Солнечная радиация: виды и влияние на организм. §21

Коротковолновое излучение Солнца

Ультрафиолетовое и рентгеновское излучения исходят исходят в основном от верхних слоев хромосферы и короны. Это установили, запуская ракеты с приборами во время солнечных затмений. Очень горячая солнечная атмосфера всегда испускает невидимое коротковолновое излучение, но особенно мощным оно бывает в годы максимума солнечной активности. В это время ультрафиолетовое излучение возрастает примерно в два раза, а рентгеновское – в десятки и сотни раз по сравнению с излучением в годы минимума. Интенсивность коротковолнового излучения изменяется изо дня в день, резко возрастая, когда на происходят вспышки.

Ультрафиолетовое и рентгеновское излучения частично ионизуют слои земной атмосферы, образуя на высотах 200 – 500 км от поверхности Земли ионосферу. Ионосфера играет важную роль в осуществлении дальней радиосвязи: радиоволны, идущие от радиопередатчика, прежде чем достичь антенны приемника, многократно отражаются от ионосферы и поверхности Земли. Состояние ионосферы меняется в зависимости от условий освещения ее Солнцем и от происходящих на нем явлений. Поэтому для обеспечения устойчивой радиосвязи приходится учитывать время суток, время года и состояние солнечной активности. После наиболее мощных вспышек на Солнце число ионизованных атомов в ионосфере возрастает и радиоволны частично или полностью поглощаются ею. Это приводит к ухудшению и даже к временному прекращению радиосвязи.

Особое влияние ученые уделяют исследованию озонового слоя в земной атмосфере. Озон образуется в результате фотохимических реакций (поглощение света молекулами кислорода) в стратосфере, и там сосредоточена его основная масса. Всего в земной атмосфере примерно 3 10 9 т озона. Это очень мало: толщина слоя чистого озона у поверхности Земли не превысила бы и 3 мм! Но роль озонового слоя, простирающегося на высоте нескольких десятков километров над поверхностью Земли, исключительно велика, потому что он защищает все живое от воздействия опасного коротковолнового (и прежде всего ультрафиолетового) излучения Солнца. Содержание озона непостоянно на разных широтах и в разные времена года. Оно может уменьшаться (иногда очень значительно) в результате различных процессов. Этому могут способствовать, например, выбросы в атмосферу большого количества разрушающих озон хлорсодержащих веществ промышленного происхождения или аэрозольные выбросы, а также выбросы, сопровождающие извержения вулканов. Области резкого снижения уровня озона (“озоновые дыры”) обнаруживались над разными регионами нашей планеты, причем не только над Антарктидой и рядом других территорий Южного полушария Земли, но и над Северным. В 1992 г. стали появляться тревожные сообщения о временном истощении озонового слоя над севером европейской части России и уменьшении содержания озона над Москвой и Санкт-Петербургом. Ученые, осознавая глобальный характер проблемы, организуют в масштабах всей планеты экологические исследования, включающие прежде всего глобальную систему непрерывного наблюдения за состоянием озонового слоя. Разработаны и подписаны международные соглашения по охране озонового слоя и ограничению производства озоноразрушающих веществ.

Радиоизлучение Солнца

Систематическое исследование радиоизлучения Солнца началось только после второй мировой войны, когда обнаружилось, что Солнце – мощный источник радиоизлучения. В межпланетное пространство проникают радиоволны, которые излучают хромосфера (сантиметровые волны) и корона (дециметровые и метровые волны). Это радиоизлучение и достигает Земли. Радиоизлучение Солнца имеет две составляющие – постоянную, почти не меняющуюся по интенсивности, и переменную (всплески, “шумовые бури”).

Радиоизлучение спокойного Солнца объясняется тем, что горячая солнечная плазма всегда излучает радиоволны наряду с электромагнитными колебаниями других длин волн (тепловое радиоизлучение). Во время больших вспышек радиоизлучение Солнца возрастает в тысячи и даже в миллионы раз по сравнению с радиоизлучением спокойного Солнца. Это радиоизлучение, порожденное быстропротекающими нестационарными процессами, имеет нетепловую природу.

Корпускулярное излучение Солнца

Ряд геофизических явлений (магнитные бури, т.е. кратковременные изменения магнитного поля Земли, полярные сияния и др.) тоже связан с солнечной активностью. Но эти явления происходят через сутки после вспышек на Солнце. Вызываются они не электромагнитным излучением, доходящим до Земли через 8,3 мин, а корпускулами (протонами и электронами, образующими разреженную плазму), которые с опозданием (на 1-2 сут) проникают в околоземное пространство, поскольку движутся со скоростями 400 – 1000 км/c.

Корпускулы испускаются Солнцем и тогда, когда на нем нет вспышек и пятен. Солнечная корона – источник постоянного истечения плазмы (солнечного ветра), которое происходит во всех направлениях. Солнечный ветер, создаваемый непрерывно расширяющейся короной, охватывает движущиеся вблизи Солнца планеты и . Вспышки сопровождаются “порывами” солнечного ветра. Эксперименты на межпланетных станциях и искусственных спутниках Земли позволили непосредственно обнаружить солнечный ветер в межпланетном пространстве. Во время вспышек и при спокойном истечении солнечного ветра в межпланетное пространство проникают не только корпускулы, но и связанное с движущейся плазмой магнитное поле.

