Что такое поглощенная радиация
Изменения солнечной радиации, ее поглощение и рассеяние в атмосфере
Проходя сквозь атмосферу, солнечная радиация частично рассеивается атмосферными газами и аэрозольными примесями к воздуху и переходит в особую форму рассеянной радиации. Частично же она поглощается молекулами атмосферных газов и примесями к воздуху и переходит в теплоту,идет на нагревание атмосферы.
Нерассеянная и непоглощенная в атмосфере прямая солнечная радиация достигает земной поверхности. Она частично отражается от земной поверхности, а в большей степени поглощается ею и нагревает ее. Часть рассеянной радиации также достигает земной поверхности, частично от нее отражается и частично ею поглощается. Другая часть рассеянной радиации уходит вверх, в межпланетное пространство. В результате поглощения и рассеяния радиации в атмосфере прямая радиация, дошедшая до земной поверхности, изменена в сравнении с тем, что было на границе атмосферы. Интенсивность радиации уменьшается, а спектральный состав ее изменяется,так как лучи разных длин волн поглощаются и рассеиваются в атмосфере по-разному (рис. 6).
Рис. 6. Распределение лучистой энергии в спектре солнечной радиации на границе атмосферы
(верхняя кривая) и у земной поверхности (нижняя кривая) при высоте солнца 35°
Интенсивность радиации дана в 10-3 кал/(см2·мин)для интервала длин волн 0,01 мк.
При наиболее высоком стоянии солнца и при достаточной чистоте воздуха можно измерить на уровне моря интенсивность прямой радиации около 1,5 кал/(см2·мин)В горах, на высотах порядка 4-5 км,наблюдалась интенсивность до 1,7 кал/(см2·мин)и более. По мере приближения солнца к горизонту и увеличения толщи воздуха, проходимой солнечными лучами, интенсивность прямой радиации все более убывает.
В атмосфере поглощается сравнительно небольшое количество солнечной радиации, при этом главным образом в инфракрасной части спектра. Это поглощение – избирательное: разные газы поглощают радиацию в разных участках спектра и в разной степени.
Поглощенная радиация – часть суммарной радиации, которая поглощается земной поверхностью и идет на нагревание верхних слоев почвы и воды.
Азот поглощает радиацию только очень малых длин волн в ультрафиолетовой части спектра. Энергия солнечной радиации в этом участке спектра совершенно ничтожна, и потому поглощение азотом практически не отражается на интенсивности солнечной радиации. В большей степени, но все же очень мало поглощает солнечную радиацию кислород – в двух узких участках видимой части спектра и в ультрафиолетовой его части. Более сильным поглотителем солнечной радиации является озон. Его содержание в воздухе, даже в стратосфере, очень мало; тем не менее он настолько сильно поглощает ультрафиолетовую радиацию, что из солнечной постоянной теряется несколько процентов. В результате поглощения в верхних слоях атмосферы в солнечном спектре у земной поверхности не наблюдаются волны короче0,29 мк.
Сильно поглощает радиацию в инфракрасной области спектра углекислый газ;но его содержание в атмосфере ничтожно, и поэтому поглощение им в общем незначительно. Основным же поглотителем радиации в атмосфере является водяной пар,сосредоточивающийся в тропосфере и особенно в нижней ее части. Из общего состава солнечной радиации водяной пар поглощает значительную долю в инфракрасной области спектра. Хорошо поглощают солнечную радиацию также атмосферные аэрозоли,т.е. облака и твердые частички, взвешенные в атмосфере.
В целом в атмосфере поглощается 15 – 20% радиации, приходящей от Солнца к Земле. В каждом отдельном месте поглощение меняется с течением времени в зависимости как от переменного содержания в воздухе поглощающих субстанций, главным образом водяного пара, облаков и пыли, так и от высоты солнца над горизонтом, т.е. от толщины слоя воздуха, проходимого лучами на пути сквозь атмосферу.
