cho mục đích kỹ thuật và trong nước. Bức xạ mặt trời là nguồn năng lượng tự nhiên vô tận. Độ lớn của năng lượng mặt trời trên Trái đất có thể được đánh giá bằng ví dụ sau: chẳng hạn, nếu chúng ta sử dụng nhiệt của bức xạ mặt trời, chỉ chiếm 1/10 diện tích của Liên Xô, thì chúng ta có thể nhận được năng lượng bằng nhau đến công việc của 30 nghìn Dneproges.

Từ lâu con người đã tìm cách sử dụng năng lượng tự do của bức xạ mặt trời cho nhu cầu của mình. Cho đến nay, nhiều thiết bị năng lượng mặt trời khác nhau đã được tạo ra hoạt động dựa trên việc sử dụng bức xạ mặt trời và được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và để đáp ứng nhu cầu gia đình của người dân. Ở các khu vực phía nam của Liên Xô, máy nước nóng năng lượng mặt trời, nồi hơi, nhà máy khử muối trong nước, máy sấy năng lượng mặt trời (để sấy khô trái cây), nhà bếp, nhà tắm, nhà kính và thiết bị y tế hoạt động trên cơ sở sử dụng rộng rãi bức xạ mặt trời trong công nghiệp và tiện ích công cộng. Bức xạ mặt trời được sử dụng rộng rãi trong các khu nghỉ dưỡng để điều trị và nâng cao sức khỏe của mọi người.

Trái đất nhận được từ Mặt trời 1,36 * 10v24 cal nhiệt mỗi năm. So với lượng năng lượng này, lượng năng lượng bức xạ còn lại tới bề mặt Trái đất là không đáng kể. Do đó, năng lượng bức xạ của các ngôi sao bằng một phần trăm triệu năng lượng mặt trời, bức xạ vũ trụ bằng hai phần tỷ, nhiệt lượng bên trong của Trái đất ở bề mặt của nó bằng một phần năm nghìn nhiệt lượng mặt trời.
bức xạ của mặt trời - bức xạ năng lượng mặt trời- là nguồn năng lượng chính cho hầu hết các quá trình xảy ra trong khí quyển, thủy quyển và ở các tầng trên của thạch quyển.
Đơn vị đo cường độ bức xạ mặt trời là số calo nhiệt lượng hấp thụ bởi 1 cm2 bề mặt hoàn toàn đen vuông góc với hướng tia nắng mặt trời trong 1 phút (cal/cm2*min).

Dòng năng lượng bức xạ từ Mặt trời đến bầu khí quyển của trái đất là rất liên tục. Cường độ của nó được gọi là hằng số mặt trời (Io) và được lấy trung bình là 1,88 kcal/cm2 phút.
Giá trị của hằng số mặt trời dao động tùy thuộc vào khoảng cách của Trái đất với Mặt trời và hoạt động của Mặt trời. Biến động của nó trong năm là 3,4-3,5%.
Nếu các tia mặt trời ở khắp mọi nơi chiếu thẳng đứng trên bề mặt trái đất, thì trong trường hợp không có bầu khí quyển và với hằng số mặt trời là 1,88 cal / cm2 * phút, mỗi centimet vuông của nó sẽ nhận được 1000 kcal mỗi năm. Do Trái đất hình cầu nên lượng này giảm đi 4 lần và 1 mét vuông. cm nhận được trung bình 250 kcal mỗi năm.
Lượng bức xạ mặt trời mà bề mặt nhận được phụ thuộc vào góc tới của các tia.
Lượng bức xạ tối đa được nhận bởi bề mặt vuông góc với hướng của các tia sáng mặt trời, bởi vì trong trường hợp này, tất cả năng lượng được phân phối cho khu vực có tiết diện bằng tiết diện của chùm tia - a. Với tỷ lệ xiên góc của cùng một chùm tia, năng lượng được phân phối trên một diện tích lớn (phần c) và một bề mặt đơn vị nhận được một lượng nhỏ hơn. Góc tới của các tia càng nhỏ thì cường độ bức xạ mặt trời càng giảm.
Sự phụ thuộc của cường độ bức xạ mặt trời vào góc tới của tia được biểu thị bằng công thức:

I1 = I0 * sinh,

trong đó I0 là cường độ bức xạ mặt trời với tần số tia tới tuyệt đối. Bên ngoài bầu khí quyển, hằng số mặt trời;
I1 - cường độ bức xạ mặt trời khi tia sáng mặt trời chiếu xuống một góc h.
I1 nhỏ hơn I0 bao nhiêu lần thì tiết diện a nhỏ hơn tiết diện b bao nhiêu lần.
Hình 27 cho thấy a / b \u003d sin A.
Góc tới của các tia sáng mặt trời (chiều cao của Mặt trời) chỉ bằng 90 ° ở các vĩ độ từ 23 ° 27 "N đến 23 ° 27" S. (tức là giữa các vùng nhiệt đới). Ở các vĩ độ khác, nó luôn nhỏ hơn 90° (Bảng 8). Theo sự giảm góc tới của các tia, cường độ bức xạ mặt trời đến bề mặt ở các vĩ độ khác nhau cũng sẽ giảm. Vì chiều cao của Mặt trời không cố định trong suốt cả năm và trong ngày nên lượng nhiệt Mặt trời mà bề mặt nhận được thay đổi liên tục.

Lượng bức xạ mặt trời mà bề mặt nhận được có liên quan trực tiếp đến từ thời gian tiếp xúc với ánh sáng mặt trời.

Ở đới xích đạo ngoài khí quyển, lượng nhiệt mặt trời trong năm không có sự dao động lớn, còn ở vĩ độ cao thì những dao động này rất lớn (xem bảng 9). Vào mùa đông, sự khác biệt về sự xuất hiện của nhiệt mặt trời giữa vĩ độ cao và thấp là đặc biệt đáng kể. Vào mùa hè, trong điều kiện chiếu sáng liên tục, các vùng cực nhận được lượng nhiệt mặt trời mỗi ngày lớn nhất trên Trái đất. Vào ngày hạ chí ở bắc bán cầu cao hơn 36% so với lượng nhiệt hàng ngày ở xích đạo. Nhưng do thời gian trong ngày ở xích đạo không phải là 24 giờ (như lúc này ở cực) mà là 12 giờ nên lượng bức xạ mặt trời trên một đơn vị thời gian ở xích đạo vẫn là lớn nhất. Tổng nhiệt lượng mặt trời hàng ngày cực đại vào mùa hè, quan sát được ở vĩ độ khoảng 40-50°, có liên quan đến một ngày tương đối dài (lớn hơn tại thời điểm này ở vĩ độ 10-20°) ở độ cao đáng kể của Mặt trời. Sự khác biệt về lượng nhiệt mà vùng xích đạo và vùng cực nhận được vào mùa hè nhỏ hơn so với mùa đông.
Nam bán cầu nhận nhiều nhiệt hơn vào mùa hè so với bán cầu bắc và ngược lại vào mùa đông (nó bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi khoảng cách của Trái đất với Mặt trời). Và nếu bề mặt của cả hai bán cầu hoàn toàn đồng nhất, thì biên độ dao động nhiệt độ hàng năm ở bán cầu nam sẽ lớn hơn ở bán cầu bắc.
Bức xạ mặt trời trong khí quyển trải qua những thay đổi về lượng và chất.
Ngay cả một bầu không khí lý tưởng, khô và sạch sẽ hấp thụ và tán xạ các tia, làm giảm cường độ bức xạ mặt trời. Hiệu ứng suy yếu của bầu khí quyển thực, chứa hơi nước và tạp chất rắn, đối với bức xạ mặt trời lớn hơn nhiều so với khí quyển lý tưởng. Khí quyển (oxy, ozon, cacbonic, bụi và hơi nước) hấp thụ chủ yếu tia tử ngoại và tia hồng ngoại. Năng lượng bức xạ của Mặt trời được khí quyển hấp thụ chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác: nhiệt năng, hóa năng v.v... Nói chung, sự hấp thụ làm suy yếu bức xạ Mặt trời 17-25%.
Các phân tử khí trong khí quyển tán xạ các tia có sóng tương đối ngắn - tím, xanh lam. Đây là những gì giải thích màu xanh của bầu trời. Các tạp chất phân tán đều các tia có bước sóng khác nhau. Do đó, với hàm lượng đáng kể của chúng, bầu trời có màu trắng.
Do sự tán xạ và phản xạ của các tia mặt trời bởi bầu khí quyển, ánh sáng ban ngày được quan sát thấy vào những ngày nhiều mây, có thể nhìn thấy các vật thể trong bóng râm và hiện tượng chạng vạng xảy ra.
Đường đi của chùm tia trong khí quyển càng dài thì độ dày của nó phải vượt qua càng lớn và bức xạ mặt trời càng suy giảm đáng kể. Do đó, với độ cao, ảnh hưởng của khí quyển đối với bức xạ giảm. Độ dài đường đi của ánh sáng mặt trời trong khí quyển phụ thuộc vào độ cao của Mặt trời. Nếu chúng ta lấy độ dài đường đi của chùm tia Mặt trời trong khí quyển ở độ cao của Mặt trời 90 ° (m) làm đơn vị, thì tỷ lệ giữa chiều cao của Mặt trời và độ dài đường đi của chùm tia trong khí quyển sẽ là như trong Bảng. 10.