Земля получает от Солнца 1,36*10в24 кал тепла в год. По сравнению с этим количеством энергии остальной приход лучистой энергии на поверхность Земли ничтожно мал. Так, лучистая энергия звезд составляет одну стомиллионную долю солнечной энергии, космическое излучение - две миллиардные доли, внутреннее тепло Земли у ее поверхности равно одной пятитысячной доли солнечного тепла.
Излучение Солнца - солнечная радиация - является основным источником энергии почти всех процессов, происходящих в атмосфере, гидросфере и в верхних слоях литосферы.
За единицу измерения интенсивности солнечной радиации принимают количество калорий тепла, поглощенное 1 см2 абсолютно черной поверхности, перпендикулярной направлению солнечных лучей, за 1 минуту (кал/см2*мин).

Поток лучистой энергии Солнца, достигающий земной атмосферы, отличается большим постоянством. Его интенсивность называют солнечной постоянной (Io) и принимают в среднем равной 1,88 ккал/см2 мин.
Величина солнечной постоянной колеблется в зависимости от расстояния Земли от Солнца и от солнечной активности. Колебания ее в течение года составляют 3,4-3,5%.
Если бы солнечные лучи всюду падали на земную поверхность отвесно, то при отсутствии атмосферы и при солнечной постоянной 1,88 кал/см2*мин каждый квадратный сантиметр ее получал бы в год 1000 ккал. Благодаря тому что Земля шарообразна, это количество уменьшается в 4 раза, и 1 кв. см получает в среднем 250 ккал в год.
Количество солнечной радиации, получаемое поверхностью, зависит от угла падения лучей.
Максимальное количество радиации получает поверхность, перпендикулярная направлению солнечных лучей, потому что в этом случае вся энергия распределяется на площадку с сечением, равным сечению пучка лучей - а. При наклонном падении того же пучка лучей энергия распределяется на большую площадь (сечение в) и единица поверхности получает меньшее ее количество. Чем меньше угол падения лучей, тем меньше интенсивность солнечной радиации.
Зависимость интенсивности солнечной радиации от угла падения лучей выражается формулой:

I1 = I0 * sin h,

R = Q*(1-α) - I,

Солнечную радиацию, в состав которой входят длины электромагнитных волн менее 4 мкм1 , в метеорологии принято называть коротковолновой. В солнечном спектре различают ультрафиолетовую (< 400 нм), видимую (= 400…760 нм) и инфракрасную (> 760 нм) части.

Солнечная радиация, поступающая непосредственно от солнечного диска, называется прямой солнечной радиацией S. Обычно она характеризуется интенсивностью, т. е. количеством лучистой энергии в калориях, проходящей в 1 минуту через 1 см2 площади, расположенной перпендикулярно к солнечным лучам.

Интенсивность прямой солнечной радиации, поступающей на верхнюю границу земной атмосферы, называют солнечной постоянной S 0 . Она составляет примерно 2 кал/см2 мин. У земной поверхности прямая солнечная радиация всегда значительно меньше этой величины, так как, проходя через атмосферу, ее солнечная энергия ослабляется вследствие поглощения и рассеяния молекулами воздуха и взвешенными частичками (пылинками, капельками, кристалликами). Ослабление прямой солнечной радиации атмосферой характеризуется или коэффициентом ослабленияа, или коэффициентом прозрачностир.

Для расчета прямой солнечной радиации, приходящейся на перпендикулярную поверхность, обычно применяют формулу Буге:

где S m – прямая солнечная радиация, кал см-2 мин-1 , при данной массе атмосферы;S 0 солнечная постоянная;р т коэффициент прозрачности при данной массе атмосферы;т масса атмосферы на пути солнечных

са находится не по формуле, а по таблице Бемпорада . Из формулы (3.1) следует, что

1 1 мкм = 10-3 нм = 10-6 м. Микрометры еще называют микронами, а нанометры – миллимикронами. 1 нм = 10-9 м.

где h высота солнца над горизонтом.

Радиация, поступающая на земную поверхность от всех точек небесного свода, называется рассеянной D. Сумма прямой и рассеянной солнечной радиации, приходящей на горизонтальную земную поверхность, представляет собой суммарную солнечную радиациюQ :

Q = S" + D.(3.4)

Суммарная радиация, дошедшая до земной поверхности, частично отражаясь от нее, создает отраженную радиацию R, направленную от земной поверхности в атмосферу. Остальная часть cyммарной солнечной радиации поглощается земной поверхностью. Отношение отраженной от земной поверхности радиации к пocтупающей суммарной радиации называется альбедоА.

Величина A R характеризует отражательную способность зем-

ной поверхности. Она выражается в долях единицы или процентах. Разность между суммарной и отраженной радиацией называется поглощенной радиацией, или балансом коротковолновой радиации земной поверхности В к :

Поверхность земли и земная атмосфера, как и все тела, имеющие температуру выше абсолютного нуля, также излучают радиацию, которую условно называют длинноволновой. Ее длины волн - примерно от

4 до 100 мкм.

Собственное излучение земной поверхности, по закону Cтефана - Больцмана, пропорционально четвертой степени ее абсолютной темпе-

где = 0,814 10-10 кал/см2 мин град4 постоянная Стефана-Больцмана;относительная излучательная способность деятельной поверхности: для большей части естественных поверхностей 0,95.