Кроме поглощения прямая солнечная радиация на пути сквозь атмосферу ослабляется еще путем рассеяния, причем ослабляется более значительно. При этом рассеяние радиации тем больше, чем больше содержит воздух аэрозольных примесей.
Рассеянием радиации называется частичное преобразование радиации, имеющей определенное направление распространения (а такой именно и является прямая солнечная радиация, распространяющаяся в виде параллельных лучей), в радиацию, идущую по всем направлениям. Рассеяние происходит в оптически неоднородной среде, т.е. в среде, где показатель преломления меняется от точки к точке. Такой оптически неоднородной средой является атмосферный воздух, содержащий мельчайшие частички жидких и твердых примесей – капельки, кристаллы, ядра конденсации, пылинки. Но оптически неоднородной средой является и чистый,свободный от примесей воздух, так как в нем вследствие теплового движения молекул постоянно возникают сгущения и разрежения, колебания плотности. Таким образом, встречаясь с молекулами и посторонними частичками в атмосфере, солнечные лучи теряют прямолинейное направление распространения, рассеиваются. Радиация распространяется от рассеивающих частичек таким образом, как если бы они сами были источниками радиации.
Около 25% энергии общего потока солнечной радиации превращается в атмосфере в рассеянную радиацию. Правда, значительная доля рассеянной радиации (2/3 ее) также приходит к земной поверхности. Но это будет уже особый вид радиации, существенно отличный от прямой радиации.
Во-первых, рассеянная радиация приходит к земной поверхности не от солнечного диска, а от всего небесного свода. Поэтому приходится измерять ее приток на горизонтальную поверхность. Интенсивностью рассеянной радиациимы будем называть ее приток в калориях на один квадратный сантиметр горизонтальной поверхности в минуту.
Во-вторых, рассеянная радиация отлична от прямой по спектральному составу. Дело в том, что лучи различных длин волн рассеиваются в разной степени. Соотношение энергии лучей разных длин волн в рассеянной радиации изменено в пользу более коротковолновых лучей. При этом, чем меньше размеры рассеивающих частичек, тем сильнее рассеиваются коротковолновые лучи в сравнении с длинноволновыми.
По закону Релея, в чистом воздухе, где рассеяние производится только молекулами газов(размеры которых более чем в 10 раз меньше длин волн света), рассеяние обратно пропорционально четвертой степени длины волны рассеиваемых лучей
, (46)
где Iλ — интенсивность прямой радиации с длиной волны λ, iλ– интенсивность рассеянной радиации с той же длиной волны, а – коэффициент пропорциональности.
Поскольку длина крайних волн красного света почти вдвое больше длины крайних волн фиолетового света, первые лучи рассеиваются молекулами воздуха в 14 раз меньше, чем вторые. Инфракрасные же лучи будут рассеиваться в совсем ничтожной степени. Поэтому в рассеянной радиации лучи коротковолновой части видимого спектра, т.е. фиолетовые и синие, будут преобладать по энергии над оранжевыми и красными, а также и над инфракрасными лучами.
Максимум энергии в прямой солнечной радиации у земной поверхности приходится на область желто-зеленых лучей видимой части спектра. В рассеянной радиации он смещается на синиелучи.
Добавим еще, что рассеянная солнечная радиация, в отличие от прямой, является частично поляризованной. При этом степень поляризации для радиации, приходящей от разных участков небосвода, неодинакова.
Рассеяние более крупными частичками, т.е. пылинками, мельчайшими капельками и кристалликами, происходит не по закону Релея, а обратно пропорционально меньшим степеням длины волны, например второй или первой. Поэтому радиация, рассеянная крупными частичками, будет не так богата наиболее коротковолновыми лучами, как радиация, рассеянная молекулами. При частичках диаметром больше 1,2 мк будет уже не рассеяние, а диффузное отражение, при котором радиация отражается частичками, как маленькими зеркалами (по закону – угол отражения равен углу падения), без изменения спектрального состава.
