Радиационный режим местности

Основным источником энергии для всех процессов, происходящих на земном шаре, является солнце. Проходя через атмосферу, лучистая энергия солнца (солнечная радиация) частично поглощается разными газами, частично рассеивается атмосферой, примесями и облаками. Вследствие этого к земной поверхности приходит не только прямая солнечная радиация в виде параллельного пучка лучей 5, идущих от солнца, но и рассеянная радиация D — от всех точек небосвода и окружающих предметов. Прямая солнечная радиация, поступающая на горизонтальную поверхность, определяется соотношением

В природе прямая солнечная радиация, падающая на горизонтальную поверхность, и рассеянная радиация в совокупности составляют суммарную радиацию

Не вся поступающая солнечная радиация Q воспринимается земной поверхностью. Часть ее отражается в мировое пространство и называется отраженной радиацией R K, часть поглощается земной поверхностью — поглощенная радиация Вк

Прямая и рассеянная (суммарная), отраженная и поглощенная радиации относятся к коротковолновой части спектра.

Отраженная радиация R K зависит от свойств деятельной поверхности (цвета, увлажненности, шероховатости) и облачности. Значение, характеризующее отражательную способность поверхности, носит название альбедо А к и выражается в процентах:

Например, альбедо поверхности с травяным покровом колеблется от 15 до 25 %, темные поверхности (торфяные болота, чернозем) имеют низкое альбедо (около 1 0 %), альбедо асфальтовых покрытий— от 10 до 30%, мокрого грязного снега 40–45 %, свежевыпавшего снега 85–90 %

Наряду с коротковолновой радиацией к земле поступает длинноволновое излучение атмосферы Еа (встречное излучение). Земная поверхность, в свою очередь, излучает длинноволновую радиацию Ез (собственное излучение). Разность между собственным длинноволновым излучением земной поверхности Ез и излучением атмосферы Еа называется эффективным излучением Еэф или длинноволновым балансом Вд и представляет потерю лучистого тепла земной поверхностью. Встречное излучение обычно меньше собственного, поэтому поток эффективного излучения направлен от земной поверхности.

Разность между всей приходящей к земной поверхности и всей уходящей от нее лучистой энергии определяет значение радиационного баланса земной поверхности В (остаточное излучение)

В зависимости от соотношения приходно-расходных составляющих, знак радиационного баланса бывает положительным (если поверхность земли больше поглощает радиации, чем отдает) и отрицательным (земная поверхность поглощает меньше радиации, чем отдает).

В Новгороде наблюдения над составляющими радиационного баланса не проводились, все характеристики радиационного и светового режима, приведенные ниже, были получены на основе актннометрических наблюдений на ст. Николаевское за период 1955— 1979 гг. Станции Новгород и Николаевское расположены на одной широте на расстоянии 125 км друг от друга, по повторяемости облачности разных градаций между этими станциями была установлена тесная корреляционная связь. Данные о фактической продолжительности солнечного сияния и числе дней без солнца для ст. Новгород, имеющей короткий ряд наблюдений— 1975— 1980 гг., были приведены к периоду 1926— 1980 гг. по ст. Белогорка. Во всех таблицах дается среднее солнечное время. Разница между средним солнечным временем и московским декретным для Новгорода составляет 55 мин.

2.1. Продолжительность солнечного сияния и радиационный баланс подстилающей поверхности

Поступление солнечной радиации к земной поверхности зависит, прежде всего, от астрономических факторов: продолжительности дня и высоты солнца над горизонтом. Продолжительность дня, а вместе с ней и возможная продолжительность солнечного сияния, определяется широтой места и временем года. Для Новгорода продолжнтельность дня и ночи показана на рис. 2

Рис. 2. Продолжительность дня и ночи в Новгороде на 15-е число.
Продолжительность т (ч) солнечного сияния и число дней п без солнца

Возможная продолжительность солнечного сияния за год соcвставляет 4511 ч, фактическая— 1695 ч (табл. 1). В табл. 1 приведено также отношение действительно наблюдавшейся продолжительности солнечного сияния к возможной. Возможная продолжительность, фактическая и их отношение в табл. 1 даются для отдельных месяцев и для сезонов в целом. Минимальные значения продолжительности солнечного сияния наблюдаются в декабре (наибольшая вероятность пасмурного неба и короткие дни), максимальные — летом В среднем в году бывает 111 дней без солнца, среднее число их летом равно четырем дням, а зимой возрастает до 57. Самый длинный день (18 ч 2 0 мин) наблюдается 2 2 июня, в день летнего солнцестояния, при высоте солнца над горизонтом 55°. Самый короткий день ( 6 ч 16 мин) — 2 2 декабря, в день зимнего солнцестояния, при этом полуденная высота солнца достигает лишь 8 . Годовой ход высоты солнца в актинометрические сроки представлен в табл. 2 .