Излучение атмосферы направлено как к Земле, так и в мировое пространство. Часть длинноволнового атмосферного излучения, направленная вниз и поступающая к земной поверхности, называется встречным излучением атмосферы и обозначается Е а .

Разность между собственным излучением земной поверхности Е з и встречным излучением атмосферыЕ а называется эффективным излуче-

Величина Е эф , взятая с обратным знаком, составляет баланс длинноволновой радиации на земной поверхностиВ д .

Разность между всей приходящей и всей уходящей радиацией назы-

3.1. Приборы для измерения радиационного баланса

и его составляющих

Для измерения интенсивности лучистой энергии применяются актинометрические приборы различной конструкции. Приборы бывают абсолютные и относительные. По абсолютным приборам показания получают сразу в тепловых единицах, а по относительным - в относительных, поэтому для таких приборов необходимо знать переводные множители для перехода к тепловым единицам.

Абсолютные приборы по устройству и обращению довольно сложны и не имеют массового распространения. Применяются они преимущественно для поверки относительных приборов. В конструкции относительных приборов чаще всего используется термоэлектрический метод, который основан на зависимости силы термотока от разности температур спаев.

Приемником термоэлектрических приборов служат термобатареи из спаев двух металлов (рис. 3.1). Разность температур спаев создается в результате различной поглотительной способности спаев или

ванометром 3. Во втором случае разность температур спаев достигается путем затенения одних (спай3) и облучения других (спай2) солнечной радиацией. Так как разность температур спаев обусловливается приходящей солнечной радиацией, то интенсивность ее будет пропорциональна силе термоэлектрического тока:

где N отклонение стрелки гальванометра;а переводный множитель, кал/см2 мин.

Таким образом, для выражения интенсивности радиации в тепловых единицах необходимо показания гальванометра умножить на переводный множитель.

Переводный множитель для пары термоэлектрический прибор – гальванометр определяют путем сравнения с контрольным прибором или рассчитывают по электрическим характеристикам, содержащимся в сертификатах гальванометра и актинометрического прибора, с точностью до 0,0001 кал/см2 мин по формуле

где а переводный множитель; цена деления шкалы гальванометра, мА;k чувствительность термоэлектрического прибора, милливольт на 1 кал/см2 мин;R б сопротивление термобатареи, Ом;R r внутреннее сопротивление гальванометра, Ом;R доб добавочное сопротивление гальванометра, Ом.

Термоэлектрический актинометр АТ-50 служит для измерения прямой солнечной радиации.

Устройство актинометра. Приемником актинометра является диск1 из серебряной фольги (рис. 3.2). Со стороны, обращенной к солнцу, диск зачернен, а с другой стороны к нему подклеены через изоляционную бумажную прокладку внутренние спаи2 термозвездочки из манганина и константана, состоящей из 36 термоэлементов (на схеме показаны только семь термо-элементов). Внешние спаи3 термозвездочки через изоляционную бумажную про-

Рис. 3.2. Схема термозвез-

кладку 5 подклеены к медному диску4. По-

дочки актинометра следний помещается в массивном медном корпусе со скобами, к которым присоединены

выводы термобатареи и мягкие провода 6 (рис. 3.3).

Корпус со скобами закрыт кожухом 7 , закрепленным гайкой8, и соединен винтом10 с мерной трубкой9. Внутри трубки имеется пять диафрагм, расположенных в порядке уменьшения их диаметра от 20 до 10 мм по направлению к корпусу. Диафрагмы удерживаются плоской и пружинящей шайбами, установленными между корпусом и наименьшей диафрагмой. С внутренней стороны диафрагмы зачернены.

На концах трубки расположены кольца 12 и13 для нацеливания актинометра на солнце. На кольце13 есть отверстие, а на кольце12 точка. При правильной установке пучок света, проходящий через отверстие, должен точно попадать в точку кольца12 . Трубка закрывается съемной крышкой11 , которая служит для определения нулевого положения гальванометра и защищает приемник от загрязнения.

Трубка 9 соединяется со стойкой14, укрепленной на плато16 параллактическим штативом17. Для установки оси штатива соответственно широте места служит шкала18 с делениями, риска19 и винт20.

Установка. Вначале ось штатива устанавливают по широте места наблюдений. Для этого, ослабив винт20, поворачивают ось штатива до совпадения деления шкалы18, соответствующего

данной широте, с риской 19 иРис. 3.3.Термоэлектрический закрепляют ось в этом положе-

актинометр АТ-50

нии. Затем актинометр устанавливают на горизонтальной подставке так, чтобы стрелка на плато была ориентирована на север, и, сняв крышку, ориентируют его на солнце путем ослабления винта 23 и вращения рукоятки22; трубку9 поворачивают до тех пор, пока пучок света через отверстие на кольце13 попадает на точку кольца12. После этого провода актинометра при открытой крышке11 присоединяют к клеммам гальванометра (+) и (С), соблюдая полярность. Если стрелка гальванометра отклоняется за нуль, провода меняют местами.

Наблюдения. За 1 минуту до начала наблюдения проверяют установку приемника актинометра на солнце. После этого крышку закрывают и по гальванометру делают отсчет нулевого положенияN 0 . Затем снимают крышку, проверяют точность нацеливания на солнце и 3 раза отсчитывают показания гальванометра с интервалом в 10-15 с (N 1 , N 2 , N 3 ) и температуру по гальванометру. После наблюдений прибор закрывают крышкой футляра.

