9. О солнечной радиации

Электромагнитная радиация (в дальнейшем называемая просто радиацией или излучением) – форма материи, отличная от вещества. Частным случаем радиации является видимый свет; но к радиации относятся также и не воспринимаемые глазом гамма-лучи, рентгеновские лучи, ультрафиолетовая и инфракрасная радиация, радиоволны, в том числе и телевизионные. Все вместе они образуют электромагнитный спектр.

Радиация распространяется по всем направлениям от ее источника -излучателя в виде электромагнитных волн со скоростью с в вакууме около 300 000 км/с.

В воздухе ее скорость почти такая же. Электромагнитными волнами называются распространяющиеся в пространстве колебания, т.е. периодические изменения электрических и магнитных сил в каждой точке пространства; они вызываются движением электрических зарядов в излучателе. Как и всякие волны, электромагнитные волны характеризуются длиной волны λ и частотой колебаний ν. Длиной волны называется расстояние между соседними максимумами (или минимумами).

Частотой колебаний называется число колебаний в секунду. Ясно, что число длин волн, уложенное вдоль распространения излучения и равное частоте колебаний, будет представлять скорость распространения колебания: следовательно, скорость распространения колебаний с = λv.

Все тела, имеющие температуру выше абсолютного нуля, испускают радиацию при перестройке электронных оболочек их атомов и молекул, а также при изменениях в колебании атомных ядер в молекулах и во вращении молекул. В метеорологии приходится иметь дело преимущественно с тепловой радиацией, определяемой температурой излучающего тела и его излучательной способностью.

Наша планета получает такую радиацию от Солнца; земная поверхность и атмосфера в то же время сами излучают тепловую радиацию, но в других диапазонах длин волн. Тепловая радиация имеет длины волн от сотен микрометров до тысячных долей микрометра (1 мкм = 10^{- 6} м). Длины волн радиации измеряют с большой точностью и потому обычно выражают их в единицах, значительно меньших, чем микрометр – в нанометрах. Нанометр (1 нм – 10^-9 м) – миллиардная доля метра или тысячная доля микрометра. Например, длину волны 0,5937 мкм можно еще написать как 593,7 нм. В пособии мы будем приводить длины волн преимущественно в микрометрах.

Радиацию с длиной волны λ = 0,01…0,39 мкм называют ультрафиолетовой. Она невидима, т.е. не воспринимается глазом. Радиация с λ = 0,40…0,76 мкм – видимый свет, воспринимаемый глазом. Свет с λ = 0,40 мкм воспринимается как фиолетовый, с λ = 0,76 мкм – как красный.

На λ = 0,40…0,76 мкм приходится свет всех цветов видимого спектра. Радиация с λ > 0,76 мкм и до нескольких сотен микрометров называется инфракрасной; она, как и ультрафиолетовая, невидима.

В метеорологии принято выделять коротковолновую и длинноволновую радиации. Коротковолновой называют радиацию в диапазоне длин волн от 0,1 до 4 мкм. Она включает кроме видимого света еще ближайшую к нему по длинам волн ультрафиолетовую и инфракрасную радиацию. Солнечная радиация на 99% является коротковолновой радиацией. К длинноволновой радиации относят радиацию, излучаемую земной поверхностью и атмосферой с λ = 4…100 мкм.

Тело, испускающее радиацию, охлаждается; его тепловая энергия переходит в энергию радиации, в лучистую энергию. Когда радиация падает на другое тело и поглощается им, лучистая энергия переходит в другие виды энергии, главным образом в теплоту. Это значит, что тепловая радиация нагревает тело, на которое она падает.

Некоторые вещества в особом состоянии излучают радиацию в большем количестве и в другом диапазоне длин волн, чем это определяется их температурой. Возможно, например, испускание видимого света при таких низких температурах, при которых вещество обычно не светится. Эта радиация, не подчиняющаяся законам теплового излучения, называется люминесцентной.

Люминесценция может возникнуть, если вещество предварительно поглотило определенное количество энергии и пришло в возбужденное состояние, более богатое энергией, чем энергетическое состояние при температуре вещества. При обратном переходе вещества – из возбужденного состояния в нормальное – и возникает люминесценция. Люминесценцией объясняются полярные сияния и свечение ночного неба.

Иногда ошибочно термином «радиация» называют явление совсем другого рода – корпускулярное излучение, т.е. потоки электрически заряженных элементарных частиц вещества, преимущественно протонов и электронов, движущихся со скоростями в сотни километров в секунду. Хотя такие скорости велики, но все-таки они очень далеки от скорости света.

Энергия корпускулярного излучения в среднем в 107 раз меньше, чем энергия тепловой радиации Солнца. Однако она сильно изменяется с течением времени в зависимости от физического состояния Солнца, т.е. от солнечной активности. Ниже 90 км корпускулярное излучение в атмосферу почти не проникает. Дальше будет говориться исключительно о тепловой радиации.

В спектре солнечной радиации на λ = 0,1…4 мкм приходится 99% всей энергии солнечного излучения. Всего 1% остается на радиацию с меньшими и большими длинами волн, вплоть до рентгеновских лучей и радиоволн.

Видимый свет занимает узкий интервал длин волн, всего λ = 0,40… 0,76 мкм. Однако в этом интервале заключается 47% всей солнечной лучистой энергии, т.е. почти половина. На инфракрасное излучение приходится 44%, а на ультрафиолетовое – 9% всей лучистой энергии.

Распределение энергии в спектре солнечной радиации до поступления ее в атмосферу в настоящее время известно достаточно хорошо благодаря измерениям со спутников и ракет (рис. 3.1).

Рис. 1. Распределение лучистой энергии в спектре солнечной радиации