Л.Т. Матвеев - Курс общей метеорологии. Физика атмосферы (1115251), страница 30
Текст из файла (страница 30)
На основании закона Вина получаем так называемую цветовую температуру Солнца: Тс = 6116 К. Второй метод определения температуры Солнца основан на формуле (1.1?) для потока излучения и на понятии солнечной постоянной. Количество солнечной радиации, поступающее на верхней границе земной атмосферы в единицу времени на единичную поверхность, перпендикулярную солнечным лучам, при среднем расстоянии Земли от Солнца, называется солнечной постоянной. Обозначим солнечную постоянную через 1е.
Другими словами, 1* — поток солнечной радиации на верхней границе земной атмосферы через площадку, перпендикулярную солнечным лучам, при среднем расстоянии Земли от Солнца. Точное значение солнечной постоянной вследствие тех больших трудностей, которые возникают при ее определении, не установлено до настоящего времени. Огромное число наблюдений за солнечной радиацией и расчетов солнечной постоянной выполнено Ч.
Г. Аббатом и другими со- 0,18 0,20 0,22 0,24 0,26 0,28 0,30 0,32 0,34 0,36 О,'Зб 0,40 0,42 0,44 0,46 0,48 0,50 0,52 0,54 0,56 0,58 0,60 0,62 О, 000! 0,0011 0,0057 0,0063 0,0130 0,0222 0,0514 0,0830 0,1074 0,1068 0,1!20 0,1429 0,1747 0,1810 0,2066 0,2074 О,!942 О,!833 О,!783 О,!695 0,1715 О,!666 0,1602 0,00 0,0! 0,05 0,14 0,27 0,56 1,21 2,22 3,72 5,32 7,00 8,73 11,22 13,73 16,65 !9,68 22,60 25,38 28,08 30,65 33,!8 35,68 38,!О 0,64 0,66 0,68 О,?О 0,72 0,75 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 2,00 7,00 8,00 10,00 15,00 20,00 0,1544 О,!486 0,1427 О,(ЗВВ 0,13!4 0,1235 0,1!07 0,0746 0,0484 0,0336 0,0244 0,0!59 0,0103 0,003! 0,0009 0,0004 0,0002 0,0001 0,0001 0,0000 0,0000 0,0000 40,42 42,!6 44,81 46,88 48,86 б!,69 56,02 69,46 78,39 84,34 88,61 91,59 93,49 97,83 99,06 99,51 99,72 99,82 99,88 99,44 99,98 99,99 1ЗВ Радмаммомнмй режим атмос$ерм б со»веммав о»хм»мам 137 трудниками Смнтсонианского института (США).
В последующем уточнением 1» занимались Н. Н. Калитин, В. Г. Фесенков, М. Николе, Ф. Джонсон, К. Я. Кондратьев и др. Широкие возможности для определения 1" появились в последние десятилетия на основе наблюдений потока солнечной радиации с помощью ИСЗ. Согласно новейшим данным актинометрических измерений на спутниках, наиболее вероятноезначениесолнечной постоянной заключено в интервале 1,368 — 1,377 кВт/мо (максимальный разброс составляет 1,322 — 1,428 кВт/мо при отсутствии какой-либо регулярности изменения во времени — отсюда и термин «солнечная постоянная»).
Международная комиссия по радиации рекомендовала принять в качестве стандартного значения солнечной постоянной (по Международной пиргелиометрической шкале 1956 г.) 1* =1,37 кВт/мо. К. Я. Кондратьев и Г. А. Никольский на основе данных измерений на аэростатах, поднимавшихся до высоты около 30 км, получили (путем экстраполяции аэростатных данных за пределы атмосферы) для 1* значение 1,36 кВт/м». Не исключено, что солнечная постоянная испытывает некоторые изменения во времени под влиянием колебаний активности Солнца, в частности чисел Вольфа. По К. Я. Кондратьеву и Г.
А. Никольскому, наибольшее значение 1* наблюдается при )Р' в интервале 80 — 100. При числах Вольфа вне этого интервала солнечная постоянная уменьшается, при этом максимальное отклонение достигает 2%. Для окончательного решения вопроса о солнечной постоянной необходимы, как подчеркивает К.
