Океан и атмосфера

На своем пути от верхней границы атмосферы до поверхности Земли солнечная радиация частично поглощается и рассеивается. При этом она не только ослабляется, но изменяется ее спектральный состав. Радиация, приходящая параллельными пучками лучей, называется прямой, рассеивающаяся молекулами атмосферных газов и аэрозолей — рассеянной, отражающаяся от земной поверхности и атмосферы (преимущественно облаков) — отраженной.

Излучение Земли (невидимая инфракрасная радиация) почти полностью поглощается атмосферой. Та часть излучения, которая направлена от Земли вверх, минуя атмосферу, представляет собой уходящее излучение атмосферы.

Потоки лучистой энергии различаются длинами волн. Солнечная радиация — преимущественно коротковолновая. В природе нет таких тел, которые бы полностью поглощали или отражали лучистую энергию. Существуют, однако, понятия абсолютно черного тела, т. е. поглощающего всю падающую на него лучистую энергию, и зеркального тела, целиком отражающего. К первому для коротковолновой радиации близки сажа и пластиковая чернь, ко второму для инфракрасного излучения — снег.

На поток прямой радиации и ее состав примерно в равной степени влияют высота Солнца и прозрачность атмосферы. Прозрачность атмосферы в свою очередь связана с присутствием облаков и тумана и в зависимости от этого может сильно меняться. Чем выше над уровнем моря находится тот или иной пункт, тем больше поток прямой солнечной радиации, так как меньше слой воздуха, который ослабляет солнечные лучи. Плотные облака оказывают очень большое влияние на прямую радиацию, они ее не пропускают.

Если предположить, что в течение дня прозрачность воздуха не меняется, то ход прямой радиации был бы прост — ноль в момент восхода Солнца, затем быстрый, а потом более медленный рост до максимума в полдень и далее плавно (медленно и убыстряясь) уменьшение вновь до нуля при заходе Солнца. Таким образом, существовало бы два симметричных по отношению к полудню потока.

Однако содержание пыли, водяного пара, различных примесей в атмосфере меняется постоянно, нарушая эту схематическую симметрию. Да и после полудня усиливаются восходящие потоки воздуха, вместе с которыми поднимаются пыль и водяной пар, — и, следовательно, уменьшается прямая радиация. Это приводит к тому, что максимальное ее значение приходится не на полдень, а уже на 10 часов утра.

Высота Солнца и продолжительность дня, изменяющаяся также на протяжении года, влияет на ход суточной радиации. Имеет значение и то, приходит ли прямая радиация на горизонтальную или перпендикулярную поверхность, поскольку при этом различен угол падения лучей. Приход прямой радиации на горизонтальную поверхность меньше, чем на перпендикулярную лучам. Приход солнечной радиации на поверхность любой ориентации относительно стран света и любого наклона зависит от угла падения, заключенного между направлением луча и нормалью к поверхности. В свою очередь угол падения обусловлен как положением Солнца, так и данной поверхности. Из-за того, что солнечные лучи падают на поверхность под различными углами, любые ее неровности нагреваются по-разному.

Суточный ход прямой радиации связан также с географической широтой места — в низких широтах максимум выражен значительно отчетливее, чем в высоких. Это объясняется тем, что ближе к полюсам высота Солнца в течение дня меняется меньше. На самих же полюсах по этой причине суточного хода прямой радиации не существует. Амплитуда годового хода прямой радиации отчетливо выражена на полюсах, а на экваторе она наименьшая. В средних широтах максимум приходится на весенние месяцы (апрель и май), минимум годового хода полуденной радиации — на декабрь.

Если руководствоваться одним только положением высоты Солнца, то максимумы и минимумы должны были бы здесь приходиться на момент летнего и зимнего солнцестояния. Фактический сдвиг максимума к весне объясняется увеличением в воздухе пыли и водяного пара, из-за чего заметно уменьшается прозрачность атмосферы.

