Г лава 3

3.4. Воздействие солнечной радиации

На открытом воздухе поверхности изделий подвергаются действию пря­мых солнечных лучей. В материалах, используемых в конструкциях систем, под действием солнечной радиации возникают сложные процессы, вызыва­ющие старение этих материалов. Кроме того, солнечная радиация является основным фактором формирования теплового режима атмосферы и поверх­ности земли. Поэтому влияние на свойства материалов высоких и низких температур воздуха определяется, в конечном счете, влиянием солнечной радиации на тепловой режим воздуха.

Приход солнечной радиации определяется, прежде всего, астрономиче­скими факторами: продолжительностью дня и высотой солнца. Солнечная радиация, поступающая на земную поверхность, является одним из основ­ных климатических факторов. В свою очередь, она в значительной степени зависит от циркуляции атмосферы и особенностей подстилающей поверх­ности.

Воздействие солнечной радиации на технические изделия определяется диапазоном электромагнитных волн, достигающих их поверхности.

Спектр излучаемой Солнцем энергии состоит из нескольких частей. На волны ультрафиолетовой части спектра (А, < 3900-Ю^-10 м) приходится около 9 % энергии солнечного излучения, на волны видимой части спектра (А, = 3900-Ю^-10...7600-Ю^-10 м) — около 41 % и на инфракрасные волны (А, = 7600-Ю^-10...1000000-Ю^-10 м) — около 50 %.

Атмосфера, окружающая Землю, поглощает около 19 % солнечной энер­гии (водяным паром, озоном, углекислым газом, пылью и другими состав­ляющими атмосферы). Около 35 % энергии поглощается в космическом пространстве. Земной поверхности достигает только 45 % солнечной энер­гии, но наличие облаков уменьшает количество солнечной энергии, дости­гающей Земли, примерно на 75 % по сравнению с ясными днями.

Поверхностная плотность теплового потока суммарной радиации зависит от состояния облачности. Зависимо от высоты солнца (6—44,9°) в летние месяцы поток суммарной радиации изменяется в безоблачную по­году от 11,2-Ю^-3 до 78,4-Ю^-3 Вт/см², при наличии солнца и облаков — в 9,8-Ю^-3 до 80,5-Ю^-3 Вт/см², при сплошной облачности — от 4,2-Ю^-3 до 25,9-Ю^-3 Вт/см².

Поток суммарной радиации также зависит и от самих облаков, если солнце просвечивает через перистые облака, то поток суммарной радиа­ции будет изменяться от 4,9-Ю^-3 до 64,4-Ю^-3 Вт/см², если же облака сло­истые — от 3,5-Ю^-3 до 38,5-Ю^-3 Вт/см². Влияние на величину суммарной радиации оказывает также высота облаков, если облака высокие, поток из­меняется от 5,6-Ю^-3 до 49,7-Ю^-3 Вт/см², если низкие — от 6,3-Ю^-3 до 27,3-Ю^-3 Вт/см².

99

Г лава 3

Интегральная плотность теплового потока солнечной радиации зависит от высоты. До 15 км интегральная плотность теплового потока составляет 1125 Вт/м², в том числе плотность потока ультрафиолетовой части спектра (А, = 280—400 мкм) — 42 Вт/м², свыше 15 км — 1380 Вт/м², плотность потока ультрафиолетовой части спектра — 10,0 Вт/м².

Изменение плотности теплового потока солнечной радиации оценива­ется отношением ее максимального значения к минимальному, выраженно­му в %. Наименьшие суточные изменения наблюдаются в пустынных райо­нах, для которых характерна безоблачность.

Наличие паров воды и пыли в воздухе существенно уменьшает плот­ность теплового потока солнечной радиации. Наиболее сильное действие на материалы и изделия оказывают солнечные лучи, перпендикулярно па­дающие на поверхность.

Повреждения от солнечных лучей можно разделить на две группы: фото­химические и фотоокислительные процессы.

При повреждении металлических поверхностей существенную роль иг­рает фотоокислительное расщепление. Одновременное воздействие кисло­рода и влаги создает посредством окислительных процессов дополнитель­ное количество энергии. Поверхность металлов при ультрафиолетовом облучении активируется, поэтому подвергается опасности коррозии. Для расщепления молекулярной структуры необходима определенная частота излучения, т. к. энергия фотона соответствует произведению постоянной Планка на частоту.

Под действием солнечных лучей в органических материалах происходят сложные фотолитические процессы — процессы разложения химических соединений, в результате чего меняются свойства материалов.

Солнечная радиация (особенно ее ультрафиолетовая часть) достаточна для разрушения многих, даже очень сильных, связей в молекулах полиме­ров, отчего происходит старение и возникают определенные отказы. Про­цесс старения полимерных материалов ускоряют тепло, влага, кислород воздуха (атмосферное старение), излучения высоких энергий и др. В свою очередь, скорость старения под действием солнечной радиации зависит от ее интенсивности, доли ультрафиолетового излучения в солнечном спектре и лучепоглощающей способности полимеров. Установлено, что разрыв мо­лекулярных связей и процессы старения большинства полимеров происхо­дят при интенсивности радиации, превышающей 16,8 кДж/(м²-мин). Изве­стно, что в основе старения полимерных материалов лежат два одновременно протекающих процесса: деструкция — разрыв связей между атомами молекул и образование осколков молекул полимера, и структури­рование — образование новых связей между атомами и осколками молекул, возникших в результате деструкции. В результате старения полимерных ма­териалов изменяются их механические и электрические свойства, цвет и др.

Основное действие солнечного излучения — нагрев поверхности изде­лий и, как следствие, повышение температуры внутри устройства. Нагрев

100

Г ЛАВА 3

тела солнечными лучами зависит от Е

(5lB

1 4

<jTq

_°t⁴

интенсивности солнечной радиа­ции, температуры окружающей сре­ды и от отражательной способности тела. Будучи нагретым, тело само становится источником излучения. Закономерность теплообмена по­верхностей удобно проследить на теплообмене тонкостенного метал­лического кожуха. Для случая мато­вого черного кожуха, внутри кото­рого нет источника, излучение энергии можно представить схемой на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Схема для определения баланса излучения стенок кожуха

Толщина стенок кожуха мала, поэтому можно допустить, что тем­пературы наружных и внутренних

поверхностей стенок кожуха одинаковы. Исходя из закона Стефана-Больцмана, составляем баланс излучения стенок кожуха.

Верхняя крышка кожуха, поглощающая тепло солнечных лучей, излуча­ет его наружу и внутрь кожуха (оТ^). Нижняя стенка кожуха (дно) поглоща­ет тепло, излучаемое верхней крышкой, и излучает его внутрь кожуха и на­ружу (оТ£). При расположении кожуха на почве нижняя стенка отдает тепло почве и может получать тепло от нее (оТ⁴).

При температурном равновесии системы справедливы следующие мате­матические зависимости:

(а/2)(Г4-Гу4),

T

_д-(1/2)(1,6+аГ₅⁴),

где: Т$ — температура крышки кожуха, К;

Tj) — температура дна кожуха, К;

Т$ — температура почвы, К;

а — постоянная излучения (постоянная Стефана-Больцмана).