Я. Кондратьев, длительные прямые (с помощью спутников) измерения спектрального распределения солнечной радиации вне земной атмосферы. Наряду с понятием солнечной постоянной, включающей энергию всех длин волн (ее называют также астрономической солнечной постоянной), некоторые авторы (Дж. Джордж, С. И. Сивков) предложили ввести понятие метеорологической солнечной постоянной. Последняя представляет собой поток солнечной радиации на верхней границе атмосферы в спектральном интервале 0,346— 2,4 мкм.
Из спектра солнечной радиации исключается, таким образом, та часть излучения, которая никогда не достигает тропосферы и не оказывает влияния на се тепловой режим. Метеорологическая солнечноя постоянная равна по Джорджу 1,26 кВт/мз, по Сивкову 1,25 кВт/м'. Если известно значение солнечной постоянной, то можно подсчитать поток излучения Солнца Вс. Обозначим через г, среднее расстояние Земли от Солнца, через а радиус Солнца; го —— = 149,5 млн.
км, а = 696,6 тыс. км. Каждый квадратный метр сферы радиусом го получает в 1 с энергию 1*; количество энергии, получаемое всей сферой радиуо' сом г,, равно количеству энергии, излучаемой Солнцем: 4па'Вс = 4лго!о. Отсюда Вс = (г,/а)' /о. Зная поток Вс и приравнивая его аТс, находим температуру фотосферы Солнца: Тс — — 5805 К. Температура Солнца, определенная по значениям 1» и Вс, носит название эффективной или радиао пионной температуры.
При практических расчетах температуру Солнца полагают равной 6000 К. Количество энергии, излучаемое Солнцем, распределяется между различными участками спектра следующим образом: ультрафиолетовая область (Х(0,39 мкм) — около 9%, видимый участок спектра (0,39 мкм ( к ( 0,76 мкм) — 47 о/„инфракрасная область (Х ~ 0,76 мкм) — 44 %. Из изложенного выше следует, что Солнце излучает энергию в широком диапазоне длин волн. Однако свыше 99 о/о этой энергии приходится на участок спектра, заключенный между 0,10 и 4 мкм, Солнечную радиацию по этой причине часто называют коротковолновой, в отличие от инфракрасной (дликиоволиовой) радиации Земли и атмосферы, свыше 99% которой приходится на интервал длин волн от 3 — 4 до 80 — !20 мкм. 3 Распределение солнечной радиации по земному шару при отсутствии атмосферы Распределение солнечной радиации по земному шару при отсутствии атмосферы или, что практически одно и то же, на верхней границе атмосферы и изменение ее во времени определяются чисто астрономическими факторами: вращением Земли вокруг Солнца, наклоном осп вращения Земли по отношению к плоскости орбиты Земли (эклиптике), суточным вращением Земли.
Теорию распределения солнечной радиации по земному шару при отсутствии атмосферы (так называемую астрономическую теорию климата) разработал югославский ученый М. Миланкович. Пусть го — среднее, а г — произвольное расстояние Земли от Солнца. Определим поток солнечной радиации 1о через единичную площадку, перпендикулярную солнечным лучам, при расстоянии г. Очевидно, между!* и 1о существует связь: 2 м 2 4пго/о= 4лг /о, 738 Соаиеенаи радиаиин Ралиаииониыа режим аемоеееры П откуда !о 10 = (г!го)а (3.1) 1о 4В = 1оАС. Рис. 5.4. К установлению связи между потоками солнечной радиации на перпендикулярную (!0) и горизонтальную (7;) поверхности. +о, Я= ~ 1ос(1, (3.4) Северное полушарие ! 42 42 43 45 46 7 2 0 0 0 Летнее (22 июня) ) 33 Зимнее (22 дека- ~ 36 бря) 37 40 41 42 Южное полушарие 29 ~ 24 18 ~ !2 40 ~ 42 44 ~ 45 45 44 46 48 49 Зимнее (22 июня) 33 Летнее (22 дека- 36 бря) откуда сов — ' — 1, = — (д ср (я б, 2л П (3.5) Установим связь между потоками солнечной радиации, поступающими к площадке, перпендикулярной солнечным лучам (!0), и на горизонтальную поверхность (1;).