Обработка наблюдений. Из трех отсчетов по гальванометру находят среднее значениеN c с точностью до 0,1:

N с N 1N 2N 3. 3

Для получения исправленного отсчета N к среднему значениюN вводят шкаловую поправкуN , поправку на температуруN t из поверочного свидетельства гальванометра и вычитают положение места нуляN 0 :

N N Nt N0 .

Для выражения интенсивности солнечной радиации S в кал/см2 мин показания гальванометраN умножают на переводный множительа:

Интенсивность прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность вычисляют по формуле (3.3).

Высоту солнца над горизонтом h и sinh можно определить по уравнению

sin h = sin sin+ cos cos cos,

где широта места наблюдений; склонение солнца для данного дня (приложение 9); часовой угол солнца, отсчитываемый от момента истинного полдня. Определяется он по истинному времени середины наблюдений: t ист = 15(t ист 12ч ).

Термоэлектрический пиранометр П-3х3 применяется для измерения рассеянной и суммарной солнечной радиации.

Устройство пиранометра (рис. 3.4).

Приемной частью пиранометра является термоэлектрическая батарея 1 , состоящая из 87 термоэлементов из манганина и константана. Полоски манганина и константана длиной 10 мм последовательно спаяны между собой и уложены в квадрате 3x3 см так, что спаи располагаются в середине и на поворотах. С внешней стороны поверхность термобатареи покрыта сажей и магнезией. Четные спаи термобатареи окрашены в белый цвет, а нечетные

– в черный. Спаи располагаются так, что

черные и белые участки чередуются в

Рис. 3.4. Термоэлектрический пиранометр П-3х3

шахматном порядке. Через изоляционную бумажную прокладку термобатарея прикреплена к ребрам плитки 2 , привинченной к корпусу3.

Вследствие различного поглощения солнечной радиации создается разность температур черных и белых спаев, поэтому в цепи возникает термоток. Выводы из термобатареи подведены к клеммам 4, к которым присоединяются провода, соединяющие пиранометр с гальванометром.

Сверху корпус закрыт стеклянным полусферическим колпаком 5 для защиты термобатареи от ветра и осадков. Для предохранения термобатареи и стеклянного колпака от возможной конденсации водяного пара на нижней части корпуса имеется стеклянная сушилка6 с химическим поглотителем влаги (металлический натрий, силикагель и др.).

Корпус с термобатареей и стеклянным колпаком составляет головку пиранометра, которая привинчена к стойке 7, зажатой в треноге8 винтом9. Тренога укреплена на основании футляра и имеет два установочных винта10 . При измерении рассеянной или суммарной радиации пиранометр вращением винтов10 устанавливают горизонтально по уровню11 .

Для затенения головки пиранометра от прямых солнечных лучей служит теневой экран, диаметр которого равен диаметру стеклянного колпака. Теневой экран укреплен на трубке 14, которая винтом13 соединена с горизонтальным стержнем12.

При затенении приемника пиранометра теневым экраном измеряется рассеянная, а без затенения - суммарная радиация.

Для определения нулевого положения стрелки гальванометра, а также для защиты стеклянного колпака от повреждения головку пиранометра закрывают металлической крышкой 16.

Установка. Прибор устанавливают на открытой площадке. Перед наблюдением проверяют наличие осушителя в стеклянной сушилке (1/3 сушилки должна быть заполнена осушителем). Затем трубку14 с теневым экраном15 присоединяют к стержню12 с помощью винта13.

К солнцу пиранометр поворачивают всегда одной и той же стороной, отмеченной номером на головке. Для поворота головки пиранометра номером к солнцу винт 9 слегка ослабляют и в таком положении закрепляют.

Горизонтальность термобатареи проверяют на уровне 11 и в случае нарушения ее регулируют установочными винтами10.

Гальванометр для измерения силы термотока устанавливают с северной стороны от пиранометра на таком расстоянии, чтобы наблюдатель при отсчетах не затенял пиранометр не только от прямых солнеч-

ных лучей, но и от участков неба. Правильность подключения пиранометра к гальванометру проверяют при снятой крышке пиранометра и освобожденном арретире гальванометра. При отклонении стрелки за нуль шкалы провода меняют местами.

Наблюдения. Непосредственно перед наблюдением проверяют правильность установки прибора по уровню и относительно солнца. Для отсчета нулевого положения гальванометра головку пиранометра закрывают крышкой16 и записывают показания гальванометраN 0 . После этого крышку пиранометра снимают и делают серию отсчетов с интервалом 10-15 с.

Вначале отсчитывают показания гальванометра при затененном пиранометре для определения рассеянной радиации N 1 , N 2 , N 3 , потом - при незатененном положении (теневой экран опускается ослаблением винта13 ) для определения суммарной радиацииN 4 ,N 5 , N 6 . После наблюдений трубку с теневым экраном отвинчивают и пиранометр закрывают крышкой футляра.

Обработка наблюдений. Из серий отсчетов по гальванометру для каждого вида радиации определяют средние значенияN D иN Q :

Затем получают исправленные значения N D иN Q . С этой целью по средним значениям определяют шкаловые поправкиN D иN Q из поверочного свидетельства гальванометра и вычитают пулевое показание гальванометра:

ND ND N N0 , NQ NQ N N0 .

