Гидравлика, гидрология и метеорология (стр. 43 )

Приходящую к земной поверхности солнечную радиацию – прямую Sґ и рассеянную D – называют  с у м м а р н о й  радиацией:

Q = Sґ + D.                                (16.2)

Облачность, не закрывающая солнечный диск, увеличивает суммарную радиацию по сравнению с ясным небом, а полная облачность, наоборот, уменьшает.

Суммарная радиация, падая на земную поверхность, большей частью поглощается верхним слоем почвы или более толстым слоем воды (поглощенная радиация) и переходит в тепло, а частично отражается (отраженная радиация R). Прямая, рассеянная и отраженная радиации являются коротковолновыми.

А л ь б е д о – это отношение отраженной радиации к суммарной, выраженное в процентах:

.                (16.3)

Альбедо зависит от отражающей поверхности: у влажного чернозема или низинного торфа – до 5%, сухого светлого песка – до 40, леса, луга, поля – 10…25, свежевыпавшего снега – до 90, лежалого – до 50%. Альбедо водной поверхности меняется в зависимости от высоты Солнца над горизонтом, волнения на море от 5 до 70%, облаков – от 10 до 80%. Планетарное альбедо Земли оценивают в 30%.

И з л у ч е н и е  З е м л и  и  в с т р е ч н о е  и з л у ч е н и е  атмосферы – длинноволновое.

Согласно закону Стефана–Больцмана излучение Земли подсчитывают как излучение серого тела по формуле

Iз= д у T4,                                (16.4)

где д – относительная излучательная способность (для чернозе-  ма – 0,87, песка – 0,89, луга – 0,94, снега –0,96);

  у = 5,7·10–8 Вт/(м2 ·К4) – постоянная Стефана–Больцмана.

Атмосфера нагревается при прохождении через нее солнечной радиации и при поглощении излучения земной поверхности. Встречное излучение атмосферы почти полностью поглощается земной поверхностью.

Разность между собственным излучением земной поверхности Iз и встречным излучением атмосферы Iа называют  э ф ф е к т и в н ы м  и з л у ч е н и е м:

Iэ =Iз – Iа.                                (16.5)

Эффективное излучение в ясные ночи в равнинных условиях составляет 0,07…0,10 Вт/м2.

Разность между приходящими к поверхности земли и уходящими от нее потоками лучистой энергии называют  р а д и а ц и о н н ы м  б а л а н с о м  д е я т е л ь н о г о  с л о я.

Приходная часть складывается из прямой и рассеянной солнечной радиации (вспомним, это коротковолновая радиация) и встречного излучения (длинноволновая радиация). Расходную часть баланса составляют отраженная радиация и излучение земной поверхности.

Уравнение радиационного баланса имеет вид

B = Q – Rк – Iэ,                        (16.6)

где B – радиационный баланс, кВт/м2;

Q – суммарная радиация;

Rк – отраженная радиация;

Iэ – эффективное излучение.

Если приход радиации больше расхода, то радиационный баланс положителен и деятельный слой Земли нагревается; при отрицательном балансе – охлаждается.

Радиационный баланс днем положителен, ночью отрицателен. От отрицательных значений к дневным положительным радиационный баланс переходит через 1 ч после восхода солнца при высоте его 10…15є над горизонтом, а за 1…2 ч до захода он становится отрицательным.

Если рассматривать радиационный баланс на верхней границе атмосферы, т. е. Земли в целом, то он равен нулю, поэтому можно принять гипотезу, что Земля находится в тепловом равновесии: приход тепла от Солнца уравновешивается его потерей в космическое пространство.

Фотосинтетически активная радиация ФАР. Часть лучистой энергии Солнца, которую растения усваивают в процессе фотосинтеза, называется фотосинтетически активной радиацией. Наиболее интенсивно растения поглощают сине-фиолетовые и оранжево-красные лучи с длинами волн 0,38 … 0,48 и 0,65 … 0,68 мкм. На практике поступающую от Солнца ФАР измеряют фитопиранометром или рассчитывают по данным измерений актинометра и пиранометра.

В процессе фотосинтеза на создание органического вещества в обычных посевах используется 1,5 – 3% ФАР. При оптимальной структуре, минеральном и водном питании посевы могут использовать до 8 – 10% ФАР.

Э н е р г е т и ч е с к а я  о с в е щ е н н о с т ь  выражается в ваттах на 1 м2 (Вт/м2). В практической актинометрии до недавнего времени энергетическая освещенность выражалась в калориях за 1 мин на 1 см2 (кал/(мин·см2)). Соотношение между единицами измерений следующее: 1 кал/(мин·см2) = 698 Вт/м2.

С у м м а  р а д и а ц и и, поступающая на единицу площади за тот или иной промежуток времени, измеряется в джоулях на 1 м2 или в мегаджоулях на 1 м2 (1 кал/см2 = 4,19·104 Дж/м2).

Продолжительность солнечного сияния и освещенность. Большое значение для фотосинтеза и других физиологических процессов имеют продолжительность солнечного сияния и освещенность.