Поток солнечной радиации на горизонтальную поверхность называют инсоляцией. Если обозначить через бо высоту Солнца над горизонтом в произвольный момент времени, то непосредственно нз рис. 5.4 следует, что на площадки АВ и АС поступает одно и то же количество солнечной ра- диации Так как АВ =АС в|и до, то получаем соотношение 1о = 10 яп бе, (3.2) которое справедливо для любого потока радиации. Из астрономии известно, что в!пб. =ыпфыпб+совфсовбсов — 1, 2л (1 (3.3) где ср — географическая широта места наблюдения; 6 — склонение 2л Солнца; П = 86 400 с — длина солнечных суток; — ! — часовой П угол; ! — время, отсчитываемое от полудня. Определим количество солнечной радиации О, получаемой 1 мв горизонтальной поверхности в течение суток при отсутствии атмосферы, т.
е. суточную инсоляцию. Очевидно, где ~!0 — моменты восхода и захода Солнца, определяемые из условия в|п йо = О. Согласно (З.З), ып ф в|п б+ сов гр сов б сов —" 1, = О, 2л П т. е. 1, зависит только от широты места и склонения Солнца (времени года). Заменяя в (3.4) 1', на 1"' по (3.1) и (3.2) и яп )то по (3.3), найдем -~- ее е Г г 2л '4 4(т Я = 1, ) ( в!п ср в|п б + сов ср сов — !7) П 7 (г!го)о — оо Поскольку в течение суток 6 и г|гс изменяются незначительно, то, считая их постоянными, из последнего соотношения получаем (!о в!игр в1п 6 + — — ) сов ср сов бяп ( — !0). (3.6) 2л (г!го)а Формула (3.6) показывает, что Я зависит только от широты места ср и склонения Солнца 6 (времени года).
Результаты расчета суточной инсоляции Я приведены в табл. 5.2. Согласно этим данным, в день летнего солнцестояния (6 = 23,5') суточная инсоляцня достигает максимума над Северным полюсом. Второй, более слабый максимум (,) наблюдается на широте 43,5', где влияние меньшей продолжительности дня перекрывается большей высотой Солнца в околополуденные часы. В день зимнего солнцестояния (6= — 23,5') суточная инсоляция равна нулю на всех широтах, расположенных севернее полярного круга (ф) )66,5'). С приближением к экватору (в северном полушарии) инсоляция при 6= — 23,5' монотонно растет.
На Южном полюсе суточная инсоляция в этот день достигает максимума, равного 48,76 ЦДж!мз, вторичный же максимум на 43,5' ю. ш. составляет 45,01 МДж(м'. Эти значения Я в середине лета южного полушария больше соответствующих значений для северного полушария (где оии равны 45,67 и 42,09). Это объясняется тем, что Земля во время лета северного полушария находится вблизи афелия своей орбиты (удаленного от Солнца на расстояние около 1,52 100 км), а летом о табтнца 5.2. суточная инсоляпия (ййцж!м') при (0 — — 1,37 квт!м' 0 ( ~0 ! во 30 ) 40 ( 00 00 ) 70 ! 80 ) 00 П Радиациоааыа раман атыосрары 5 Солиачиаи радиация 147 южного полушария — вблизи перигелия орбиты (находящегося на расстоянии около 1,47 10' км). Приведем еще выражения для потоков солнечной радиации на горизонтальную поверхность, поступающих за летнее (от весеннего, 2! марта, до осеннего, 23 сентября, равноденствия) и зимнее (от осеннего до весеннего равноденствия) астрономические полугодия, т.
е. выражения для летней Я.) и зимней (Я ) инсоляг4ии. Выполнив в формуле (3.6) интегрирование по б с учетом изменения г/го, придем к следующим формулам: Яо 1оПо Яз = 2 — + — з(п гр з(п в, (3.7) 2л Ч/! — е' Яо отто !сзы = — — — ыпгрыпе, 2и ч/1 — е' (3.8) где По = 365,2422 соли. сут — длина тропического года, е = = 23,4457' — угол наклона экватора к эклиптике, е — эксцентриситет орбиты Земли, Яо — годовое количество солнечной радиации (инсоляция) . Для различных широт получены следующие значения количества солнечной радиации (ГДж/мз), поступающей на горизонтальную поверхность Земли при /" = 1,37 кВт/м'.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
