2.2. Радіаційний баланс земної поверхні.

Різницю між надходженням і витратами радіації називають радіаційним балансом, або залишковою радіацією.

Рівняння радиційного балансу має такий вигляд:

В =Q (1-А) - Ееф . (1.3)

де В - величина радіаційного балансу, Вт/м²; Q - сумарна радіація; А - альбедо (у частинах одиниці); Ееф - ефективне випромінювання.

Поглинута радіація спричиняє нагрівання, а ефективне випромінювання - охолодження. Тому радіаційний баланс може мати різні знаки, або дорівнюватиме нулю.

Радіаційний баланс земної поверхні має добовий хід вночі він від’ємний, після сходу Сонця й підняття його над горизонтом на 10 градусів стає додатним, а перед заходом Сонця знову стає від’ємним. Вночі він дорівнює ефективному випромінюванню. Тому вночі балансоміром вимірюється ефективне випромінювання. При наявності снігового покриву баланс стає додатним тільки при висоті Сонця понад 20-25°. Частина земного випромінювання проходить через атмосферу в світовий простір, крім того, сама атмосфера випромінює ще більше теплоти, особливо вище за 6-10 км. Ці довгохвильові випромінювання земної поверхні та атмосфери, які виходять в космос, називають відхідною радіацією. Якщо прийняти за 100 потік сонячної радіації на верхню межу атмосфери, відхідна радіація становить 72%. Ще 28% складається з відбитої та розсіяної радіації, яка виходить за межі атмосфери. Отже, Земля разом а атмосферою втрачає стільки радіації, скільки одержує. тобто загальний радіаційний баланс дорівнює 0. Радіаційний баланс самої атмосфери складається з поглинутих нею теплового випромінювання Землі (Е) та сумарної сонячної радіації, витрат теплоти на зустрічне випромінювання до земної поверхні і в космос. Сонячна радіація, яка досягла земної поверхні, перерозподіляється отут. Частина її відбивається від земної поверхні в атмосферу, а решта поглинається земною поверхнею.

Відбиту радіацію найчастіше характеризують безрозмірною величиною - відбивною здатністю, або альбедо (А).

Альбедо визначають за формулою:

А = R : Q ∙ 100 % . (1.4)

де R - радіація, яка відбилася земною поверхнею; Q - сумарна радіація. Відбиваюча властивість поверхні - альбедо, вираховують у відсотках від співвідношення відбитої радіації і сумарної радіації. Альбедо залежить від стану поверхні, її кольору, кута падіння променів на водну поверхню. Найбільше альбедо має чистий сніг – 85-90%, а найменше - чорноземна рілля – 5-14%. Зелене листя відбиває 20-25%, а жовте –30-38% сонячної радіації. Альбедо гладкої водної поверхні змінюється від 2% при зенітному положенні Сонця до 70-75% при низькому. Альбедо верхньої поверхні хмар в середньому становить 50-60%.

Лабораторна робота № 3

Тема: Спостереження за сонячною, земною та атмосферною радіацією.

Мета: Вимірювання сумарної, розсіяної та відбитої радіації.

Прилади, обладнання, матеріали: термоелектричний піранометр (альбедометр), гальванометр ГСА-1А, з'єднувальний шнур, тіньовий екран, таблиці та графіки.

Для проведення актинометричних спостережень використовуються слідуючи актинометричні прилади: актинометр, універсальний піранометр (похідний альбедометр) і балансомір.

Актинометр призначено для вимірювання прямої сонячної радіації S.

Термоелектричний актинометр Савінова – Янишевського складається з приємної частини, в якості якої слугує чорний диск, зроблений з срібної фольги і має напрям на Сонце. На протилежній стороні диска приклеєні активні спаї термоелектричної батареї, які мають вигляд зірки. Пасивні спаї приклеєні до мідного кільця, яке закріплено на нижньому кінці трубки 7 актинометра (рис. 2.3). Внутри трубки є сім діафрагм, які захищають приємну частину від дії вітру, розсіяної і відбитої радіації.

Для спостережень актинометр встановлюється так, щоби його основа 11 і штатив 10 були зориєнтовані стрілками на північ. Потім актинометр встановлюють по широті. Для цього послаблюють гвинт 2 і ставлять сектор широт 9 відповідно широті місця. За допомогою гвинтів 3 и 6 направляють трубу 7 на Сонце. Вісь 8 штативу і гвинт 6 розміщуються по сторонам світу. Можна повертати гвинт 6 і вести трубку за Сонцем, коректує її нахил на осі 4, відповідно магнітному азимуту. Напрям трубки на Сонце здійснюється за допомогою екрану 5 на нижньому конці трубки, де повинна концентрично розміщуватись тінь від оправи на верхньому конці трубки. Ковпачок 1 вдягається на трубу при визначенні контролю місця нуля. Термобатарея актинометра за допомогою електричних дротів з'єднуються з гальванометром.