Продолжительность солнечного сияния – время, в течение которого на земную поверхность поступает прямая солнечная радиация. Выражается она в часах и минутах, а также в процентах от возможного значения, т. е. продолжительности дня.

Освещенность складывается из прямого, рассеянного и отраженного солнечного света. Измеряется она в люксах (лк). Для фотосинтетической деятельности посевов большинства культурных растений оптимальные условия освещенности соответствуют 8000 – 12 000 лк. Особенно чувствительны растения к освещенности в период цветения и плодоношения.

Географическое распределение солнечной радиации. Приход солнечной радиации возрастает от полюсов к экватору, но закономерность нарушается от распределения облачности, влажности и запыленности атмосферы. Над пустынями, где стоит ясная погода, приход солнечной радиации (9200 МДж/м2) больше, чем на тех же широтах в приморских районах (6000 МДж/м2). Зато над приэкваториальными лесными областями с их большой облачностью суммарная радиация снижена до 4200 – 5000 МДж/м2.

Суммарная солнечная радиация в СНГ равномерно убывает с юга (4800 МДж/м2 в Краснодарском крае) на север (2500 МДж/м2 на Кольском полуострове).

16.2. Методы и приборы измерения лучистой энергии

Для измерения прямой и рассеянной радиации, радиационного баланса существует много приборов как с визуальным отсчетом, так и с автоматической регистрацией. Они бывают абсолютные и относительные.

Абсолютные приборы по устройству и обращению довольно сложны. Применяются они преимущественно для поверки относительных приборов. Из относительных приборов наибольшее распространение имеют термоэлектрические, в конструкции котоых используется термоэлектрический принцип, основанный на зависимости силы термотока от разности температуры спаев.

Приемником термоэлектрических приборов служат термобатареи из спаев двух металлов. Разность температур спаев создается в результате их различной поглощательной способности или помещения спаев в разные радиационные условия.

В термоэлектрическом приемнике (рис. 16.1) спай 1 покрывается платиновой чернью или сажей, а спай 2 – окисью магния (белый цвет). В термозвездочке (рис. 16.2) одни спаи 2, соединенные с диском из серебряной фольги, облучаются, другие – затеняются (спай 3).

Рис. 16.1. Схема термо- электрического приемника

Рис. 16.2. Схема термозвез- дочки актинометра

В результате неодинакового нагревания спаев создается разность температур и в цепи возникает термоток, который измеряется гальванометром. Так как разность температур спаев обусловлена поступающей радиацией, то энергетическая освещенность будет пропорциональна силе термоэлектричексого тока:

S = а·N,                                (16.8)

где а – переводной множитель, Вт/(м2·дел);

N – отклонение стрелки гальванометра, дел.

В паре с термоэлектрическими приборами применяtтся стрелочный гальванометр типа ГСА-1.

Переводной множитель ждя каждой такой пары определяют путем сравнения с контрольным прибором или рассчитывают по электрическим характеристикам, содержащимся в сертификатах гальванометра и актинометрического прибора.

Актинометрические измерения обеспечивают определение часовых

и суточных сумм радиационных излучений с точностью до  0,01 МДж/м2. Месячные суммы радиационных излучений вычисляются с точностью до целых, а годовые – до десятков МДж/м2. Для перехода от внесистемных единиц к единицам системы СИ необходимо помнить, что 1 кал = 4,19 Дж; 1 кал/см2⋅мин = 697,8 Вт/м2; 1 Вт/м2 =  = 1 Дж/с⋅м2; 1 ккал/см2 = 41,9 МДж/м2.

Для проведения актинометрических наблюдений используются следующие актинометрические приборы: актинометр, универсальный пиронометр (походный альбедометр) и балансомер.

Актинометр предназначен для измерения прямой солнечной радиации S.

Термоэлектрический актинометр Савинова–Янишевского состоит из приемной части, в качестве которой служит черный диск, сделанный из серебряной фольги и направленный на Солнце. На противоположной стороне диска приклеены активные спаи термоэлектрической батареи из константана и манганина, которые имеют вид звезды. Пассивные спаи приклеены к медному кольцу, которое закреплено на нижнем конце трубки 7 актинометра (рис. 16.3). Внутри трубки имеются семь диафрагм, которые предохраняют приемную часть от воздействия ветра, рассеянной и отраженной радиации.

Для наблюдений актинометр устанавливается так, чтобы его основание 11 и штатив 10 были ориентированы стрелками на север. Затем актинометр устанавливают по широте. Для этого ослабляют винт 2 и ставят сектор широт 9 соответственно широте места. С помощью винтов 3 и 6 направляют трубу 7 на Солнце. Ось 8 штатива и винт 6 располагаются по сторонам света. Можно вращать винт 6 и вести трубку за Солнцем, корректируя ее наклон на оси 4 соответственно магнитному азимуту. Направление трубки на Солнце осуществляется при помощи экрана 5 на нижнем конце трубки, где должна концентрично располагаться тень от оправы на верхнем конце трубки. Колпачок 1 одевается на трубу при определении контроля места нуля. Термобатарея актинометра при помощи электрических проводов соединяется с гальванометром или интегратором.