Высота (числитель) и азимут (знаменатель) солнца на 15-е число каждого месяца ( . . . ° )
Время (ч мин) начала и конца облучения прямой солнечной радиацией южных стен зданий для безоблачного неба и время восхода и захода солнца на 15-е число месяца

Правильное расположение зданий в городе способствует наиболее рациональному облучению помещений солнечными лучами, выбору оптимальных размеров оконных проемов и размещению лоджий. Возможная продолжительность солнечного сияния для стен разной ориентации в Новгороде дана в табл. 3. Для южных стен зданий в табл. 4 дополнительно приведено время начала и конца облучения.

Приход радиации на наклонные и вертикальные поверхности определяется не только факторами, характерными для горизонтальной поверхности (высота солнца, продолжительность дня, облачность, прозрачность атмосферы), но и положением солнца на небосклоне, т. е. его азимутом (табл. 2 ). Методика расчета поступления солнечной радиации на различно ориентированные поверхности дана в работе 3. И. Пивоваровой [22].

Время (ч мин) начала и конца облучения прямой солнечной радиацией южных стен зданий для безоблачного неба и время восхода и захода солнца на 15-е число месяца

Время начала и конца облучения южных стен в Новгороде зимой и осенью совпадает с восходом и заходом солнца. В летний период время начала облучения южных стен совпадает с концом облучения северных стен. Наибольшая продолжительность облучения южных стен 11 ч 44 мин наблюдается в марте и сентябре. Для стен других ориентаций наибольшая продолжительность облучения отмечается в июне. Время облучения северных стен в июне 8 ч 23 мин, а к сентябрю оно сокращается до 1 ч 9 мин, зимой эти стены совсем не облучаются солнцем. Восточные и западные стены получают приблизительно одинаковое количество ) солнечной радиации. Восточная стена облучается с восхода солнца до полудня, западная — с полудня до захода солнца.

За год в районе Новгорода, при наличии безоблачного неба, могло бы поступать 5370 МДж/м суммарной солнечной радиации, из них 4093 М Дж/м2 — прямой солнечной радиации. Значительная облачность, однако, снижает средние годовые значения суммарной солнечной радиации до 3282 МДж/м2, а_прямой солнечной радиации до 1589 МДж/м- (табл. 5). Таким образом, облачность уменьшает количество суммарной радиации в среднем на 40% и прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность н а 60%.

Около 52 % общего прихода радиации за год составляет рассеянная радиация. Ее доля в суммарной радиации увеличивается от лета к. зиме, а в декабре суммарная радиация состоит,в основном из рассеянной радиации что хорошо видно в таблице б. При большой высоте солнца и безоблачном небе в околополуденные часы вклад рассеянной радиации о суммарную уменьшается до 1 0 −15 % .

Средние месячные и годовые сум м ы солнечной радиации (М Д ж /м 2) и среднее альбедо (% )
Вклад (% ) прямой и рассеянной радиации в суммарную

В годовом ходе максимум суммарной радиации (612 М Дж/м2) приходится на июнь, минимум (19 М Дж/м2) — на декабрь. Почти половина всей годовой суммы (1607 М Дж/м2) поступает летом, зимой приход суммарной радиации равен 146 М Дж/м2 или приблизительно 4 % годовой суммы. Для прямой солнечной радиации, так же как и для суммарной, максимум (335 МДж/м2) наблюдается в зоне, минимальные значения (4–8 МДж/м2) — в ноябре—декабре). Однако в отдельные годы, в зависимости от условий облачности и прозрачности атмосферы, соотношения прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность и рассеянной в общем приходе суммарной радиации могут значительно отличаться от средних значений.

Количество поглощенной земной поверхностью радиации, определяемое как разность между суммарной и отраженной радиацией, существенно зависит от альбедо подстилающей поверхности. За год поверхностью отражается в среднем около 30 % приходящей радиации. Зимой, в период со снежным покровом, отражается 65–75 %, а летом — до 22 % (см. табл. 5). Годовая сумма поглощенной радиации составляет в среднем 2300 М Дж/м2, а ее средние месячные максимальное и минимальное значения приходятся на июнь и декабрь—январь соответственно.

Радиационный баланс (остаточная радиация) подстилающей поверхности в районе Новгорода с марта по ноябрь имеет положительные значения. В это время поверхность земли получает больше тепла, чем отдает. Годовая сумма радиационного баланса равна 1310 М Дж/м2 (см. табл. 5), что составляет 40 % годового прихода суммарной радиации, его максимум (335 МДж/м2) приходится на июнь, минимум (—36 МДж/м2) — на декабрь—январь. С ноября по март баланс отрицателен, в это время земля, охлаждаясь, забирает тепло из воздуха.

В декабре—феврале в суточном ходе радиационный баланс всегда отрицателен ночыо, а при устойчивом снежном покрове может быть отрицательным и днем — это зависит от облачности, температуры воздуха и почвы. В остальные месяцы года днем баланс положителен .и его значение определяется суммарной радиацией. В суточном ходе от отрицательных к положительным значениям баланс переходит после восхода солнца при его высоте около 7°, а от положительных к отрицательным — перед заходом при высоте солнца 9— 10°. Максимальные его значения наблюдаются в мае—июле в околополуденные часы.