Tổng độ suy giảm bức xạ trong khí quyển ở bất kỳ độ cao nào của Mặt trời có thể được biểu thị bằng công thức Bouguer: Im = I0 * chiều, trong đó Im là cường độ bức xạ mặt trời gần bề mặt trái đất thay đổi trong khí quyển; I0 - hằng số mặt trời; m là đường đi của chùm tia trong khí quyển; ở độ cao 90 ° so với mặt trời, nó bằng 1 (khối lượng của khí quyển), p là hệ số trong suốt (một số phân số cho biết phần nào của bức xạ tới bề mặt tại m = 1).
Ở độ cao 90° so với Mặt trời, tại m=1, cường độ bức xạ mặt trời gần bề mặt trái đất I1 nhỏ hơn Io p lần, tức là I1=Io*p.
Nếu chiều cao của Mặt trời nhỏ hơn 90°, thì m luôn lớn hơn 1. Đường đi của tia mặt trời có thể gồm nhiều đoạn, mỗi đoạn bằng 1. Cường độ bức xạ mặt trời tại ranh giới giữa các Đoạn thứ nhất (aa1) và đoạn thứ hai (a1a2) I1 hiển nhiên bằng Io *p, cường độ bức xạ sau khi đi qua đoạn thứ hai I2=I1*p=I0 p*p=I0 p2; I3=I0p3, v.v.

Độ trong của khí quyển không cố định và không giống nhau trong các điều kiện khác nhau. Tỷ lệ giữa độ trong suốt của khí quyển thực với độ trong suốt của khí quyển lý tưởng - hệ số độ đục - luôn lớn hơn một. Nó phụ thuộc vào hàm lượng hơi nước và bụi trong không khí. Với sự gia tăng vĩ độ địa lý, hệ số độ đục giảm: ở các vĩ độ từ 0 đến 20 ° N. sh. trung bình bằng 4,6 ở các vĩ độ từ 40 đến 50°N. sh. - 3,5, ở vĩ độ từ 50 đến 60°N. sh. - 2,8 và ở vĩ độ từ 60 đến 80°N. sh. - 2.0. Ở các vĩ độ ôn đới, yếu tố độ đục vào mùa đông ít hơn vào mùa hè và ít hơn vào buổi sáng so với buổi chiều. Nó giảm dần theo chiều cao. Hệ số độ đục càng lớn thì sự suy giảm bức xạ mặt trời càng lớn.
Phân biệt bức xạ mặt trời trực tiếp, khuếch tán và toàn phần.
Một phần bức xạ mặt trời xuyên qua khí quyển đến bề mặt trái đất là bức xạ trực tiếp. Một phần bức xạ tán xạ bởi khí quyển được chuyển thành bức xạ khuếch tán. Tất cả các bức xạ mặt trời đi vào bề mặt trái đất, trực tiếp và khuếch tán, được gọi là tổng bức xạ.
Tỷ lệ giữa bức xạ trực tiếp và bức xạ tán xạ thay đổi đáng kể tùy thuộc vào độ mây, độ bụi của khí quyển và cả độ cao của Mặt trời. Trong bầu trời quang đãng, tỷ lệ bức xạ tán xạ không vượt quá 0,1%; trong bầu trời nhiều mây, bức xạ khuếch tán có thể lớn hơn bức xạ trực tiếp.
Ở độ cao thấp của Mặt trời, bức xạ toàn phần bao gồm hầu như toàn bộ bức xạ tán xạ. Ở độ cao so với mặt trời là 50° và bầu trời quang đãng, tỷ lệ bức xạ tán xạ không vượt quá 10-20%.
Các bản đồ về giá trị tổng bức xạ trung bình hàng năm và hàng tháng giúp nhận thấy các mô hình chính trong phân bố địa lý của nó. Các giá trị hàng năm của tổng lượng bức xạ được phân phối chủ yếu theo khu vực. Tổng lượng bức xạ hàng năm lớn nhất trên Trái đất được nhận bởi bề mặt ở các sa mạc nội địa nhiệt đới (Đông Sahara và phần trung tâm của Ả Rập). Tổng lượng bức xạ tại xích đạo giảm đáng kể là do độ ẩm không khí cao và nhiều mây. Ở Bắc Cực, tổng lượng bức xạ là 60-70 kcal/cm2/năm; ở Nam Cực, do ngày quang đãng tái diễn thường xuyên và bầu khí quyển trong suốt hơn nên nó có phần lớn hơn.