Рассеяние меняет окраску прямогосолнечного света. Вследствие рассеяния особенно понижается энергия наиболее коротковолновых солнечных лучей видимой части спектра – синих и фиолетовых, поэтому «уцелевший» от рассеяния прямой солнечный свет становится желтоватым. Солнечный диск кажется тем желтее, чем ближе он к горизонту, т.е. чем длиннее путь лучей через атмосферу и чем больше рассеяние. У горизонта солнце становится почти красным,особенно когда в воздухе много пыли и мельчайших продуктов конденсации (капелек или кристаллов). Точно так же и солнечный свет, отраженный облаками, рассеиваясь по пути к земной поверхности, становится беднее синими лучами. Поэтому, когда облака близки к горизонту и путь отраженных лучей света, идущих от них сквозь атмосферу к наблюдателю, велик, они приобретают вместо белой желтоватую окраску.
Рассеяние солнечной радиации в атмосфере обусловливает рассеянный свет в дневное время. В отсутствии атмосферы на Земле было бы светло только там, куда попадали бы прямые солнечные лучи или солнечные лучи, отраженные земной поверхностью и предметами на ней. А вследствие рассеянного света вся атмосфера днем служит источником освещения: днем светло также и там, куда солнечные лучи непосредственно не падают, и даже тогда, когда солнце скрыто за облаками. При этом вследствие большего процентного содержания синих лучей рассеянный свет белеепрямого солнечного света.
поглощенная солнечная радиация
Смотреть что такое «поглощенная солнечная радиация» в других словарях:
поглощенная солнечная радиация — sugertoji Saulės spinduliuotė statusas T sritis ekologija ir aplinkotyra apibrėžtis Saulės spinduliuotės dalis, pavirtusi kitomis energijos rūšimis, ypač šiluma. Atmosfera sugeria apie 15 % patekusios į ją Saulės spinduliuotės ir didesniąją dalį… … Ekologijos terminų aiškinamasis žodynas
absorbed solar radiation — sugertoji Saulės spinduliuotė statusas T sritis ekologija ir aplinkotyra apibrėžtis Saulės spinduliuotės dalis, pavirtusi kitomis energijos rūšimis, ypač šiluma. Atmosfera sugeria apie 15 % patekusios į ją Saulės spinduliuotės ir didesniąją dalį… … Ekologijos terminų aiškinamasis žodynas
absorbierte Sonnenstrahlung — sugertoji Saulės spinduliuotė statusas T sritis ekologija ir aplinkotyra apibrėžtis Saulės spinduliuotės dalis, pavirtusi kitomis energijos rūšimis, ypač šiluma. Atmosfera sugeria apie 15 % patekusios į ją Saulės spinduliuotės ir didesniąją dalį… … Ekologijos terminų aiškinamasis žodynas
sugertoji Saulės spinduliuotė — statusas T sritis ekologija ir aplinkotyra apibrėžtis Saulės spinduliuotės dalis, pavirtusi kitomis energijos rūšimis, ypač šiluma. Atmosfera sugeria apie 15 % patekusios į ją Saulės spinduliuotės ir didesniąją dalį Žemės spinduliuotės. Sugertoji … Ekologijos terminų aiškinamasis žodynas
метеорология и климатология — Метеорология – наука об атмосфере Земли. Климатология – раздел метеорологии, изучающий динамику изменения средних характеристик атмосферы за какой либо период – сезон, несколько лет, несколько десятков лет или за более длительный срок. Другими… … Географическая энциклопедия
Баланс радиационный — атмосферы и подстилающей поверхности сумма прихода и расхода потоков радиации, поглощаемой и излучаемой атмосферой и подстилающей поверхностью; часть теплового баланса атмосферы и земной поверхности. Для атмосферы приходная часть состоит из… … Экология человека
Отраженная радиация поглощенная радиация
Суммарная солнечная радиация, приходящая на земную поверхность, частично от нее отражается и теряется ею — это отраженная радиация (Rk), она составляет около 3 % от всей солнечной радиации. Оставшаяся радиация поглощается верхним слоем почвы или воды и называется поглощенной радиацией (47 %). Она служит источником энергии всех движений и процессов в атмосфере. Величина отражения и соответственно поглощения солнечной радиации зависит от отражательной способности поверхности, или альбедо. Альбедо поверхности — это отношение отраженной радиации к суммарной радиации, выраженное в долях от единицы или в процентах: А=Rk/Q∙100 %.Отраженная радиация выражается формулой Rk=Q∙A, оставшаяся поглощенная —Q—Rk или (Q·(1—А), где 1— А — коэффициент поглощения, причем А рассчитывается в долях от единицы.