Для определения интенсивности рассеянной радиации D в кал/см2 мин необходимо показания гальванометраN D умножить на переводный множительа:

Для определения суммарной радиации Q в кал/см2 мин вводится еще поправочный множитель на высоту солнцаF h . Этот поправочный множитель дается в поверочном свидетельстве в форме графика: по оси абсцисс нанесена высота солнца над горизонтом, а по оси ординат - поправочный множитель.

С учетом поправочного множителя на высоту солнца суммарная радиация определяется по формуле

Q = a (NQ ND )Fh + ND .

При наблюдениях по пиранометру может быть вычислена и интенсивность прямой радиации на горизонтальную поверхность как разность суммарной и рассеянной радиации:

Походный термоэлектрический альбедометр АП-3х3 предназна-

чен для измерения в походных условиях суммарной, рассеянной и отраженной радиации. На практике он применяется главным образом для измерения альбедо деятельной поверхности.

Устройство альбедометра. Приемником альбедометра (рис. 3.5) служит головка пиранометра1 , привинченная на втулке2 к трубке3 с карданным подвесом4 и рукояткой5. Поворотом рукоятки на 180° приемник может быть обращен вверх для измерения приходящей коротковолновой радиации и вниз для измерения отраженной коротковолновой радиации. Чтобы трубка была в отвесном положении, внутри нее на стержне скользит специальный груз, который при поворотах прибора всегда передвигается вниз. Для смягчения ударов при повороте прибора на концах трубки подложены резиновые прокладки6.

В разобранном виде прибор крепится на основании металлического футляра.

(С) при открытом приемнике и освобожденном арретире гальванометра. Если стрелка гальванометра уходит за нуль, провода меняют местами.

Во время наблюдений на постоянном участке приемник альбедометра устанавливают на высоте 1-1,5 м над деятельной поверхностью, а на сельскохозяйственных полях - на расстоянии 0,5 м от верхнего уровня растительного покрова. При измерении суммарной и рассеянной радиации головку альбедометра поворачивают номером к солнцу.

Наблюдения. За 3 мин до начала наблюдений отмечают место нуля. Для этого головку альбедометра закрывают крышкой и отсчитывают показания гальванометраN 0 . Затем открывают крышку и производят три отсчета по гальванометру при положении приемника альбедометра вверх для измерения приходящей суммарной радиации:N 1 , N 2 , N 3 . После третьего отсчета приемник поворачивают вниз и через 1 мин производят три отсчета для измерения отраженной радиации:N 4 , N 5 , N 6 . Потом приемник снова поворачивают вверх и через 1 мин делают еще три отсчета для измерения приходящей суммарной радиации:N 7 , N 8 , N 9 . После окончания серии отсчетов приемник закрывают крышкой.

Обработка наблюдений. Сначала вычисляют средние значения отсчетов по гальванометру для каждого вида радиацииN Q иN Rk :

N Q N 1N 2N 3N 7N 8N 9, 6

N Rk N 4N 5N 6. 3

Затем к средним значениям вводят шкаловую поправку из поверочного свидетельства N Q иN Rk , вычитают место нуляN 0 и определяют исправленные значенияN Q иN Rk :

N QN QN N 0 , N RkN RkN N 0 .

Так как альбедо выражается отношением отраженной радиации к суммарной, то переводный множитель сокращается и альбедо вычисляется как отношение исправленных показаний гальванометра при измерении отраженной и суммарной радиации (в процентах):

Альбедометр является наиболее универсальным прибором. При наличии переводного множителя им можно определить суммарную радиацию, рассеянную, отраженную и рассчитать прямую радиацию на горизонтальную поверхность. При наблюдениях за рассеянной радиацией необходимо применять теневой экран для защиты приемника от прямых солнечных лучей.

Балансомер термоэлектрический М-10 применяется для измере-

ния радиационного баланса подстилающей поверхности, или остаточной радиации, которая представляет собой алгебраическую сумму всех видов радиации, поступающих и теряемых этой поверхностью. Приходная часть радиации состоит из прямой радиации на горизонтальную поверхность S" , рассеянной радиацииD и излучения атмосферыE а . Расходная часть радиационного баланса, или уходящая радиация, представляет собой отраженную коротковолновую радиациюR K и длинноволновое излучение землиЕ 3 .

Действие балансомера основано на преобразовании потоков радиации в термоэлектродвижущую силу при помощи термобатареи.

Возникающая в термобатарее электродвижущая сила пропорциональна разности температур между верхним и нижним приемниками балансомера. Так как температура приемников зависит от приходящей и уходящей радиации, то и электродвижущая сила будет пропорциональна разности потоков радиации, поступающих сверху и снизу на приемники.

Радиационный баланс В при измерении балансомером выражается уравнением

N показания гальванометра;k поправочный множитель, учитывающий влияние скорости ветра (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Поправочный множитель k (пример)

Показания балансомера, умноженные на поправочный множитель, соответствующий данной скорости ветра, приводятся к показаниям балансомера при штиле.