Vào tháng 6, bán cầu bắc nhận được lượng bức xạ lớn nhất, đặc biệt là các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới nội địa. Lượng bức xạ mặt trời mà bề mặt nhận được ở các vĩ độ ôn đới và cực của bán cầu bắc khác nhau rất ít, chủ yếu là do thời lượng ban ngày dài ở các vùng cực. Phân vùng trong phân bố tổng bức xạ trên. các lục địa ở bán cầu bắc và ở các vĩ độ nhiệt đới của bán cầu nam hầu như không được thể hiện. Nó được thể hiện rõ hơn ở bán cầu bắc trên Đại dương và được thể hiện rõ ràng ở các vĩ độ ngoại nhiệt đới của bán cầu nam. Tại vòng cực nam, giá trị tổng bức xạ mặt trời tiến dần đến 0.
Vào tháng 12, lượng bức xạ lớn nhất đi vào bán cầu nam. Bề mặt băng nằm trên cao của Nam Cực, với độ trong suốt của không khí cao, nhận được tổng lượng bức xạ nhiều hơn đáng kể so với bề mặt của Bắc Cực vào tháng Sáu. Có rất nhiều nhiệt ở các sa mạc (Kalahari, Great Australia), nhưng do tính đại dương lớn hơn ở bán cầu nam (ảnh hưởng của độ ẩm không khí cao và nhiều mây), nên lượng nhiệt ở đây ít hơn một chút so với tháng 6 ở cùng vĩ độ của bán cầu bắc. Ở các vĩ độ xích đạo và nhiệt đới của bán cầu bắc, tổng lượng bức xạ thay đổi tương đối ít và sự phân vùng trong phân bố của nó chỉ được thể hiện rõ ràng ở phía bắc của vùng nhiệt đới bắc. Khi tăng vĩ độ, tổng bức xạ giảm khá nhanh; đường đẳng lập bằng 0 của nó đi qua một chút về phía bắc của Vòng Bắc Cực.
Toàn bộ bức xạ mặt trời rơi xuống bề mặt Trái đất được phản xạ một phần trở lại bầu khí quyển. Tỷ số giữa lượng bức xạ phản xạ từ một bề mặt với lượng bức xạ tới trên bề mặt đó được gọi là suất phản chiếu. Albedo đặc trưng cho hệ số phản xạ của một bề mặt.
Suất phản chiếu của bề mặt trái đất phụ thuộc vào tình trạng và tính chất của nó: màu sắc, độ ẩm, độ nhám, v.v. Tuyết mới rơi có hệ số phản xạ cao nhất (85-95%). Một mặt nước phẳng lặng chỉ phản chiếu 2-5% tia nắng mặt trời khi nó chiếu thẳng đứng và gần như tất cả các tia chiếu vào nó (90%) khi mặt trời lặn. Albedo của chernozem khô - 14%, ẩm ướt - 8, rừng - 10-20, thảm thực vật đồng cỏ - 18-30, bề mặt sa mạc cát - 29-35, bề mặt băng biển - 30-40%.
Suất phản chiếu lớn của bề mặt băng, đặc biệt là khi được bao phủ bởi tuyết mới (lên tới 95%), là nguyên nhân khiến nhiệt độ thấp ở các vùng cực vào mùa hè, khi bức xạ mặt trời đến đó rất nhiều.
Bức xạ của bề mặt trái đất và bầu khí quyển. Bất kỳ vật thể nào có nhiệt độ trên độ không tuyệt đối (lớn hơn âm 273°) đều phát ra năng lượng bức xạ. Độ phát xạ toàn phần của vật đen tỷ lệ với lũy thừa bậc bốn của nhiệt độ tuyệt đối (T):
E \u003d σ * T4 kcal / cm2 mỗi phút (định luật Stefan-Boltzmann), trong đó σ là một hệ số không đổi.
Nhiệt độ của vật thể bức xạ càng cao thì bước sóng của tia nm phát ra càng ngắn. Mặt trời nóng sáng gửi vào không gian bức xạ sóng ngắn. Bề mặt trái đất, hấp thụ bức xạ mặt trời sóng ngắn, nóng lên và cũng trở thành nguồn bức xạ (bức xạ mặt đất). Ho, vì nhiệt độ của bề mặt trái đất không vượt quá vài chục độ, nên nó bức xạ sóng dài, không nhìn thấy được.
Bức xạ của Trái đất phần lớn được giữ lại bởi bầu khí quyển (hơi nước, carbon dioxide, ozone), nhưng các tia có bước sóng 9-12 micron tự do vượt ra ngoài bầu khí quyển và do đó Trái đất mất đi một phần nhiệt.
Bầu khí quyển, hấp thụ một phần bức xạ mặt trời đi qua nó và hơn một nửa bức xạ của trái đất, tự nó bức xạ năng lượng vào không gian thế giới và bề mặt trái đất. Bức xạ khí quyển hướng tới bề mặt trái đất hướng tới bề mặt trái đất được gọi là bức xạ ngược chiều. Bức xạ này, giống như mặt đất, sóng dài, vô hình.
Hai luồng bức xạ sóng dài gặp nhau trong khí quyển - bức xạ của bề mặt Trái đất và bức xạ của khí quyển. Sự khác biệt giữa chúng, xác định sự mất nhiệt thực tế của bề mặt trái đất, được gọi là bức xạ hiệu quả Bức xạ hiệu dụng càng lớn thì nhiệt độ bề mặt bức xạ càng cao. Độ ẩm không khí làm giảm bức xạ hiệu quả, các đám mây của nó làm giảm đáng kể bức xạ đó.
Giá trị cao nhất của tổng bức xạ hiệu dụng hàng năm được quan sát thấy ở các sa mạc nhiệt đới - 80 kcal / cm2 mỗi năm - do nhiệt độ bề mặt cao, không khí khô và bầu trời quang đãng. Ở xích đạo, độ ẩm không khí cao, bức xạ hiệu dụng chỉ khoảng 30 kcal/cm2/năm, giá trị của nó đối với đất liền và đối với đại dương chênh lệch rất ít. Bức xạ hiệu dụng thấp nhất ở vùng cực. Ở các vĩ độ ôn đới, bề mặt trái đất mất khoảng một nửa lượng nhiệt mà nó nhận được do hấp thụ toàn bộ bức xạ.
Khả năng của khí quyển truyền bức xạ sóng ngắn của Mặt trời (bức xạ trực tiếp và khuếch tán) và làm trễ bức xạ sóng dài của Trái đất được gọi là hiệu ứng nhà kính (nhà kính). Do hiệu ứng nhà kính, nhiệt độ trung bình của bề mặt trái đất là +16°, khi không có khí quyển sẽ là -22° (thấp hơn 38°).
Cân bằng bức xạ (bức xạ dư). Bề mặt trái đất đồng thời nhận và phát bức xạ. Bức xạ đến là tổng bức xạ mặt trời và bức xạ ngược của khí quyển. Tiêu thụ - sự phản xạ của ánh sáng mặt trời từ bề mặt (albedo) và bức xạ riêng của bề mặt trái đất. Sự khác biệt giữa bức xạ tới và đi là cân bằng bức xạ, hoặc bức xạ dư. Giá trị của cân bằng bức xạ được xác định theo phương trình

R \u003d Q * (1-α) - Tôi,

trong đó Q là tổng bức xạ mặt trời trên một đơn vị bề mặt; α - suất phản chiếu (phân số); I - hiệu quả bức xạ.
Nếu đầu vào lớn hơn đầu ra, cân bằng bức xạ là dương; nếu đầu vào nhỏ hơn đầu ra, cân bằng là âm. Ban đêm ở mọi vĩ độ cân bằng bức xạ đều âm, ban ngày đến trưa mọi nơi đều dương, trừ những vĩ độ cao về mùa đông; vào buổi chiều - một lần nữa tiêu cực. Trung bình mỗi ngày, cân bằng bức xạ có thể ở cả hai chiều dương và âm (Bảng 11).


Trên bản đồ tổng lượng bức xạ hàng năm của bề mặt trái đất, người ta có thể thấy sự thay đổi rõ rệt về vị trí của các chất cô lập khi chúng di chuyển từ đất liền ra đại dương. Theo quy luật, cân bằng bức xạ của bề mặt Đại dương vượt quá cân bằng bức xạ của đất liền (hiệu ứng suất phản chiếu và bức xạ hiệu dụng). Sự phân bố của cân bằng bức xạ nói chung là theo vùng. Trên Đại dương ở các vĩ độ nhiệt đới, giá trị cán cân bức xạ hàng năm đạt 140 kcal/cm2 (biển Ả Rập) và không vượt quá 30 kcal/cm2 tại ranh giới băng nổi. Những sai lệch so với sự phân bố vùng của cân bằng bức xạ trong Đại dương là không đáng kể và được gây ra bởi sự phân bố của các đám mây.
Trên đất liền ở vĩ độ xích đạo và nhiệt đới, giá trị cân bằng bức xạ hàng năm thay đổi từ 60 đến 90 kcal/cm2, tùy thuộc vào điều kiện độ ẩm. Tổng số cân bằng bức xạ hàng năm lớn nhất được ghi nhận ở những khu vực có suất phản chiếu và bức xạ hiệu quả tương đối nhỏ (rừng nhiệt đới ẩm, thảo nguyên). Giá trị thấp nhất của chúng là ở những khu vực rất ẩm (nhiều mây) và rất khô (bức xạ hiệu dụng lớn). Ở vùng ôn đới và vĩ độ cao, giá trị cân bằng bức xạ hàng năm giảm khi vĩ độ tăng (tác động của việc giảm tổng lượng bức xạ).
Tổng số cân bằng bức xạ hàng năm trên các vùng trung tâm của Nam Cực là âm (vài calo trên 1 cm2). Ở Bắc Cực, những giá trị này gần bằng không.
Vào tháng 7, cân bằng bức xạ của bề mặt trái đất ở một phần đáng kể của bán cầu nam là âm. Đường cân bằng 0 chạy trong khoảng từ 40 đến 50°S. sh. Giá trị cao nhất của cân bằng bức xạ đạt được trên bề mặt Đại dương ở các vĩ độ nhiệt đới của bán cầu bắc và trên bề mặt một số biển nội địa như Biển Đen (14-16 kcal/cm2 tháng).
Vào tháng 1, đường cân bằng không nằm trong khoảng từ 40 đến 50°N. sh. (trên các đại dương, nó hơi nhô lên về phía bắc, trên các lục địa, nó đi xuống phía nam). Một phần đáng kể của bán cầu bắc có cân bằng bức xạ âm. Các giá trị lớn nhất của cân bằng bức xạ được giới hạn ở các vĩ độ nhiệt đới của bán cầu nam.
Trung bình trong năm, cân bằng bức xạ của bề mặt trái đất dương. Trong trường hợp này, nhiệt độ bề mặt không tăng mà gần như không đổi, điều này chỉ có thể được giải thích bằng sự tiêu thụ nhiệt dư thừa liên tục.
Cân bằng bức xạ của khí quyển bao gồm một mặt là bức xạ mặt trời và mặt đất được nó hấp thụ, mặt khác là bức xạ khí quyển. Nó luôn luôn âm, vì bầu khí quyển chỉ hấp thụ một phần nhỏ bức xạ mặt trời và bức xạ gần như bằng bề mặt.
Cân bằng bức xạ của bề mặt và bầu khí quyển nói chung đối với toàn bộ Trái đất trong một năm trung bình bằng 0, nhưng ở các vĩ độ, nó có thể là cả dương và âm.
Hệ quả của sự phân bố cân bằng bức xạ như vậy là sự truyền nhiệt theo hướng từ xích đạo đến các cực.
Cân bằng nhiệt. Cân bằng bức xạ là thành phần quan trọng nhất của cân bằng nhiệt. Phương trình cân bằng nhiệt bề mặt cho thấy năng lượng bức xạ mặt trời tới được chuyển đổi như thế nào trên bề mặt trái đất:

trong đó R là cân bằng bức xạ; LE - nhiệt tiêu hao cho quá trình bay hơi (L - ẩn nhiệt hóa hơi, E - bay hơi);
P - trao đổi nhiệt hỗn loạn giữa bề mặt và khí quyển;
A - trao đổi nhiệt giữa bề mặt và các lớp đất hoặc nước bên dưới.
Cân bằng bức xạ của một bề mặt được coi là dương nếu bức xạ được hấp thụ bởi bề mặt vượt quá sự mất nhiệt và âm nếu nó không bổ sung cho chúng. Tất cả các điều khoản khác của cân bằng nhiệt được coi là tích cực nếu chúng gây ra sự mất nhiệt trên bề mặt (nếu chúng tương ứng với mức tiêu thụ nhiệt). Bởi vì. tất cả các điều khoản của phương trình có thể thay đổi, cân bằng nhiệt liên tục bị xáo trộn và phục hồi trở lại.
Phương trình cân bằng nhiệt của bề mặt được xem xét ở trên là gần đúng, vì nó không tính đến một số yếu tố phụ, nhưng trong các điều kiện cụ thể, các yếu tố trở nên quan trọng, ví dụ, giải phóng nhiệt trong quá trình đóng băng, tiêu thụ nhiệt để tan băng, v.v. .
Cân bằng nhiệt của khí quyển bao gồm sự cân bằng bức xạ của khí quyển Ra, nhiệt đến từ bề mặt, Pa, nhiệt giải phóng trong khí quyển trong quá trình ngưng tụ, LE, và sự truyền nhiệt ngang (đối lưu) Aa. Cân bằng bức xạ của khí quyển luôn âm. Dòng nhiệt do ngưng tụ hơi ẩm và cường độ truyền nhiệt hỗn loạn là dương. Tính trung bình mỗi năm, sự đối lưu nhiệt dẫn đến sự truyền nhiệt từ vĩ độ thấp đến vĩ độ cao: do đó, nó có nghĩa là tiêu thụ nhiệt ở vĩ độ thấp và đến ở vĩ độ cao. Trong một dẫn xuất nhiều năm, sự cân bằng nhiệt của bầu khí quyển có thể được biểu thị bằng phương trình Ra=Pa+LE.
Cân bằng nhiệt của bề mặt và khí quyển nói chung bằng 0 trên trung bình dài hạn (Hình 35).

Lượng bức xạ mặt trời đi vào khí quyển mỗi năm (250 kcal/cm2) được lấy bằng 100%. Bức xạ mặt trời thâm nhập vào khí quyển được phản xạ một phần từ các đám mây và quay ngược ra ngoài bầu khí quyển - 38%, được khí quyển hấp thụ một phần - 14% và một phần dưới dạng bức xạ mặt trời trực tiếp đến bề mặt trái đất - 48%. Trong số 48% tiếp cận bề mặt, 44% được hấp thụ bởi nó và 4% bị phản xạ. Do đó, suất phản chiếu của Trái đất là 42% (38+4).
Bức xạ mà bề mặt trái đất hấp thụ được sử dụng như sau: 20% bị mất do bức xạ hiệu quả, 18% được sử dụng cho sự bốc hơi khỏi bề mặt, 6% được sử dụng để làm nóng không khí trong quá trình truyền nhiệt hỗn loạn (tổng cộng 24%). Sự mất nhiệt của bề mặt cân bằng sự xuất hiện của nó. Nhiệt lượng mà khí quyển nhận được (14% trực tiếp từ Mặt trời, 24% từ bề mặt trái đất), cùng với bức xạ hiệu quả của Trái đất, được hướng vào không gian thế giới. Suất phản chiếu của Trái đất (42%) và bức xạ (58%) cân bằng dòng bức xạ mặt trời tới bầu khí quyển.

bức xạ sóng ngắn từ mặt trời

Tia cực tím và tia X chủ yếu đến từ các lớp trên của sắc quyển và nhật hoa. Điều này được thiết lập bằng cách phóng tên lửa với các dụng cụ trong nhật thực. Bầu khí quyển rất nóng của Mặt Trời luôn phát ra bức xạ sóng ngắn không nhìn thấy được, nhưng nó đặc biệt mạnh trong những năm Mặt Trời hoạt động mạnh nhất. Tại thời điểm này, bức xạ tia cực tím tăng khoảng hai lần và bức xạ tia X gấp hàng chục và hàng trăm lần so với bức xạ trong những năm tối thiểu. Cường độ bức xạ sóng ngắn thay đổi theo từng ngày, tăng mạnh khi xảy ra hiện tượng bùng phát.

Bức xạ tia cực tím và tia X làm ion hóa một phần các lớp khí quyển của trái đất, tạo thành tầng điện ly ở độ cao 200-500 km so với bề mặt Trái đất. Tầng điện ly đóng một vai trò quan trọng trong việc thực hiện thông tin vô tuyến tầm xa: sóng vô tuyến phát ra từ một máy phát vô tuyến, trước khi đến ăng ten máy thu, được phản xạ nhiều lần từ tầng điện ly và bề mặt Trái đất. Trạng thái của tầng điện ly thay đổi tùy thuộc vào điều kiện chiếu sáng của Mặt trời và các hiện tượng xảy ra trên đó. Do đó, để đảm bảo liên lạc vô tuyến ổn định, cần tính đến thời gian trong ngày, mùa và trạng thái hoạt động của mặt trời. Sau những đợt bùng phát năng lượng mặt trời mạnh nhất, số lượng nguyên tử bị ion hóa trong tầng điện ly tăng lên và sóng vô tuyến bị nó hấp thụ một phần hoặc hoàn toàn. Điều này dẫn đến tình trạng xuống cấp và thậm chí là ngừng tạm thời liên lạc vô tuyến.

Các nhà khoa học đặc biệt chú trọng đến việc nghiên cứu tầng ozon trong khí quyển trái đất. Ozone được hình thành do kết quả của các phản ứng quang hóa (sự hấp thụ ánh sáng của các phân tử oxy) trong tầng bình lưu và phần lớn của nó tập trung ở đó. Tổng cộng, có khoảng 3 10 9 tấn ôzôn trong bầu khí quyển của trái đất. Con số này rất nhỏ: độ dày của tầng ôzôn tinh khiết gần bề mặt Trái đất sẽ không vượt quá 3 mm! Nhưng vai trò của tầng ôzôn, trải dài ở độ cao vài chục km so với bề mặt Trái đất, là đặc biệt to lớn, vì nó bảo vệ mọi sinh vật khỏi tác động của bức xạ sóng ngắn (và trên hết là tia cực tím) nguy hiểm từ mặt trời. Hàm lượng ôzôn không cố định ở các vĩ độ khác nhau và vào các thời điểm khác nhau trong năm. Nó có thể giảm (đôi khi rất đáng kể) do các quá trình khác nhau. Điều này có thể được tạo điều kiện thuận lợi, ví dụ, bằng cách phát thải một lượng lớn các chất có chứa clo làm suy giảm tầng ôzôn từ nguồn gốc công nghiệp hoặc khí thải sol khí vào bầu khí quyển, cũng như khí thải đi kèm với các vụ phun trào núi lửa. Các khu vực có mức độ ôzôn giảm mạnh (“lỗ thủng ôzôn”) đã được tìm thấy ở các khu vực khác nhau trên hành tinh của chúng ta, không chỉ ở Nam Cực và một số vùng lãnh thổ khác ở Nam bán cầu của Trái đất, mà còn ở Bắc bán cầu. Năm 1992, các báo cáo đáng báo động bắt đầu xuất hiện về sự suy giảm tạm thời của tầng ôzôn ở phía bắc châu Âu của Nga và sự suy giảm ôzôn ở Mátxcơva và St. Các nhà khoa học, nhận ra bản chất toàn cầu của vấn đề, tổ chức nghiên cứu môi trường trên quy mô toàn cầu, bao gồm chủ yếu là một hệ thống giám sát liên tục toàn cầu về trạng thái của tầng ozone. Các hiệp định quốc tế đã được xây dựng và ký kết nhằm bảo vệ tầng ôzôn và hạn chế sản sinh các chất làm suy giảm tầng ôzôn.

phát xạ mặt trời

Một nghiên cứu có hệ thống về phát xạ vô tuyến của Mặt trời chỉ bắt đầu sau Chiến tranh thế giới thứ hai, khi người ta phát hiện ra rằng Mặt trời là nguồn phát xạ vô tuyến mạnh mẽ. Sóng vô tuyến thâm nhập vào không gian liên hành tinh, được phát ra bởi sắc quyển (sóng centimet) và corona (sóng decimeter và mét). Phát xạ vô tuyến này đến Trái đất. Sự phát xạ vô tuyến của Mặt trời có hai thành phần - một cường độ không đổi, hầu như không thay đổi và một biến (bùng nổ, "bão tiếng ồn").