Альбедо земной поверхности зависит от ее свойств и состояния (цвета, влажности, шероховатости и т. д.) и изменяется в больших пределах, особенно в умеренных и субполярных широтах в связи со сменой сезонов года. Наиболее высокое альбедо у свежевыпавшего снега — 80–90 %, у сухого светлого песка — 40 %, у растительности — 10–25 %, у влажного чернозема — 5 %. В полярных областях высокое альбедо снега сводит на нет преимущество больших величин суммарной радиации, получаемых в летнее полугодие. Альбедо водных поверхностей в среднем меньше, чем суши, так как в воде лучи глубже проникают в верхние слои, чем в почвогрунтах, рассеиваются там и поглощаются. При этом на альбедо воды большое влияние оказывает угол падения солнечных лучей: чем он меньше, тем больше отражательная способность. При отвесном падении лучей альбедо воды составля-
ет 2— 5 %, при малых углах — до 70 %. В целом альбедо поверхности Мирового океана составляет менее 20 %, так что вода поглощает до 80 % суммарной солнечной радиации, являясь мощным аккумулятором тепла на Земле.
Интересно также распределение альбедо на различных широтах земного шара и в разные сезоны.
Альбедо в целом увеличивается от низких широт к высоким, что связано с возрастающей облачностью над ними, снежной и ледяной поверхностью полярных областей и уменьшением угла падения солнечных лучей. При этом видны локальный максимум альбедо в экваториальных широтах вследствие большой
облачности и минимумы в тропических широтах с их минимальной облачностью.
Сезонные вариации альбедо в северном (материковом) полушарии значительнее, нежели в южном, что обусловлено более острой реакцией его на сезонные изменения природы. Это особенно заметно в умеренных и субполярных широтах, где летом альбедо понижено из-за зеленой растительности, а зимой повышено за счет снежного покрова.
Планетарное альбедо Земли — отношение уходящей в Космос «неиспользованной» коротковолновой радиации (всей отраженной и части рассеянной) к общему количеству солнечной радиации, поступающей на Землю. Оно оценивается в 30 %.
ВИДЫ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ
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.
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.
Радиация в атмосфере
Содержание
Главным источником энергии почти всех процессов, развивающихся в атмосфере, является Солнце. Именно оно непрерывно излучает громадное количество лучистой энергии. Лучистая энергия Солнца, или солнечная радиация, включающая и видимую часть спектра, является одновременно источником света.
На пути распространения от внешних пределов атмосферы до земной поверхности солнечная радиация подвергается ряду существенных изменений. Они происходят вследствие процессов поглощения, отражения и рассеяния радиации.
Значительная часть солнечной радиации достигает земной поверхности в виде параллельного пучка лучей на освещаемой поверхности земного шара — прямая солнечная радиация. Некоторая часть радиации, рассеянной в атмосфере, поступает на земную поверхность как рассеянная радиация от всех точек небесного свода. Прямая солнечная радиация и рассеянная в сумме их поступления дают суммарную радиацию.
Солнечная радиация, поступающая на земную поверхность, частично отражается от неё, но большая её часть поглощается этой поверхностью и идёт на её нагревание.
Та часть солнечной радиации, которая отражается земной поверхностью, а также атмосферой (в основном облаками), носит название отражённой радиации.
Вместе с тем, нагретая земная поверхность сама является источником теплового излучения, направленного к атмосфере. Это так называемое земное излучение, или земная радиация. В свою очередь сама атмосфера излучает радиацию. Это излучение частично достигает поверхности Земли, а частично в атмосфере образует противоизлучение атмосферы — уходящее излучение атмосферы.
