6.3. Радіація в атмосфері

Радіація в атмосфері — це електромагнітне випромінювання Сонця, яке поширюється зі швидкістю 300 000 км/с, її складовими є видиме світло і невидимі оком гамма-промені, рентгенівські, ультрафіолетові, інфрачервоні промені, радіохвилі. Сонце є для Землі основ­ним джерелом тепла і світла.

Променева енергія Сонця перетворюється в тепло частково у самій атмосфері, але головним чином на земній поверхні. Вона нагріває верхні шари ґрунту і води, а від них і повітря. Нагріта земна поверх­ня і нагріта атмосфера самі випромінюють невидиму інфрачервону радіацію в космічний простір і охолоджуються.

Випромінювання Сонця, яке отримує поверхня Землі, може бути поділене на пряме, розсіяне і поглинуте. Це пов'язано з його зміна­ми при проходженні через атмосферу.

Пряме сонячне випромінювання приходить до земної поверхні безпосередньо від сонячного диску у вигляді пучка паралельних променів. Притік прямого випромінювання характеризується інтен­сивністю — кількістю променевої енергії, що надходить на поверх­ню, перпендикулярну до сонячних променів. Інтенсивність потоку сонячного випромінювання на верхній межі атмосфери при середній віддалі Землі від Сонця називається сонячною постійною. За остан­німи даними вона дорівнює 1,353 кВт/м².

У середньому на кожний квадратний кілометр земної поверхні припадає за рік 4,27 - 10¹' Дж сонячного випромінювання. Щоб одержати таку кількість тепла штучно, треба було б спалити більше 400 тис. т кам'яного вугілля. За рік земна поверхня отримує від Сонця майже в 250 разів більше енергії, ніж її виробляють всі елек­тростанції світу. При цьому сонячне випромінювання, що досягає Землі, становить менше двох мільярдних відсотка всього випромі­нювання Сонця. Наскільки значна ця кількість енергії розуміємо, коли стаємо свідками стрімкого танення снігу в теплий день, швид­кого випаровування вологи після дощу, сили вітру під час бурі або шаленості морського шторму. Всі ці процеси відбуваються під впли­вом Сонця.

На шляху до Землі невелика частина сонячного випромінюван­ня поглинається атмосферою. Поглинання це носить вибірковий характер, бо різні гази поглинають випромінювання неоднаково. Азот і кисень поглинають тільки ультрафіолетові хвилі. Більш силь­ним поглиначем є озон. Інтенсивно поглинає випромінювання в ін­фрачервоній області вуглекислий газ. Основним же поглиначем в атмосфері є водяна пара, зосереджена головним чином у нижній частині тропосфери. Сонячне випромінювання поглинають також хмари й атмосферні домішки. Завдяки явищам поглинання серед­ня температура повітря становить +14 °С, тоді як у разі відсутності атмосфери вона дорівнювала б -22 °С. А це значить, що Земля пере­творилася б у мертву льодово-кам'яну пустелю.

В цілому в атмосфері поглинається 15—20 % сонячного випромі­нювання. Поглинання змінюється у часі залежно від вмісту в повітрі поглинутих субстанцій (перш за все водяної пари і пилу), а також від висоти Сонця над горизонтом, бо при цьому змінюється товщина повітря, через яку проходять промені.

Близько 25 % загального потоку сонячного випромінювання при проходженні через атмосферу перетворюються в розсіяне в резуль­таті його розсіювання молекулами газів і частинками аерозольних домішок. Частина розсіяного випромінювання поглинається і тому йде на нагрівання атмосфери, частина — досягає земної поверхні, частина — повертається до міжпланетного простору.

З розсіяним випромінюванням пов'язані деякі характерні особ­ливості атмосфери: блакитний колір неба, розсіяне світло вдень, ран­кові і вечірні сутінки. Відносне значення розсіяного випромінюван­ня зростає зі зменшенням ролі прямого. У помірних широтах влітку розсіяне випромінювання становить 41 %, взимку досягає 73 %. У полярних широтах основне значення має розсіяне випромінювання, а в тропічних — пряме.

Складний шлях надходження і витрат радіаційного тепла зем­ною поверхнею виражається радіаційним балансом — різницею між поглинутим і ефективним випромінюванням. Під останнім розумі­ють різницю між власним випромінюванням земної поверхні і зу­стрічним випромінюванням атмосфери.

Радіаційний баланс земної поверхні є від'ємним вночі і позитив­ним вдень. Річний радіаційний баланс позитивний для більшості місцевостей планети, за винятком льодових поверхонь Гренландії та Антарктиди.

Найбільше тепла отримують моря і океани у тропічних широтах — від 100 до 140 ккал/см²/рік. У тих самих широтах на суші радіацій­ний баланс становить 60 ккал/см²/рік. Причина цієї різниці полягає в різній величині альбедо: піски пустель відбивають близько 35 %, а вода в середині дня тільки 2 % тепла. При цьому значно сильніше нагрівається поверхня суші, бо тепло, яке поглинається океанами і морями, витрачається переважно на випаровування води.

Виходи гірських порід поглинають і випромінюють тепло швид­ше, ніж площі, зайняті ґрунтами і рослинністю або снігом і льодом. Гірські вершини, над якими повітря більш розріджене, швидко на­гріваються вдень і так само швидко охолоджуються вночі. Хмарний покрив не пропускає випромінювання зверху і одночасно втримує тепло, яке йде знизу. Тому сильні морози бувають здебільшого в ясні тихі ночі.