Sự phát xạ vô tuyến của Mặt trời yên tĩnh được giải thích là do plasma nóng của Mặt trời luôn phát ra sóng vô tuyến cùng với dao động điện từ của các bước sóng khác (phát xạ vô tuyến nhiệt). Trong các đợt bùng phát lớn, bức xạ vô tuyến từ Mặt trời tăng lên hàng nghìn, thậm chí hàng triệu lần so với bức xạ vô tuyến từ Mặt trời yên tĩnh. Phát xạ vô tuyến này, được tạo ra bởi các quá trình nhanh không cố định, có bản chất phi nhiệt.

Bức xạ hạt của Mặt Trời

Một số hiện tượng địa vật lý (bão từ, tức là những thay đổi ngắn hạn trong từ trường của Trái đất, cực quang, v.v.) cũng liên quan đến hoạt động của mặt trời. Nhưng những hiện tượng này xảy ra một ngày sau các vụ nổ mặt trời. Chúng được gây ra không phải do bức xạ điện từ đến Trái đất trong 8,3 phút, mà bởi các hạt (proton và electron tạo thành plasma hiếm), xâm nhập vào không gian gần Trái đất với độ trễ (khoảng 1-2 ngày), vì chúng di chuyển với tốc độ của 400 - 1000 km / c.

Các tiểu thể được Mặt trời phát ra ngay cả khi không có tia sáng và đốm trên đó. Nhật hoa mặt trời là nguồn gốc của dòng plasma (gió mặt trời) liên tục chảy ra theo mọi hướng. Gió Mặt Trời, được tạo ra bởi corona liên tục mở rộng, bao bọc các hành tinh di chuyển gần Mặt Trời và . Pháo sáng đi kèm với "cơn gió" của gió mặt trời. Các thí nghiệm tại các trạm liên hành tinh và vệ tinh Trái đất nhân tạo giúp phát hiện trực tiếp gió mặt trời trong không gian liên hành tinh. Trong thời gian bùng phát và trong một luồng gió mặt trời yên tĩnh, không chỉ các tiểu thể mà cả từ trường liên quan đến plasma đang chuyển động xâm nhập vào không gian liên hành tinh.

Bức xạ năng lượng mặt trời (bức xạ mặt trời) là toàn bộ vật chất và năng lượng mặt trời đến Trái đất. Bức xạ mặt trời bao gồm hai phần chính sau: thứ nhất, bức xạ nhiệt và ánh sáng, là sự kết hợp của sóng điện từ; thứ hai, bức xạ hạt.

Trên Mặt Trời, nhiệt năng của các phản ứng hạt nhân được biến đổi thành năng lượng bức xạ. Khi các tia nắng mặt trời chiếu xuống bề mặt trái đất, năng lượng bức xạ lại được chuyển thành năng lượng nhiệt. Do đó, bức xạ mặt trời mang theo ánh sáng và nhiệt.

Cường độ bức xạ mặt trời. hằng số mặt trời. Bức xạ mặt trời là nguồn nhiệt quan trọng nhất của lớp vỏ địa lý. Nguồn nhiệt thứ hai của lớp vỏ địa lý là nhiệt đến từ các khối cầu và lớp bên trong của hành tinh chúng ta.

Do thực tế là trong phong bì địa lý có một loại năng lượng ( năng lượng bức xạ ) tương đương với một dạng khác ( năng lượng nhiệt ), thì năng lượng bức xạ của bức xạ mặt trời có thể được biểu thị bằng đơn vị năng lượng nhiệt - joule (J).

Cường độ bức xạ mặt trời phải được đo chủ yếu bên ngoài khí quyển, vì khi đi qua khối cầu không khí, nó bị biến đổi và yếu đi. Cường độ bức xạ mặt trời được biểu thị bằng hằng số mặt trời.

hằng số mặt trời - đây là dòng năng lượng mặt trời trong 1 phút đến một khu vực có tiết diện 1 cm 2, vuông góc với các tia sáng mặt trời và nằm ngoài bầu khí quyển. Hằng số mặt trời cũng có thể được định nghĩa là lượng nhiệt nhận được trong 1 phút ở ranh giới trên của khí quyển bởi 1 cm 2 bề mặt đen vuông góc với các tia nắng mặt trời.

Hằng số năng lượng mặt trời là 1,98 cal / (cm 2 x phút), hoặc 1,352 kW / m 2 x phút.

Do tầng khí quyển phía trên hấp thụ một phần bức xạ đáng kể, điều quan trọng là phải biết giá trị của nó ở ranh giới phía trên của phong bì địa lý, tức là ở tầng bình lưu phía dưới. Bức xạ mặt trời ở ranh giới trên của vỏ địa lý được biểu thị hằng số mặt trời có điều kiện . Giá trị của hằng số năng lượng mặt trời có điều kiện là 1,90 - 1,92 cal / (cm 2 x phút), hoặc 1,32 - 1,34 kW / (m 2 x phút).

Hằng số mặt trời, trái với tên gọi của nó, không phải là hằng số. Nó thay đổi do sự thay đổi khoảng cách từ Mặt trời đến Trái đất khi Trái đất chuyển động trên quỹ đạo của nó. Những biến động này dù nhỏ đến đâu cũng luôn ảnh hưởng đến thời tiết, khí hậu.

Trung bình mỗi km2 tầng đối lưu mỗi năm nhận được 10,8 x 10 15 J (2,6 x 10 15 cal). Lượng nhiệt này có thể thu được khi đốt cháy 400.000 tấn than đá. Toàn bộ Trái đất trong một năm nhận được một lượng nhiệt như vậy, được xác định bằng giá trị 5,74 x 10 24 J. (1,37 x 10 24 cal).

Sự phân bố bức xạ mặt trời "ở ranh giới trên của bầu khí quyển" hoặc với bầu khí quyển trong suốt tuyệt đối. Kiến thức về sự phân bố của bức xạ mặt trời trước khi nó đi vào bầu khí quyển, hay còn gọi là khí hậu mặt trời (mặt trời) , rất quan trọng để xác định vai trò và tỷ lệ tham gia của lớp vỏ không khí (khí quyển) của Trái đất trong việc phân phối nhiệt trên bề mặt trái đất và hình thành chế độ nhiệt của nó.

Lượng nhiệt và ánh sáng mặt trời đi vào trên một đơn vị diện tích trước hết được xác định bởi góc tới của các tia, phụ thuộc vào độ cao của Mặt trời so với đường chân trời, và thứ hai, bởi độ dài của ngày.

Sự phân bố bức xạ gần ranh giới trên của lớp vỏ địa lý, chỉ được xác định bởi các yếu tố thiên văn, đồng đều hơn so với sự phân bố thực tế của nó gần bề mặt trái đất.

Khi không có bầu khí quyển, tổng bức xạ hàng năm ở các vĩ độ xích đạo sẽ là 13.480 MJ/cm 2 (322 kcal/cm 2) và ở các cực là 5.560 MJ/m 2 (133 kcal/cm 2). Ở các vĩ độ cực, Mặt trời gửi nhiệt ít hơn một nửa (khoảng 42%) lượng đi vào xích đạo.

Có vẻ như bức xạ mặt trời của Trái đất đối xứng với mặt phẳng của đường xích đạo. Nhưng điều này chỉ xảy ra hai lần một năm, vào những ngày xuân phân và thu phân. Độ nghiêng của trục quay và chuyển động hàng năm của Trái đất xác định bức xạ không đối xứng của nó bởi Mặt trời. Vào tháng Giêng của năm, Nam bán cầu nhận được nhiều nhiệt hơn, vào tháng Bảy - bán cầu Bắc. Đây là lý do chính cho nhịp điệu theo mùa trong phong bì địa lý.

Sự khác biệt giữa xích đạo và cực của bán cầu mùa hè là nhỏ: 6.740 MJ/m 2 (161 kcal/cm 2) đến xích đạo và khoảng 5.560 MJ/m 2 (133 kcal/cm 2 mỗi nửa năm) đến ở cực. Nhưng các quốc gia cực của bán cầu mùa đông đồng thời hoàn toàn không có nhiệt và ánh sáng mặt trời.

Vào ngày hạ chí, cực nhận nhiệt thậm chí còn nhiều hơn xích đạo - 46,0 MJ/m 2 (1,1 kcal/cm 2) và 33,9 MJ/m 2 (0,81 kcal/cm 2).