Широкое применение в сельском хозяйстве, особенно в отраслях, связанных с растениеводством, получила фотосинтетически активная радиация (ФАР). Это световая часть спектра в диапазоне длин волн 0,38–0,71 мкм. ФАР обеспечивает фотосинтез растений, накопление органического вещества, стимулирует рост и влияние на урожайность в целом

Для практического использования с достаточной степенью точности ФАР можно получать как половину суммарной радиации или рассчитывать по формулам

Суммарная фотосннтетически активная радиация (МДж /м2)

Для Новгорода средние месячные и декадные суммы ФАР, рассчитанные за период 1966— 1979 гг. по данным актинометрических наблюдений ст. Николаевское, представлены в табл. 7. Наибольшие суммы ФАР (1100 М Дж/м2) наблюдаются в вегетационный период (при средних суточных температурах больше 10 °С). Месячные суммы ФАР в этот период близки к значениям радиационного баланса Использование значений радиационного баланса в сочетании с разными агрометеорологическими и почвенными показателями поможет программировать урожайность сельскохозяйственных культур, что особенно важно для закрытых грунтов.

2.2. Естественная освещенность

Освещенность любой поверхности определяется положением солнца на небосводе, облачностью, прозрачностью атмосферы и альбедо подстилающей поверхности. За единицу освещенности принимают люкс (лк), равный световому потоку на плоскости в 1 м2, удаленной от источника света на 1 м и расположенной нормально к лучам. Естественная суммарная освещенность EQ при наличии солнца складывается из освещенности прямыми солнечными лучами Es и освещенности рассеянным светом Ed- При пасмурном небе суммарная освещенность определяется только освещенностью рассеянным светом

Регулярных наблюдений за освещенностью в Новгороде нет, а информация о световом режиме здесь получена путем пересчета данных актннометрнческих наблюдений ст. Николаевское с помощью световых эквивалентов [3].

Сведения о естественной освещенности имеют широкое применение в строительной технике, гигиене труда, аэрофотосъемках, промышленности и при планировании расходов электроэнергии.

Чаще всего в практической деятельности используется суммарная освещенность. Ее интенсивность в зависимости от времени суток, года или условий погоды меняется в широких пределах. На рис. 3 приведены осредненные значения суммарной и рассеянной освещенности в полдень. Из этого рисунка видно, что суммарная освещенность летом при ясном небе достигает 84 клк, при сплошной облачности не превышает 23–28 клк, а в декабре-январе уменьшается до 4–5 клк. Доля рассеянной освещенности в суммарной при ясном небе составляет всего 15–20 %. При средних условиях облачности в весенне-летний период доля рассеянной освещенности в средних месячных суммах составляет 45–56 % от суммарной освещенности, что хорошо прослеживается в табл. 8 . Нормы естественной освещенности приведены в работе [3]. Фактическую естественную освещенность в любой момент времени при разных условиях облачности можно определить с помощью таблиц В. В. Шаронова [3].

Рис. 3. Годовой ход естественной суммарной освещенности Eq (клк) при безоблачном небе (1), сплошной облачности (2) и рассеянной освещенности E d (клк) при безоблачном небе (3). Срок 12 ч 30 мин.
Средние месячные сум мы суммарной Eq и рассеянной Ed освещенности горизонтальной поверхности и доля рассеянной освещенности в суммарной для реальных условий облачности

В быту за нижний предел освещенности принимают значение 4–5 клк (сумеречная освещенность), наблюдаемое при высоте солнца около 2° над горизонтом. При уменьшении Eq в дневное время ниже этого предела требуется искусственное освещение.

Промежуток времени между восходом или заходом солнца и моментом, когда глубина его погружения под горизонт достигает 6–7°, считается гражданскими сумерками. Освещенность (при переходе солнца за линию горизонта) падает до 600–620 лк, но еще достаточно светло и работы на открытом воздухе можно выполнять без дополнительного освещения. К концу сумерек освещенность понижается до 1–3 лк и ниже, становится трудно рассматривать мелкие предметы, включается уличное освещение. Для характеристики значений возможной освещенности в период гражданских сумерек в табл. 9 приведены заимствованные из работы [3] осредненные значения освещенности. Время утреннего окончания и вечернего наступления сумеречной освещенности (5 клк) при средних условиях облачности дано в работе Н. П. Русина [27].

Освещенность (лк) горизонтальной поверхности в сумерках при безоблачном и облачном небе

Загрязненность воздуха в больших городах, в том числе и в Новгороде, промышленными выбросами и выхлопными газами автомобилей, большая этажность застройки и различная ориентация зданий приводят к неравномерному распределению солнечной радиации и естественной освещенности внутри городских построек. Особенно заметно это сказывается в осенне-зимний период, когда освещенность в городе (по сравнению с освещенностью в сельской местности) может снижаться на 20–30 %.

Источник

Рейтинг
Ufactor
Добавить комментарий