Устройство балансомера (рис. 3.6). Приемником балансомера служат две зачерненные тонкие медные пластинки1 и2 , имеющие форму квадрата со стороной 48 мм. С внутренней стороны к ним приклеены через бумажные прокладки спаи3, 4 термобатареи. Спаи образованы витками намотанной на медный брусок5 константановой ленты. Каждый виток ленты наполовину посеребрен. Начало и конец серебряного слоя служат термоспаями. Четные спаи подклеены к верхней, а нечет-

ные к нижней пластинке. Вся термобатарея состоит из десяти брусков, на каждый из которых намотано 32-33 витка. Приемник балансомера помещен в корпус6 , имеющий форму диска диаметром 96 мм и толщиной 4 мм. Корпус соединен с рукояткой7 , через которую пропущены выводы8 от термобатареи. Балансомер с помощью шаровых шарнир-

Установка. Прибор прикрепляют панелькой к концу деревянной рейки на высоте 1,5 м от земли. Приемник его устанавливают горизонтально всегда одной и той же приемной стороной вверх, отмеченной на приборе цифрой 1. Выводы из термобатарей подключают к гальванометру.

В большинстве случаев балансомер затеняют экраном от прямой солнечной радиации. Поэтому на одной рейке с балансомером устанавливают актинометр для измерения прямой солнечной радиации. Для учета влияния скорости ветра на уровне балансомера и на небольшом расстоянии от него устанавливают анемометр.

Наблюдения. За 3 мин до начала наблюдения определяют место нуля балансомераN 0 . Производится это при разомкнутой цепи. После этого балансомер подключают к гальванометру так, чтобы стрелка гальванометра отклонялась вправо, и производят три отсчета по балансомеруN 1 , N 2 , N 3 и одновременно три отсчета по анемометру1 , 2 , 3 . Если балансомер установлен с теневым экраном, то после первого и второго отсчетов по балансомеру производят два отсчета по актинометру

Ответ на вопрос, что такое солнечное излучение, так это весь спектр света, выделяемого солнцем. Он включает в себя видимый свет и все другие частоты излучения в электромагнитном спектре. По сравнению со знакомыми источниками энергии на Земле, Солнце излучает огромное количество энергии. Тип излучения, выделяемого солнцем, является продуктом его высокой температуры, который вызван ядерным слиянием внутри ядра Солнца. Солнечное излучение изучается учеными, потому что влияние Солнца, на организм человека и планету в целом, очень огромное.

Только небольшая часть солнечной радиации когда-либо достигает Земли: большинство из них излучается в пустое пространство. Однако фракция, которая действительно достигает Земли, намного больше, чем количество энергии, потребляемой на Земле такими источниками, как ископаемое топливо. Огромное количество энергии, излучаемой солнцем, можно объяснить большой массой и высокой температурой.

Виды солнечной радиации

Полное солнечное излучение, которое часто называют глобальным излучением, представляет собой сумму прямого, диффузного и отраженного излучения. Доступное нам солнечное излучение всегда представляет собой смесь вышеупомянутых трех компонентов.

Виды солнечного излучения

Прямое излучение

Прямое излучение получено от солнечных лучей, движущихся от солнца до земли напрямую. Направление излучения также называют излучением пучка или прямым лучом излучения. Поскольку прямое излучение — это солнечные лучи, движущиеся по прямой, формируются тени объектов, которые возникают на пути солнечных лучей. Тени указывают на наличие прямого излучения.
В солнечных районах и в течение лета прямое излучение составляет почти 70-80% от общей радиации. В солнечных установках используется солнечное отслеживание для поглощения большей части прямого излучения. Если солнечная система слежения не установлена, ценное прямое излучение будет не захвачено.

Диффузное излучение

Прямое излучение имеет фиксированное направление. Диффузное излучение не имеет фиксированного направления. Когда солнечные лучи рассеиваются частицами, присутствующими в атмосфере, эти рассеянные солнечные лучи объясняют диффузное излучение.

По мере увеличения загрязнения количество диффузного излучения также увеличивается. В холмистых районах и во время зимы процент диффузного излучения увеличивается. Максимальное количество рассеянного излучения захватывается солнечными батареями, когда они удерживаются горизонтально. Это означает, что в случае солнечных панелей, которые находятся под углом для отслеживания большей части прямого излучения, количество рассеянного излучения, захваченного панелями, будет снижаться. Чем больше угол, который солнечные панели создают с землей, тем меньше будет количество рассеянного излучения, захваченного панелями.

Отраженное и глобальное излучение

Отраженное излучение — это компонент излучения, который отражается от поверхностей, отличных от воздушных частиц. Радиация, отраженная от холмов, деревьев, домов, водоемов, отражает отраженное излучение. Отраженное излучение обычно составляет небольшой процент в глобальном излучении, но может вносить до 15% в заснеженные районы.

Глобальное излучение представляет собой сумму прямого, диффузного и отраженного излучения. Солнечное излучение представляет собой комбинацию ультрафиолетовых и инфракрасных волн. Каждая из этих составных частей по-своему влияет на организм.

Влияние солнечной радиации на организм человека

Говоря о влиянии солнца на организм человека, невозможно определить точно. Какое воздействие на здоровье человека оказывается, вред или польза. Лучи Солнца выделяют ультрафиолетовое и инфракрасное излучение. Лучи солнца — это как килокалории, полученные из пищи. Их дефицит приводит к истощению, и в избыточных количествах они вызывают ожирение. Так и в этой ситуации. Умеренное количество солнечной радиации оказывает положительное влияние на организм, тогда как избыток ультрафиолетового излучения провоцирует появление ожогов и развитие многочисленных заболеваний. Влияние

Положительное влияние инфракрасного излучения

Основная особенность инфракрасных лучей — они создают тепловой эффект, которые оказывают положительное влияние на организм человека. Нагревательный элемент способствует расширению кровеносных сосудов и нормализации кровообращения. Тепло оказывает расслабляющее действие на мышцы, обеспечивая легкий противовоспалительный и обезболивающий эффект. Под воздействием тепла увеличивается обмен веществ, нормализуются процессы усвоения биологически активных компонентов. Инфракрасное излучение солнца стимулирует мозг и зрительный аппарат.