Nhìn chung, khí hậu mặt trời hàng năm ở hai cực lạnh hơn 2,4 lần so với ở xích đạo. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng vào mùa đông, các cực hoàn toàn không được Mặt trời sưởi ấm.

Khí hậu thực sự của tất cả các vĩ độ phần lớn là do các yếu tố trên mặt đất. Điều quan trọng nhất trong số các yếu tố này là: thứ nhất là sự suy yếu của bức xạ trong khí quyển và thứ hai là cường độ hấp thụ bức xạ mặt trời khác nhau của bề mặt trái đất trong các điều kiện địa lý khác nhau.

Sự thay đổi bức xạ mặt trời khi nó đi qua bầu khí quyển. Ánh sáng mặt trời trực tiếp xuyên qua bầu khí quyển khi bầu trời không có mây được gọi là bức xạ mặt trời trực tiếp . Giá trị tối đa của nó với độ trong suốt cao của bầu khí quyển trên bề mặt vuông góc với các tia ở vùng nhiệt đới là khoảng 1,05 - 1,19 kW / m 2 (1,5 - 1,7 cal / cm 2 x phút. Ở các vĩ độ trung bình, điện áp của bức xạ giữa trưa thường là khoảng 0,70 - 0,98 kW / m 2 x min (1,0 - 1,4 cal / cm 2 x min) Ở vùng núi, giá trị này tăng lên đáng kể.

Một phần tia nắng mặt trời khi tiếp xúc với các phân tử khí và sol khí bị tán xạ và chuyển thành bức xạ tán xạ . Trên bề mặt trái đất, bức xạ tán xạ không còn đến từ đĩa mặt trời nữa mà đến từ toàn bộ bầu trời và tạo ra ánh sáng ban ngày trên diện rộng. Từ đó vào những ngày nắng, trời sáng ngay cả khi các tia trực tiếp không xuyên qua, chẳng hạn như dưới tán rừng. Ngoài bức xạ trực tiếp, bức xạ khuếch tán còn đóng vai trò là nguồn nhiệt và ánh sáng.

Giá trị tuyệt đối của bức xạ tán xạ càng lớn thì cường độ dòng trực tiếp càng lớn. Giá trị tương đối của bức xạ tán xạ tăng lên khi vai trò của đường trực tiếp giảm: ở các vĩ độ trung bình vào mùa hè là 41% và vào mùa đông là 73% tổng lượng bức xạ đến. Tỷ lệ bức xạ tán xạ trong tổng lượng bức xạ toàn phần cũng phụ thuộc vào độ cao của Mặt trời. Ở các vĩ độ cao, bức xạ tán xạ chiếm khoảng 30% và ở các vĩ độ cực chiếm khoảng 70% tổng lượng bức xạ.

Nhìn chung, bức xạ khuếch tán chiếm khoảng 25% tổng lượng bức xạ mặt trời đến hành tinh của chúng ta.

Do đó, bức xạ trực tiếp và khuếch tán đi vào bề mặt trái đất. Cùng với nhau, dạng bức xạ trực tiếp và khuếch tán tổng bức xạ , định nghĩa chế độ nhiệt của tầng đối lưu .

Bằng cách hấp thụ và tán xạ bức xạ, bầu khí quyển làm suy yếu đáng kể nó. lượng suy giảm phụ thuộc hệ số minh bạch, cho biết lượng bức xạ tới bề mặt trái đất. Nếu tầng đối lưu chỉ bao gồm các chất khí, thì hệ số trong suốt sẽ bằng 0,9, tức là nó sẽ truyền khoảng 90% bức xạ tới Trái đất. Tuy nhiên, trong không khí luôn có sol khí, làm giảm hệ số trong suốt xuống 0,7 - 0,8. Độ trong suốt của khí quyển thay đổi khi thời tiết thay đổi.

Do mật độ không khí giảm dần theo độ cao nên lớp khí bị các tia xuyên qua không được biểu thị bằng km độ dày của khí quyển. Đơn vị đo lường là khối lượng quang học, bằng bề dày của lớp không khí với tia tới thẳng đứng.

Sự yếu đi của bức xạ trong tầng đối lưu rất dễ quan sát vào ban ngày. Khi Mặt trời ở gần đường chân trời, các tia sáng của nó xuyên qua một số khối lượng quang học. Đồng thời, cường độ của chúng yếu đi đến mức người ta có thể nhìn Mặt trời bằng mắt không được bảo vệ. Khi Mặt trời mọc, số lượng khối lượng quang học mà các tia của nó đi qua giảm đi, dẫn đến sự gia tăng bức xạ.

Mức độ suy giảm bức xạ mặt trời trong khí quyển được biểu thị bằng công thức Lambert :

I i = I 0 p m , trong đó

I i - bức xạ tới bề mặt trái đất,

Tôi 0 - hằng số mặt trời,

p là hệ số minh bạch,

m là số khối lượng quang học.

Bức xạ mặt trời gần bề mặt trái đất. Lượng năng lượng bức xạ trên một đơn vị bề mặt trái đất phụ thuộc chủ yếu vào góc tới của các tia mặt trời. Các khu vực bằng nhau ở vĩ độ xích đạo, trung bình và vĩ độ cao có lượng bức xạ khác nhau.

Cách nhiệt mặt trời (chiếu sáng) bị suy yếu rất nhiều vẩn đục. Độ nhiều mây ở các vĩ độ xích đạo và ôn đới và độ nhiều mây thấp ở các vĩ độ nhiệt đới tạo ra những điều chỉnh đáng kể đối với sự phân bố năng lượng bức xạ của Mặt trời theo vùng.

Sự phân bố nhiệt mặt trời trên bề mặt trái đất được mô tả trên các bản đồ tổng bức xạ mặt trời. Như các bản đồ này cho thấy, các vĩ độ nhiệt đới nhận được lượng nhiệt mặt trời lớn nhất - từ 7.530 đến 9.200 MJ / m 2 (180-220 kcal / cm 2). Các vĩ độ xích đạo, do nhiều mây nên nhận ít nhiệt hơn: 4185 - 5860 MJ / m 2 (100 - 140 kcal / cm 2).

Từ vĩ độ nhiệt đới đến ôn đới bức xạ giảm dần. Trên các đảo ở Bắc Cực, nó không quá 2.510 MJ/m 2 (60 kcal/cm 2) mỗi năm. Sự phân bố bức xạ trên bề mặt trái đất có tính chất khu vực. Mỗi khu vực được chia thành các khu vực (khu vực) riêng biệt, hơi khác nhau.

Biến động theo mùa trong bức xạ toàn phần.

Ở các vĩ độ xích đạo và nhiệt đới, độ cao của Mặt trời và góc tới của các tia sáng Mặt trời thay đổi một chút qua các tháng. Tổng bức xạ trong các tháng có giá trị lớn, sự thay đổi điều kiện nhiệt theo mùa hoặc không có hoặc rất không đáng kể. Trong vành đai xích đạo, hai cực đại được vạch ra mờ nhạt, tương ứng với vị trí thiên đỉnh của Mặt trời.

Ở vùng ôn đới trong quá trình bức xạ hàng năm, cực đại mùa hè được thể hiện rõ nét, trong đó giá trị hàng tháng của tổng lượng bức xạ không nhỏ hơn giá trị nhiệt đới. Số tháng ấm áp giảm dần theo vĩ độ.

Ở các vùng cực chế độ bức xạ thay đổi đáng kể. Ở đây, tùy thuộc vào vĩ độ, từ vài ngày đến vài tháng, không chỉ hệ thống sưởi mà hệ thống chiếu sáng cũng dừng lại. Vào mùa hè, sự chiếu sáng ở đây diễn ra liên tục, làm tăng đáng kể lượng bức xạ hàng tháng.

Sự đồng hóa bức xạ của bề mặt trái đất. Albedo. Toàn bộ bức xạ đến bề mặt trái đất được hấp thụ một phần bởi đất và các vùng nước và biến thành nhiệt. Trên các đại dương và biển, tổng lượng bức xạ được dành cho sự bay hơi. Một phần của tổng bức xạ được phản xạ vào khí quyển ( bức xạ phản xạ).

Ánh sáng rực rỡ đốt cháy chúng ta bằng những tia nắng nóng và khiến chúng ta suy nghĩ về tầm quan trọng của bức xạ trong cuộc sống, những lợi ích và tác hại của nó. Bức xạ mặt trời là gì? Bài học vật lý học đường mời chúng ta làm quen với khái niệm bức xạ điện từ nói chung. Thuật ngữ này đề cập đến một dạng vật chất khác - khác với chất. Điều này bao gồm cả ánh sáng nhìn thấy được và quang phổ mà mắt không cảm nhận được. Đó là tia X, tia gamma, tia cực tím và tia hồng ngoại.