В атмосфере имеется целая система потоков лучистой энергии, разнообразных по их спектральному составу и различно направленных. В метеорологии принято выделять коротковолновую и длинноволновую радиацию. Прямую и рассеянную солнечную радиацию называют коротковолновой. Излучение Земли и атмосферы относят к длинноволновой радиации.
Коротковолновой радиацией называют радиацию в диапазоне волн от 0,1 до 4 мкм. Она включает, кроме видимого света, ещё ближайшую к нему по длинам волн ультрафиолетовую и инфракрасную радиацию. Солнечная радиация на 99 % является коротковолновой радиацией. К длинноволновой радиации относят радиацию земной поверхности и атмосферы с длинами волн от 4 до 100–120 мкм.
Оценивая с энергетической стороны сумму всех потоков лучистой энергии на земной поверхности, можно найти приходо-расход энергии для некоторой поверхности — радиационный баланс.
Солнечная постоянная радиации и спектральное распределение солнечного излучения
Солнечная радиация, приходящая на верхнюю границу атмосферы, охватывает широкий диапазон — от жёсткого рентгеновского до ближнего инфракрасного излучения. Спектральное распределение солнечного излучения определяется физическими характеристиками Солнца как звезды и особенностями процессов, происходящих в фотосфере, атмосфере Солнца и его короне. В целом спектр излучения Солнца приближается к спектру абсолютно черного тела, температура которого составляет около 5900 °К. Подавляющая часть энергии солнечного излучения (≈97 %) приходится на интервал длин волн электромагнитного спектра (0,3–3,0 мкм), причём 53,5 % — на интервал 0,4–0,7 мкм, т. е. на видимую область.
Распространяясь в атмосфере, солнечное излучение взаимодействует с атмосферными газами, облаками, твёрдыми и жидкокапельными аэрозольными частицами, взвешенными в воздухе. В результате такого взаимодействия в атмосфере происходит рассеяние, поглощение и преломление электромагнитных волн.
Рассеяние солнечного излучения приводит в целом к увеличению отражательной системы Земля — атмосфера.
Поглощение солнечного излучения приводит к уменьшению отражательной способности системы Земля—атмосфера, нагреванию атмосферы и подстилающей поверхности.
Рентгеновское и ультрафиолетовое излучение Солнца поглощается почти полностью уже на больших высотах в атмосфере. Наиболее активно солнечное излучение поглощают так называемые малые газовые составляющие — Н2О, СО2, О3, NOx, CH4, фреоны.
В целом все процессы взаимодействия солнечного излучения с атмосферой и подстилающей поверхностью приводят к перераспределению лучистой энергии, приходящей на её верхнюю границу, и переходу части этой энергии в другие формы — тепловую, кинетическую, скрытое тепло и т. д.
Тепловая радиация имеет длины волн от сотен микрометров до тысячных долей микрометра.
Тепловую радиацию с длинами волн от 0,01 до 0,39 мкм называют ультрафиолетовой. Она невидима и не воспринимается человеческим глазом. Радиация от 0,39 до 0,76 мкм — это видимый свет, воспринимаемый глазом. Свет с длиной волны около 0,40 мкм — фиолетовый, с длиной волны около 0,76 мкм — красный. На промежуточные длины волн приходится свет всех цветов спектра.
Радиация с длинами волн больше 0,76 мкм и до нескольких сотен микрометров называется инфракрасной, она так же, как и ультрафиолетовая, невидима.
Поле инфракрасной (тепловой) радиации в атмосфере в интервале длин волн 4–120 мкм формируется за счёт собственного теплового излучения земной поверхности, излучения активных газовых и аэрозольных компонентов атмосферы (пыль, облака, туманы), а также излучения Солнца в длинноволновом участке электромагнитного спектра.
Пространственная и временная изменчивость инфракрасной радиации в атмосфере связана с изменениями инсоляции земной поверхности, степенью закрытости небосвода облачностью, изменениями в содержании основных поглощающих и излучающих компонентов.