Интересно! Благодаря солнечному излучению синхронизирует биологические ритмы тела, начиная с режимов сна и бодрствования. Лечение инфракрасными лучами солнца улучшает состояние кожи и устраняет угри. Теплый свет поднимает настроение и улучшает эмоциональный фон человека. А также улучшают качество спермы у мужчин и потенцию.

Положительное влияние ультрафиолетового излучения

Несмотря на все споры о негативном влиянии ультрафиолетового излучения на организм, его отсутствие может привести к серьезным проблемам со здоровьем. Это один из важнейших факторов существования. И нехватка ультрафиолетового света в организме, привносит такие изменения:
Во-первых, ослабляет иммунную систему (прежде всего влияние оказывается на клетку в организме). Это связано с нарушением поглощения витаминов и минералов, нарушением метаболизма на клеточном уровне.

Существует тенденция к развитию новых или обострению хронических заболеваний, чаще всего возникающих осложнений. Отмеченналетаргия, синдром хронической усталости, снижение уровня эффективности. Отсутствие ультрафиолетового света для детей предотвращает образование витамина D и вызывает замедление. Однако нужно понять, что чрезмерная солнечная активность не принесет пользу организму.

Отрицательное воздействие солнца

Время экспозиции инфракрасных и ультрафиолетовых волн должно быть строго ограничено. Чрезмерная солнечная радиация:

• может спровоцировать ухудшение общего состояния тела (так называемый термический шок из-за перегрева);
• отрицательно влияют на кожу, они могут вызывать постоянные изменения;
• ухудшает зрение;
• вызывает гормональные нарушения в организме;
• может спровоцировать развитие аллергических реакций;
• может спровоцировать негативное влияние на геном человека и на структуру ДНК человека;
• негативно влияет на плод;
• негативно влияет на психику человека.

Влияние солнца на кожу

Чрезмерное количество солнечной радиации приводит к серьезным проблемам с кожей. В краткосрочной перспективе вы рискуете ожогами или дерматитом. Это самая маленькая проблема, с которой вы можете столкнуться, очарованная солнцем в жаркий день. Если эта ситуация повторяется с завидной регулярностью, солнечное излучение станет стимулом к образованию злокачественных опухолей в меланоме кожи.

Кроме того, ультрафиолетовое облучение обезвоживает кожу, делая ее тонкой и чувствительной. Но постоянное место жительства под прямыми лучами ускоряет процесс старения, вызывая появление ранних морщин.

Отрицательное воздействие на видение

Эффект солнечного света на визуальном аппарате огромен. Действительно, благодаря лучам света мы получаем информацию о мире вокруг нас. Искусственное освещение в некотором роде может быть альтернативой естественному свету, но с точки зрения чтения и письма с помощью лампы света увеличивается напряжение на глазах.
Говоря о негативном воздействии на человека и о видимом солнечном свете, это означает повреждение глаз при длительном воздействии солнца без солнцезащитных очков.
Из-за дискомфорта, с которым вы можете столкнуться, вы можете выделить боли в глазах, покраснение, светобоязнь. Самое серьезное поражение сетчатки горит. Также возможно высушить кожу, образовать морщины.

Воздействие радиации на организм человека в космосе

Космической радиации является одной из главных опасностей для здоровья от космического полета. Это опасно, потому что он имеет достаточную энергию, чтобы изменить или разрушить ДНК молекул, которые могут повредить или убить клетки. Это может привести к проблемам со здоровьем, начиная от острых эффектов длительное воздействие.

Острые последствия, такие как изменения, в крови, диарея, тошнота и рвота, мягкие и восстановить. Другие эффекты острого облучения гораздо более серьезные, например повреждения центральной нервной системы или даже смерть. Такое облучение не должно возникнуть в результате воздействия космического излучения, за исключением, если космонавт подвергается воздействию солнечных частиц, таких как солнечная вспышка, которая производит высокие дозы радиации.

Энергия Солнца является источником жизни на нашей планете. Солнце нагревает атмосферу и поверхность Земли. Благодаря солнечной энергии дуют ветры, осуществляется круговорот воды в природе, нагреваются моря и океаны, развиваются растения, животные имеют корм (см. рис.1.1). Именно благодаря солнечному излучению на Земле существуют ископаемые виды топлива.

Рисунок 1.1 – Влияние солнечного излучения на Землю

Солнечная энергия может быть преобразована в теплоту или холод, движущую силу и электричество. Основным источником энергии практически всех природных процессов, происходящих на поверхности Земли и в атмосфере, является энергия, поступающая на Землю от Солнца в виде солнечной радиации.

На рисунке 1.2 представлена классификационная схема, которая отражает процессы, возникающие на поверхности Земли и в ее атмосфере под действием солнечного излучения.

Результатами прямой солнечной деятельности являются тепловой эффект и фотоэффект, вследствие чего Земля получает тепловую энергию и свет. Результатами косвенной деятельности Солнца являются соответствующие эффекты в атмосфере, гидросфере и геосфере, служащие причиной появления ветра, волн, обуславливающие течение рек, создающие условия для сохранения внутреннего тепла Земли.