Sóng điện từ

Với sự có mặt của nguồn phát bức xạ, sóng điện từ của nó lan truyền theo mọi hướng với tốc độ ánh sáng. Những sóng này, giống như bất kỳ sóng nào khác, có những đặc điểm nhất định. Chúng bao gồm tần số dao động và bước sóng. Bất kỳ cơ thể nào có nhiệt độ khác với độ không tuyệt đối đều có khả năng phát ra bức xạ.

Mặt trời là nguồn bức xạ chính và mạnh nhất gần hành tinh của chúng ta. Đổi lại, Trái đất (bầu khí quyển và bề mặt của nó) tự phát ra bức xạ, nhưng ở một phạm vi khác. Việc quan sát các điều kiện nhiệt độ trên hành tinh trong thời gian dài đã đưa ra giả thuyết về sự cân bằng giữa lượng nhiệt nhận được từ Mặt trời và tỏa ra ngoài vũ trụ.

Bức xạ mặt trời: thành phần quang phổ

Phần lớn (khoảng 99%) năng lượng mặt trời trong quang phổ nằm trong dải bước sóng từ 0,1 đến 4 micron. 1% còn lại là các tia dài hơn và ngắn hơn, bao gồm cả sóng vô tuyến và tia X. Khoảng một nửa năng lượng bức xạ của mặt trời rơi vào quang phổ mà chúng ta cảm nhận được bằng mắt, khoảng 44% - trong bức xạ hồng ngoại, 9% - trong tia cực tím. Làm thế nào để chúng ta biết bức xạ mặt trời được phân chia như thế nào? Việc tính toán phân bố của nó có thể thực hiện được nhờ nghiên cứu từ các vệ tinh không gian.

Có những chất có thể chuyển sang trạng thái đặc biệt và phát ra bức xạ bổ sung của một dải sóng khác. Ví dụ, có sự phát sáng ở nhiệt độ thấp không phải là đặc trưng của sự phát ra ánh sáng của một chất nhất định. Loại bức xạ này, được gọi là phát quang, không phù hợp với các nguyên tắc bức xạ nhiệt thông thường.

Hiện tượng phát quang xảy ra sau khi chất hấp thụ một lượng năng lượng nhất định và chuyển sang trạng thái khác (cái gọi là trạng thái kích thích), có năng lượng cao hơn ở nhiệt độ của chính chất đó. Sự phát quang xuất hiện trong quá trình chuyển đổi ngược lại - từ trạng thái kích thích sang trạng thái quen thuộc. Trong tự nhiên, chúng ta có thể quan sát nó dưới dạng ánh sáng bầu trời đêm và cực quang.

ánh sáng của chúng tôi

Năng lượng của các tia mặt trời gần như là nguồn nhiệt duy nhất cho hành tinh của chúng ta. Bức xạ của chính nó, phát ra từ độ sâu của nó lên bề mặt, có cường độ nhỏ hơn khoảng 5 nghìn lần. Đồng thời, ánh sáng khả kiến ​​- một trong những yếu tố quan trọng nhất của sự sống trên hành tinh - chỉ là một phần của bức xạ mặt trời.

Năng lượng của các tia nắng mặt trời được chuyển thành nhiệt bởi một phần nhỏ hơn - trong bầu khí quyển, phần lớn hơn - trên bề mặt Trái đất. Ở đó, nó được sử dụng để làm nóng nước và đất (các lớp trên), sau đó tỏa nhiệt vào không khí. Khi bị đốt nóng, bầu khí quyển và bề mặt trái đất lần lượt phát ra các tia hồng ngoại vào không gian, đồng thời làm mát.

Bức xạ mặt trời: định nghĩa

Bức xạ đến bề mặt hành tinh của chúng ta trực tiếp từ đĩa mặt trời thường được gọi là bức xạ mặt trời trực tiếp. Mặt trời trải nó ra mọi hướng. Có tính đến khoảng cách rất lớn từ Trái đất đến Mặt trời, bức xạ mặt trời trực tiếp tại bất kỳ điểm nào trên bề mặt trái đất có thể được biểu diễn dưới dạng chùm tia song song, nguồn của nó thực tế là vô cực. Khu vực nằm vuông góc với các tia sáng mặt trời do đó nhận được lượng lớn nhất của nó.

Mật độ thông lượng bức xạ (hoặc độ rọi) là thước đo lượng bức xạ tới trên một bề mặt cụ thể. Đây là lượng năng lượng bức xạ rơi xuống trong một đơn vị thời gian trên một đơn vị diện tích. Giá trị này được đo - năng lượng chiếu sáng - tính bằng W / m 2. Trái đất của chúng ta, như mọi người đều biết, quay quanh Mặt trời theo quỹ đạo hình elip. Mặt trời là một trong những tiêu điểm của hình elip này. Do đó, hàng năm vào một thời điểm nhất định (vào đầu tháng 1), Trái đất chiếm vị trí gần Mặt trời nhất và vào một thời điểm khác (vào đầu tháng 7) - ở vị trí xa nhất. Trong trường hợp này, cường độ của năng lượng chiếu sáng thay đổi theo tỷ lệ nghịch đối với bình phương khoảng cách đến điểm sáng.

Bức xạ mặt trời đến Trái đất sẽ đi đâu? Các loại của nó được xác định bởi nhiều yếu tố. Tùy thuộc vào vĩ độ địa lý, độ ẩm, độ mây, một phần bị tiêu tán trong khí quyển, một phần bị hấp thụ, nhưng phần lớn vẫn đến được bề mặt hành tinh. Trong trường hợp này, một lượng nhỏ được phản xạ và phần chính được bề mặt trái đất hấp thụ, dưới tác động của nó được làm nóng. Bức xạ mặt trời tán xạ cũng rơi một phần xuống bề mặt trái đất, được nó hấp thụ một phần và phản xạ một phần. Phần còn lại của nó đi vào không gian bên ngoài.

phân phối như thế nào

Bức xạ mặt trời có đồng nhất không? Các loại của nó sau tất cả những "tổn thất" trong khí quyển có thể khác nhau về thành phần quang phổ của chúng. Rốt cuộc, các tia có độ dài khác nhau bị tán xạ và hấp thụ khác nhau. Trung bình, khoảng 23% lượng ban đầu của nó được khí quyển hấp thụ. Khoảng 26% tổng thông lượng được chuyển thành bức xạ khuếch tán, 2/3 trong số đó sau đó rơi xuống Trái đất. Về bản chất, đây là một loại bức xạ khác, khác với bản gốc. Bức xạ tán xạ được gửi đến Trái đất không phải bằng đĩa Mặt trời, mà bằng vòm trời. Nó có một thành phần quang phổ khác nhau.

Hấp thụ bức xạ chủ yếu là ozon - quang phổ khả kiến, và tia cực tím. Nhân tiện, bức xạ hồng ngoại được hấp thụ bởi carbon dioxide (carbon dioxide), nhân tiện, rất nhỏ trong khí quyển.

Sự tán xạ của bức xạ, làm suy yếu nó, xảy ra đối với bất kỳ bước sóng nào của quang phổ. Trong quá trình này, các hạt của nó, rơi vào ảnh hưởng điện từ, phân phối lại năng lượng của sóng tới theo mọi hướng. Nghĩa là, các hạt đóng vai trò là nguồn năng lượng điểm.

ban ngày

Do hiện tượng tán xạ, ánh sáng từ mặt trời đổi màu khi đi qua các lớp khí quyển. Giá trị thực tế của tán xạ là tạo ra ánh sáng ban ngày. Nếu Trái đất không có bầu khí quyển, ánh sáng sẽ chỉ tồn tại ở những nơi mà các tia mặt trời chiếu trực tiếp hoặc phản xạ xuống bề mặt. Tức là bầu khí quyển là nguồn chiếu sáng vào ban ngày. Nhờ đó, nó sáng cả ở những nơi không thể tiếp cận với các tia trực tiếp và khi mặt trời ẩn sau những đám mây. Sự tán xạ mang lại màu sắc cho không khí - chúng ta thấy bầu trời có màu xanh lam.

Điều gì khác ảnh hưởng đến bức xạ mặt trời? Yếu tố độ đục cũng không nên được giảm giá. Rốt cuộc, sự suy yếu của bức xạ xảy ra theo hai cách - khí quyển và hơi nước, cũng như các tạp chất khác nhau. Mức độ bụi tăng vào mùa hè (cũng như hàm lượng hơi nước trong khí quyển).