В целом и атмосфера, и подстилающая поверхность охлаждается посредством инфракрасного радиационного обмена.
Некоторые вещества в особом состоянии излучают радиацию в большом количестве и в другом диапазоне длин волн, чем это следует по их температуре. Эта радиация, не подчиняющаяся законам теплового излучения, позволяет некоторым веществам испускать видимый свет (люминесценция). Люминесценцией объясняются полярные сияния и свечение ночного неба.
Прямая солнечная радиация
Солнечная радиация распространяется от Солнца по всем направлениям. В результате поглощения и рассеяния радиации в атмосфере не вся солнечная радиация, поступившая на её верхнюю границу, доходит до поверхности Земли. Радиацию, приходящую к земной поверхности непосредственно от Солнца, называют прямой солнечной радиацией.
Количественной мерой солнечной радиации, поступающей на земную поверхность, служит энергетическая освещённость или поток радиации — количество лучистой энергии, падающей на единичную площадку.
Поток прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность часто называют инсоляцией.
Рассеянная солнечная радиация
Рассеянием солнечной радиации называется частичное преобразование радиации, имеющей определённое распространение, в радиацию, идущую по всем направлениям в оптически неоднородной среде — атмосфере, содержащей мельчащие частицы жидких и твёрдых примесей, где показатель преломления изменяется от точки к точке.
Прямая солнечная радиация в атмосфере ослабляется путём её рассеяния. При этом рассеяние радиации тем больше, чем больше аэрозольных примесей содержит воздух. Около 25 % общего потока солнечной радиации превращается в атмосфере в рассеянную радиацию.
Рассеянная радиация отлична от прямой радиации по спектральному составу. Дело в том, что лучи различных длин волн рассеиваются в разной степени.
Воздух прозрачен в тонком слое, как прозрачна в тонком слое вода. Но в мощном слое атмосферы воздух имеет голубой цвет, подобно тому, как и вода уже в сравнительно малой толще (в несколько метров) имеет зеленоватый или васильковый цвет. Голубой цвет воздуха можно видеть, не только наблюдая небесный свод, но и рассматривая отдалённые предметы, которые кажутся окутанными голубоватой дымкой.
Голубой цвет безоблачного неба обусловлен рассеянием в нём солнечных лучей в молекулах воздуха. С высотой, по мере уменьшения плотности воздуха, т. е. количества рассеивающихся частиц, цвет неба становится темнее и переходит в густо-синий, а в стратосфере — в чёрно-фиолетовый.
Рассеяние меняет окраску прямого солнечного света. Солнечный диск кажется тем желтее, чем он ближе к горизонту, т. е. чем длиннее путь лучей через атмосферу и чем больше рассеяние. У горизонта солнце становится почти красным, особенно когда в воздухе много пыли и мельчайших продуктов конденсации (капель или кристаллов). Рассеяние солнечной радиации в атмосфере обуславливает рассеянный свет в дневное время.
Чем больше в воздухе примесей более крупных размеров по сравнению с молекулами, тем больше доля длинноволновых лучей в спектре солнечной радиации и тем белесоватее становится окраска небесного свода. Отдалённые предметы при тумане, дымке и пыльной мгле заволакиваются не голубой, а белой или серой завесой по причине рассеяния радиации. Облака, на которые падает солнечный свет, кажутся нам белыми по той же причине.
После захода солнца вечером темнота наступает не сразу. Небо, особенно в той части горизонта, где зашло солнце, остаётся ещё некоторое время светлым и посылает к земной поверхности постепенно убывающую рассеянную радиацию. Аналогичную картину мы можем наблюдать утром: небо после ночи начинает светлеть ещё до восхода солнца. Это явление неполной темноты носит название сумерек — вечерних или утренних. Причиной его является освещение солнцем, находящимся под горизонтом, высоких слоёв атмосферы.