Рис. 2.3. Актинометр термоелектричний.

.

Універсальний піранометр (альбедометр) слугує для вимірювання розсіяної радіацїї (D) при затемненні його темним екраном, сумарної радіаціі (Q) і відбитої радіації (R_к), що поступає на горизонтальну поверхню.

На практиці він застосовується головним чином для вимірювання альбедо діючої поверхні. Альбедометри бувають двох типів: станційні і похідні. Вони складаються з приемника (термоелектричної батареї) від піранометра 1, карданного підвісу 2, який здібний самоурівновішуватись та рукоятки 3 (рис. 2.3).

Рис. 1.2. Альбедометр термоелектричний:

а – положення вверх; б – положення вниз.

Такий пристрій забезпечує горизонтальне положення приємної частини альбедометра в двох положеннях: приємником вверх для вимірювання сумарної і розсіяної радіації (рис. 2.4 а) і приємником донизу (рис. 2.4. б) для вимірювання відбитої радіації. Для здійснення спостережень рукоятка 3 прикріплюється до трубки 4. За допомогою трубки альбедометру надається відповідне положення. Після визначення сумарної і відбитої радіаціі, розраховується альбедо за формулою (1.4).

Хід роботи.

1. Ознайомитись із принципом дії, будовою, правилами установки та експлуатації піранометра (альбедометра). Накреслити схему приймальної частини піранометра.

2. Підключити піранометр (альбедометр) до гальванометру.

3. Закрити кришкою голівку піранометра: через 1-2 хвилини провести відлік нуля гальванометра.

4. Для вимірювання сумарної радіації відкрити голівку приладу, через 1-2 хвилин виконати серію з 3-5 відліків по гальванометрі та відлік температури.

5. Закрити голівку приладу та відлік та зняти повторне показання місця нуля.

6. Для вимірювання розсіяної радіації (D) скористатись тіньовим екраном.

7. Вимірювання відбитої радіації (R_k) провести при положенні голівки приладу батареєю вниз.

8. Результати спостережень занести в таблицю.

Піранометр №_______ Місце спостережень _________________

Гальванометр №_____ Дата_____________ Година ________

Вид радіації	to C	М.О. n1 n2 n3 n	Відліки n1 n2 n3 n	№ виправлення (n+an-no)	Перевідний множник а, квт/м
Cумарна Розсіяна Відбита

Формула розрахунку потоків:

Q (D. Rk ) – N і а

9. Після опрацювання даних таблиці виконати розрахунки прямої сонячної радіації на горизонтальну поверхню S= Q – D альбедо підстилаючої поверхні А=R_k|Q=100% та балансу коротко – хвильової радіації В_к = Q - R_к .

Контрольні запитання:

1. Як обладнана приймальна частина піранометра?

2. Яке призначення скляного ковпачка голівки піранометра?

3. Чим відрізняється альбедометр від піранометра?

4. Як відбувається розсіювання сонячної радіації в атмосфері?

5. Які оптичні явища в атмосфері пов’язані з розсіюванням сонячної радіації?

6. Чим визначається послаблення сонячної радіації в атмосфері? Який характер поглинання сонячної радіації при проходженні потоку променистої енергії Сонця через атмосферу Землі?

7. У чому полягає фізичний зміст масового коефіцієнта послаблення сонячної радіації?

8. Що називають коефіцієнтом прозорості атмосфери?

9. Що таке сонячна постійна й від чого вона залежить?

10. Що називається прямою сонячною радіацією?

11. Як поглинається сонячна радіація в атмосфері та які речовини є найбільш сильними поглиначами?

12. Чим характеризується й від чого залежить добовий і річний хід прямої радіації?

13. Що таке сумарна радіація?

14. Що таке альбедо поверхні?

Виконати завдання згідно варіанту:

Вирахувати радіаційний баланс діючої поверхні В, якщо відома величина прямої сонячної радіації на перпендикулярну поверхню S (МДж/м²), розсіяної радації D (МДж/м²) і ефективного випромінювання Е_е (МДж/м²), альбедо поверхні А (%), висота сонця h.

№ варіанта	S	D	Ее	Колір поверхні	А	Висота сонця, в 
1	40,5	20,4	4¸4	Темний	15	85
2	39,4	19¸3	5,2	Світлий	25	80
3	38,7	18¸6	2,9	Світлий	29	75
4	39,1	19¸0	3,4	Світлий	32	70
5	35,9	15¸8	2,8	Зелений	26	60
6	33.2	13¸2	4,9	Волога	20	55
7	34,4	14¸5	3,4	Суха	25	50
8	25,5	15¸6	3,8	Чорнозем	14	45
9	23,1	25¸2	1,8	Торф’яник	10	30
10	28,3	29¸4	2,3	Море	5	20

До звіту включаються: результати спостереження та їх опрацювання, відповіді на контрольні запитання.