Tổng bức xạ

Nó đề cập đến tổng lượng bức xạ rơi xuống bề mặt trái đất, cả trực tiếp và khuếch tán. Tổng bức xạ mặt trời giảm trong thời tiết nhiều mây.

Vì lý do này, vào mùa hè, tổng bức xạ trung bình cao hơn trước buổi trưa so với sau buổi trưa. Và trong nửa đầu năm - nhiều hơn trong nửa thứ hai.

Điều gì xảy ra với tổng bức xạ trên bề mặt trái đất? Đến đó, nó chủ yếu được hấp thụ bởi lớp đất hoặc nước phía trên và biến thành nhiệt, một phần của nó được phản xạ. Mức độ phản xạ phụ thuộc vào bản chất của bề mặt trái đất. Chỉ số biểu thị tỷ lệ phần trăm bức xạ mặt trời phản xạ trên tổng lượng của nó rơi trên bề mặt được gọi là suất phản chiếu bề mặt.

Khái niệm bức xạ tự thân của bề mặt trái đất được hiểu là bức xạ sóng dài do thảm thực vật, lớp tuyết phủ, lớp trên của nước và đất phát ra. Cân bằng bức xạ của một bề mặt là sự khác biệt giữa lượng hấp thụ và phát xạ của nó.

bức xạ hiệu quả

Người ta đã chứng minh rằng bức xạ phản xạ hầu như luôn nhỏ hơn bức xạ trên mặt đất. Do đó, bề mặt trái đất chịu tổn thất nhiệt. Sự khác biệt giữa bức xạ nội tại của bề mặt và bức xạ khí quyển được gọi là bức xạ hiệu quả. Đây thực sự là một sự thất thoát năng lượng ròng và kết quả là hơi nóng vào ban đêm.

Nó cũng tồn tại vào ban ngày. Nhưng vào ban ngày, nó được bù một phần hoặc thậm chí bị chặn bởi bức xạ hấp thụ. Do đó, bề mặt trái đất ấm hơn vào ban ngày so với ban đêm.

Về sự phân bố địa lý của bức xạ

Bức xạ mặt trời trên Trái đất phân bố không đều trong năm. Sự phân bố của nó có đặc tính khu vực và các đường cô lập (kết nối các điểm có giá trị bằng nhau) của thông lượng bức xạ hoàn toàn không giống với các vòng tròn vĩ độ. Sự khác biệt này là do mức độ mây mù và độ trong suốt khác nhau của bầu khí quyển ở các khu vực khác nhau trên toàn cầu.

Tổng bức xạ mặt trời trong năm có giá trị lớn nhất ở các hoang mạc cận nhiệt đới có khí quyển ít mây. Nó ít hơn nhiều ở các vùng rừng của vành đai xích đạo. Lý do cho điều này là tăng mây. Chỉ báo này giảm dần về cả hai cực. Nhưng ở khu vực các cực, nó lại tăng lên - ở bán cầu bắc thì ít hơn, ở khu vực Nam Cực có tuyết và hơi nhiều mây - nhiều hơn. Trên bề mặt của các đại dương, trung bình, bức xạ mặt trời ít hơn trên các lục địa.

Hầu hết mọi nơi trên Trái đất, bề mặt có cân bằng bức xạ dương, nghĩa là trong cùng một thời điểm, dòng bức xạ lớn hơn bức xạ hiệu dụng. Các trường hợp ngoại lệ là các khu vực của Nam Cực và Greenland với các cao nguyên băng của chúng.

Chúng ta đang phải đối mặt với sự nóng lên toàn cầu?

Nhưng những điều trên không có nghĩa là sự nóng lên hàng năm của bề mặt trái đất. Lượng bức xạ hấp thụ dư thừa được bù đắp bằng sự rò rỉ nhiệt từ bề mặt vào khí quyển, xảy ra khi pha nước thay đổi (bốc hơi, ngưng tụ dưới dạng mây).

Do đó, không có trạng thái cân bằng bức xạ như vậy trên bề mặt Trái đất. Nhưng có một trạng thái cân bằng nhiệt - dòng nhiệt đi vào và sự mất nhiệt được cân bằng theo những cách khác nhau, bao gồm cả bức xạ.

Phân phối số dư thẻ

Trong cùng một vĩ độ của địa cầu, cân bằng bức xạ trên bề mặt đại dương lớn hơn trên đất liền. Điều này có thể giải thích là do lớp hấp thụ bức xạ ở các đại dương dày hơn, đồng thời bức xạ hiệu quả ở đó ít hơn do bề mặt biển lạnh hơn so với đất liền.

Những dao động đáng kể về biên độ phân bố của nó được quan sát thấy ở các sa mạc. Sự cân bằng thấp hơn ở đó do bức xạ hiệu quả cao trong không khí khô và mây che phủ thấp. Ở một mức độ thấp hơn, nó bị hạ thấp ở những vùng có khí hậu gió mùa. Vào mùa ấm, độ mây ở đó tăng lên và bức xạ mặt trời hấp thụ ít hơn so với các vùng khác cùng vĩ độ.

Tất nhiên, yếu tố chính mà bức xạ mặt trời trung bình hàng năm phụ thuộc vào đó là vĩ độ của một khu vực cụ thể. Ghi lại "một phần" tia cực tím đi đến các quốc gia nằm gần xích đạo. Đây là Đông Bắc Châu Phi, bờ biển phía đông của nó, Bán đảo Ả Rập, phía bắc và phía tây của Úc, một phần của quần đảo Indonesia, bờ biển phía tây của Nam Mỹ.

Ở châu Âu, Thổ Nhĩ Kỳ, phía nam Tây Ban Nha, Sicily, Sardinia, các đảo của Hy Lạp, bờ biển của Pháp (phía nam), cũng như một phần của các vùng của Ý, Síp và Crete, tiếp nhận lượng ánh sáng và ánh sáng lớn nhất. sự bức xạ.

Làm thế nào về chúng tôi?

Thoạt nhìn, tổng lượng bức xạ mặt trời ở Nga được phân bổ một cách bất ngờ. Trên lãnh thổ nước ta, thật kỳ lạ, không phải các khu nghỉ dưỡng ở Biển Đen đều nằm trong lòng bàn tay. Liều lượng bức xạ mặt trời lớn nhất rơi vào các vùng lãnh thổ giáp biên giới Trung Quốc và Severnaya Zemlya. Nhìn chung, bức xạ mặt trời ở Nga không đặc biệt dữ dội, điều này được giải thích đầy đủ bởi vị trí địa lý phía bắc của chúng tôi. Lượng ánh sáng mặt trời tối thiểu đến khu vực tây bắc - St. Petersburg, cùng với các khu vực xung quanh.

Bức xạ mặt trời ở Nga kém hơn Ukraine. Ở đó, bức xạ tia cực tím nhiều nhất đến Crimea và các vùng lãnh thổ bên ngoài sông Danube, ở vị trí thứ hai là Carpathian với các khu vực phía nam của Ukraine.

Tổng bức xạ mặt trời (cả trực tiếp và tán xạ) rơi trên bề mặt nằm ngang được tính theo tháng trong các bảng được thiết kế đặc biệt cho các vùng lãnh thổ khác nhau và được đo bằng MJ / m 2. Ví dụ, bức xạ mặt trời ở Moscow dao động từ 31-58 trong những tháng mùa đông đến 568-615 trong mùa hè.

Về cách nhiệt năng lượng mặt trời

Ánh nắng mặt trời, hoặc lượng bức xạ hữu ích rơi trên bề mặt được chiếu sáng bởi mặt trời, thay đổi rất nhiều ở các vị trí địa lý khác nhau. Lượng cách nhiệt hàng năm được tính trên một mét vuông tính bằng megawatt. Ví dụ: ở Moscow, giá trị này là 1,01, ở Arkhangelsk - 0,85, ở Astrakhan - 1,38 MW.

Khi xác định nó, cần tính đến các yếu tố như thời gian trong năm (vào mùa đông, độ chiếu sáng và kinh độ trong ngày thấp hơn), bản chất của địa hình (núi có thể che nắng), điều kiện thời tiết đặc trưng của khu vực - sương mù, mưa thường xuyên và nhiều mây. Mặt phẳng nhận ánh sáng có thể được định hướng theo chiều dọc, chiều ngang hoặc chiều xiên. Lượng ánh nắng mặt trời, cũng như sự phân bố bức xạ mặt trời ở Nga, là dữ liệu được nhóm trong bảng theo thành phố và khu vực, biểu thị vĩ độ địa lý.