Так называемые астрономические сумерки продолжаются вечером до тех пор, пока солнце не зайдёт под горизонт на 18º. К этому моменту становится настолько темно, что различимы слабые звёзды. Утренние сумерки начинаются с момента, когда солнце имеет такое же положение под горизонтом. Первая часть вечерних астрономических сумерек или последняя часть утренних, когда солнце находится под горизонтом не ниже 8º, носит название гражданских сумерек.
Продолжительность гражданских сумерек изменяется в зависимости от широты и времени года. В средних широтах они длятся от полутора до двух часов, в тропиках — меньше, а на экваторе — немногим дольше одного часа.
В высоких широтах летом солнце может опускаться под горизонт очень неглубоко или не опускаться под горизонт вообще. Если солнце опускается под горизонт менее, чем на 18º, то полной темноты не наступает, а вечерние сумерки сливаются с утренними сумерками. Это явление называют белыми ночами.
Сумерки сопровождаются изменениями окраски небесного свода. Эти изменения начинаются ещё до захода или продолжаются после восхода солнца. Они имеют довольно закономерный характер и носят название зари. Характерные цвета зари — пурпурный и жёлтый. Интенсивность и разнообразие цветовых оттенков зари изменяется в широких пределах в зависимости от содержания аэрозольных примесей в атмосфере. Разнообразны и тона освещения облаков в сумерках.
Явления зари объясняются рассеянием света мельчайшими частицами атмосферных аэрозолей и дифракцией света на более крупных частицах.
Поглощение солнечной радиации
Поглощение и рассеяние солнечной радиации в атмосфере несколько ослабляет поток солнечной радиации, проходящий сквозь атмосферу к земной поверхности.
Поглощается в атмосфере сравнительно небольшое количество солнечной радиации. Преимущественно это относится к инфракрасной части спектра. Это поглощение — избирательное, поскольку разные газы атмосферы поглощают радиацию в разных участках спектра и в разной степени.
Азот поглощает радиацию только очень малых длин волн в ультрафиолетовой части спектра. Энергия солнечной радиации в этом участке спектра незначительна, и поэтому поглощение азотом практически не отражается на потоке солнечной радиации. В большей степени, но всё же очень мало, поглощает солнечную радиацию кислород. Более значительным поглотителем солнечной радиации является озон — он сильно поглощает ультрафиолетовую радиацию.
Сильно поглощает радиацию в инфракрасной области спектра углекислый газ.
Основным же поглотителем радиации в атмосфере является водяной пар, сосредоточенный в тропосфере и особенно в нижней её части.
Поглощают солнечную радиацию также облака и атмосферные примеси, т. е. твёрдые частицы, взвешенные в атмосфере.
В целом в атмосфере поглощается 15–20 % радиации, приходящей от Солнца к Земле. В каждом отдельном месте поглощение изменяется с течением времени и в зависимости как от переменного содержания в воздухе поглощающих субстанций, так и от высоты солнца над горизонтом, т. е. от толщины слоя воздуха, проходимого лучами на пути сквозь атмосферу.
Отражение солнечной радиации
Падая на земную поверхность, суммарная радиация в большей своей части поглощается в верхнем тонком слое почвы или воды и переходит в тепло, а частично отражается. Отражение солнечной радиации земной поверхностью зависит от характера этой поверхности.
Отношение количества отраженной солнечной радиации к общему количеству радиации, падающей на данную поверхность, называется альбедо поверхности. Это отношение выражается в процентах.
Альбедо поверхности почвы в общем заключается в пределах 10–30 %, растительного покрова — 10–25 %, снега — от 50 до 80–90 %.
Для верхней поверхности облаков альбедо может составлять от нескольких процентов до 70–80 %.
Альбедо гладкой водной поверхности для прямой радиации изменяется от нескольких процентов при высоком солнце до 70 % при низком расположении солнца. Оно зависит также от волнения. Для рассеянной радиации альбедо водных поверхностей составляет 5–10 %.
Преобладающая часть радиации, отражённой земной поверхностью и верхней поверхностью облаков, уходит за пределы земной атмосферы.