Во многих случаях практической деятельности человека важно иметь представление о суммах прямой радиации, получаемых Землей за различные интервалы времени. Эту сумму принято подразделять на три вида: теоретическую, возможную и действительную. К первому виду относится количество солнечной радиации, приходящей за определенный промежуток времени на 1 см² поверхности. Возможной суммой называют количество лучистой энергии, которая поступила бы на единичную горизонтальную площадку поверхности Земли в данном месте при средней прозрачности атмосферы и отсутствии облачности.

Фактическое количество прямой радиации, приходящей на 1 см² земной поверхности за определенное время, есть действительная сумма прямой радиации, которую получают путем обработки записей соответствующего прибора, т. е. в основе здесь лежит непосредственное наблюдение. Действительная сумма характеризует режим облачности данного пункта.

Значения сумм прямой радиации трех перечисленных видов сильно разнятся между собой в одном и том же пункте в различное время года, заметно уменьшаясь от одного вида к другому. Последнее происходит потому, что атмосфера играет очень большую роль в ослаблении солнечной радиации. Известно, что даже в ясные дни на Землю попадают только 60 % солнечной энергии, приходящейся на верхнюю границу атмосферы. Действительные суммы прямой радиации незначительно увеличиваются весной и летом от высоких широт к низким. Исключение составляют заполярные широты, где суммы заметно уменьшаются.

Осенью и зимой суммы значительно убывают с увеличением широты, что сказывается и на сильном уменьшении сумм за год. Сумма прямой и рассеянной радиации представляет собой суммарную радиацию, причем соотношение той и другой зависит от высоты Солнца, прозрачности атмосферы и облачности. До восхода Солнца и при малой его высоте полностью или преимущественно царит рассеянная радиация. Чем выше поднимается Солнце над небосклоном, тем меньше доля рассеянной радиации — при безоблачном небе она падает до 5—10 %. В прозрачной атмосфере также заметно убывает доля рассеянной радиации. Количество, высота и форма облаков в разной степени влияют на долю рассеянной радиации в общей суммарной. Когда Солнце плотно закрыто облаками, вся сумма радиации состоит только из рассеянной. В целом суммарная радиация в суточном и годовом аспекте зависит главным образом от высоты Солнца — пропорциональна ей. Существенна также географическая широта места — годовые суммы увеличиваются с уменьшением широты. В отдельные месяцы этот ход нарушается, и в полярных районах суммарная радиация может быть большей, чем в более низких широтах. Например, в бухте Тихой в июне суммарная радиация на 37 % больше, чем в Павловске, и на 5 % больше, чем в Феодосии.

В Антарктиде, по данным последних лет, суммарная радиация в декабре (самое теплое время) равна соответствующим суммам в Крыму и Ташкенте. Оказалось, что в среднем за год величины суммарной радиации в Антарктиде выше, чем в Ленинграде. Это объясняется особыми условиями Антарктиды — сухостью воздуха, значительной высотой над уровнем моря (поглощение в атмосфере соответственно меньше) и большой отражательной способностью снежной поверхности, равной 70–90 %, благодаря чему увеличивается рассеянная радиация. Значительную часть приходящего от Солнца тепла Антарктида теряет.

Часть радиации поглощается, а часть отражается. Соотношение этих частей меняется в течение суток, так как одна и та же поверхность отражает неодинаково, в зависимости от высоты Солнца. При преобладании в сумме радиации рассеянной (т. е. при малой высоте Солнца утром и вечером) шероховатая поверхность отражает сильнее, чем гладкая. Попадая на водную поверхность, солнечные лучи проникают в глубь прозрачных вод, рассеиваются в них больше, чем в почве, и, следовательно, отражаются меньше. Небольшая часть света, рассеянного внутри верхнего слоя воды, распространяется вновь вверх и складывается с отраженным от поверхности потоком. В частности, от этого зависит голубой цвет моря. Имеет значение и мутность самих вод.