Рисунок 1.2 - Классификация возобновляемых источников энергии

Солнце представляет собой газовый шар радиусом 695300 км, в 109 раз больше радиуса Земли, с температурой излучающей поверхности около 6000°С. Внутри Солнца температура достигает 40 млн °С.

На рисунке 1.3 приведена схема строения Солнца. Солнце - гигантский "термоядерный реактор", работающий на водороде и ежесекундно путем плавления перерабатывающий 564 млн. тонн водорода в 560 млн. тонн гелия. Потеря четырех миллионов тонн массы равна 9:1-10 9 ГВтч энергии (1 ГВт равен 1 млн. кВт). За одну секунду энергии производится больше, чем шесть миллиардов АЭС смогли бы произвести за год. Благодаря защитной оболочке атмосферы только часть этой энергии достигает поверхности Земли.

Расстояние между центрами Земли и Солнца равно в среднем 1,496*10 8 км.

Ежегодно Солнце посылает к Земле около 1,610 18 кВтч лучистой энергии или 1,3*10 24 кал тепла. Это в 20 тыс. раз больше современного мирового энергопотребления. Вклад Солнца в энергетический баланс земного шара в 5000 раз превышает суммарный вклад всех других источников.

Такого количества тепла хватило бы, чтобы растопить слой льда толщиной 35 м, покрывающий земную поверхность при 0°С.

В сравнении с солнечной радиацией все остальные источники энергии, поступающей на Землю, ничтожно малы. Так, энергия звезд составляет одну стомиллионную часть солнечной энергии; космическое излучение - две миллиардные доли. Внутреннее тепло, поступающее из глубины Земли на ее поверхность составляет одну десятитысячную часть солнечной энергии.

Рисунок 1.3 – Схема строения Солнца

Таким образом. Солнце является фактически единственным источником тепловой энергии на Земле.

В центре Солнца находится солнечное ядро (см. рис. 1.4). Фотосфера - это видимая поверхность Солнца, которая и является основным источником излучения. Солнце окружает солнечная корона, которая имеет очень высокую температуру, однако она крайне разрежена, поэтому видима невооружённым глазом только в периоды полного солнечного затмения.

Видимая поверхность Солнца, излучающая радиацию называется фотосферой (сфера света). Она состоит из раскаленных паров различных химических элементов, находящихся в ионизированном состоянии.

Над фотосферой находится светящаяся практически прозрачная атмосфера Солнца, состоящая из разряженных газов, которая называется хромосферой.

Над хромосферой располагается внешняя оболочка Солнца, называемая короной.

Газы, образующие Солнце, находятся в состоянии непрерывного бурного (интенсивного) движения, что обусловливает появление так называемых солнечных пятен, факелов и протуберанцев.

Солнечные пятна представляют собой большие воронки, образовавшиеся в результате вихревых движений масс газа, скорость которых достигает 1-2 км/с. Температура пятен на 1500°С ниже температуры Солнца и составляет около 4500°С. Количество солнечных пятен изменяется из года в год с периодом около 11 лет.

Рисунок 1.4 - Строение Солнца

Солнечные факелы это выбросы солнечной энергии, а протуберанцы - колоссальной силы взрывы в хромосфере Солнца, достигающие высоты до 2 млн. км.

Наблюдения показали, что с увеличением количества солнечных пятен увеличивается количество факелов и протуберанцев и соответственно увеличивается солнечная активность.

С увеличением солнечной активности на Земле происходят магнитные бури, которые оказывают отрицательное воздействие на телефонную, телеграфную и радиосвязь, а также на условия жизнедеятельности. С этим же явлением связано увеличение полярных сияний.

Следует отметить, что в период увеличения солнечных пятен, интенсивность солнечной радиации сначала увеличивается, что связано с общим увеличением солнечной активности в начальный период, а затем солнечное излучение уменьшается, так как увеличивается площадь солнечных пятен, имеющих температуру на 1500° ниже температуры фотосферы.

Часть метеорологии, изучающая влияние солнечной радиациина Земле и в атмосфере, называется актинометрией.

При актинометрических работах необходимо знать положение Солнца на небесном своде. Это положение определяется высотой или азимутом Солнца.

Высотой Солнца he называется угловое расстояние от Солнца до горизонта, то есть угол между направлением на Солнце и плоскостью горизонта.

Угловое расстояние Солнца от зенита, то есть от его вертикального направления называется азимутом или зенитным расстоянием.

Между высотой и зенитным расстоянием существует соотношение

(1.1)

Азимут Солнца определяется редко, только для специальных paбот.

Высота Солнца над горизонтом определяется по формуле:

где - широта места наблюдений;

- склонение Солнца - это дуга круга склонений от экватора до Солнца, которая отсчитывается в зависимости от положения Солнца в обе стороны от экватора от 0 до ±90°;

t - часовой угол Солнца или истинное солнечное время в градусах.

Величина склонения Солнца на каждый день приводится в астрономических справочниках за многолетний период.

По формуле (1.2) можно вычислить для любого времени t высоту Солнца he или по заданной высоте hc определить время, когда Солнце бывает на данной высоте.

Максимальная высота Солнца в полдень для различных дней года вычисляется по формуле:

(1.3)