Выпускная квалификационная работа. Тема: Определение поглощаемого теплового излучения, падающего на произвольно ориентированную площадку в стратосфере Земли (стр. 3 )

Ось Земли имеет наклон, поэтому, когда Земля находится на орбите таким образом, что под максимальным углом к поверхности падают лучи на Северном полушарии, а под минимальным на Южном то мы наблюдаем в Северном полушарии зиму, а в Южном лето. Когда же Земля переместится по орбите на пол оборота, то в Южном полушарии наступит зима.

Рис.1.7

Сезонные изменения угла падения СИ обычно описывают углом склонения Солнца, который вычисляется по следующей формуле

(1.16)

Теперь, зная угол склонения Солнца и часовой угол, можно записать  выражение для расчета высоты Солнца:

(1.17)

и для азимута:

(1.18)

Произвольно ориентированная площадка

Теперь рассмотрим произвольно расположенную площадку, для этого введем два угла, характеризующие положение площадки в пространстве. Это  - угол между меридианом и горизонтальной составляющей нормали и -наклон площадки[1].

Рис.1.8 Ориентация приемной площадки

Величина поток прямого солнечного излучения, падающего на произвольно ориентированную  единичную площадку:

(1.19)

где  - угол падения солнечного излучения.

(1.20)

Подставив в данную формулу выражения для высоты и азимута, получим итоговую формулу.

Рассеянная солнечная радиация

Как упоминалось выше, при прохождении сквозь атмосферу часть от первоначального прямого СИ поглощается,  а часть рассеивается. Потеря прямой солнечной радиации при прохождении пути до приёмной площадки, расположенной на высоте z, равна  , где – интенсивность прямой солнечной радиации на высоте z.

Если считать индикатрису рассеяния СИ симметричной относительно плоскости, перпендикулярной лучам, то половина излучения направлена вниз к поверхности земли, а вторая вверх, и итоговая формула для рассеянной солнечной радиации, падающей на горизонтальную площадку сверху, имеет вид [2]:

(1.21)

Для идеальной атмосферы , но более реалистичным является значение . Формула 1.21 для наклонной приемной площадки должна быть дополнена с учетом до вида:

(1.22)

СИ рассеивается не только в слоях атмосферы над приемной площадкой, но и в слоях находящихся ниже. Поэтому запишем формулу для учета рассеянной радиации приходящей на площадку из нижних слоев атмосферы.

(1.23)

где - поток прямого солнечного излучения, доходящего до поверхности Земли.

Отраженная радиация

Прямая и рассеянная радиация, не попавшая на приемную площадку, падает на облака и поверхность Земли, которые, как известно, имеют некоторую отражательную способность. Стоит отметить, что такое отражение является диффузным. Коэффициент диффузного отражения называется альбедо. Запишем формулу для определения отраженной радиации, падающей на наклонную приемную площадку:

(1.24)

В формуле 1.24 - альбедо подстилающей поверхности или облаков. и вычисляются для высоты, на которой находиться отражающая СИ поверхность, r – высота площадки над отражающей поверхностью.

Подстилающая поверхность может быть неоднородна. В частности, приемная площадка может располагаться над границей между степью и лесным массивом. В таких случаях вычисляется среднее альбедо ,где - альбедо для данного типа подстилающей поверхности, а - доля площади с альбедо от общей площади. Значения альбедо для некоторых подстилающих поверхностей приведены в таблице 1.2. [4]

Таблица.1.2 Альбедо подстилающих поверхностей

Поверхность	Альбедо	Поверхность	Альбедо
Чернозем сухой	0,14	Песок желтый	0,35
Снег (умерен. широты)	0,70	Зеленая трава	0,26
Тундра, степи	0,18	Вершины елей	0,10
Пустыня	0,30	Морской лед	0,36

Таблица.1.3 Альбедо облаков

Форма облаков	Альбедо
Кучево-дождевые	0,86
Кучевые облака хорошей погоды над сушей, более 8 баллов	0,29
Слоисто-кучевые над сушей, более 8 баллов	0,68
Слоисто-кучевые, сплошной массив над океаном	0,60
Слоистые облака, просвечивающие, над океаном	0,42
Перисто-слоистые облака, плотные	0,74
Перистые облака над сушей	0,36
Перисто-слоистые облака над сушей	0,32

Суммарная освещенность площадки солнечным излучением

Суммарный поток солнечной радиации Q, приходящий сверху на наклонную площадку, с учетом облачности вычисляется по формуле 1.25 [4].

(1.25)

где - эмпирический коэффициент, зависящий от широты, некоторые значения приведены в таблице 1.4,  – коэффициент облачности выше z. Коэффициент облачности отражает долю покрытия некоторой площади облаками, и имеет значения 1 в случае в случае 10 бальной облачности и 0 в случае полного отсутствия облаков.