Вычислить величину напряжения солнечной радиации при высоте солнца над горизонтом 85 градусов

Тема: Солнечная радиация. Радиационный и тепловой баланс. Актинометрические наблюдения

Общие указания. Солнечная радиация представляет собой электромагнитное излучение Солнца и является основным источником энергии процессов происходящих в географической оболочке. Поток лучистой энергии подходящий к земной атмосфере составляет одну двухмиллиардную часть всего солнечного излучения и составляет 1,36*10 24 кал в год. Эта радиация состоит на 46% из видимой (с длинами волн от 0,40 до 0,75мк) и на 54% из невидимой радиации, т.е. не воспринимаемой глазом человека (из них 7%-ультрафиолетовая радиация с длинами волн от 0,002 до 0,4мк и 47%-инфрокрасная с длинами волн больше 0,75мк). На 99% солнечная радиация коротковолновая, на длинноволновую радиацию приходится менее 1%. Поток лучистой энергии Солнца, подходящий к земной атмосфере, отличается большим постоянством. Его интенсивность называют солнечной постоянной и принимают равной 1,98 кал/см 2 *мин 2 .

Солнечная радиация, попадая в атмосферу, претерпевает значительные качественные и количественные изменения. Часть солнечной радиации, рассеивающаяся атмосферой, переходит в рассеянную радиацию. Часть солнечной радиации, проникнувшая через атмосферу к земной поверхности не рассеявшись, представляет собой прямую радиацию. Вся солнечная радиация, поступающая на земную поверхность (совокупность прямой и части рассеянной радиации достигнувшей поверхности Земли) называется суммарной солнечной радиацией. Соотношение между прямой и рассеянной радиацией изменяется в значительных пределах и зависит от высоты Солнца, облачности и запыленности атмосферы. Суммарная солнечная радиация, попадая на поверхность, частично отражается обратно в атмосферу (отношение количества радиации, отраженной от поверхности к количеству падающей на эту поверхность, называется альбедо).

Земля одновременно получает солнечную радиацию (приход) и отдает ее (расход), т.к. всякое тело обладающее температурой выше абсолютного нуля (-273°С), испускает лучистую энергию. Земная поверхность, поглощая коротковолновую солнечную радиацию, становится источником излучения. Земная радиация является невидимой, длинноволновой т.к. температура земной поверхности не превышает нескольких десятков градусов. Атмосферное излучение, направленное к земной поверхности, навстречу земному — называется встречным излучением.

Разность между земным и встречным излучением, определяющая фактическую потерю тепла земной поверхностью, называется эффективным излучением. Разность между приходом и расходом солнечной радиации называется радиационным балансом. Он складывается из радиационных балансов подстилающей поверхности и атмосферы. Величина радиационного баланса поверхности определяется следующим уравнением: R=Q (1-a)-I_эф, где Q-суммарная солнечная радиация поступающая на единицу площади, a- альбедо (выраженное дробью), I_эф-эффективное излучение поверхности. Радиационный баланс может быть как положительным, так и отрицательным, в зависимости от географической широты, времени суток и времени года.

Тепловое равновесие для поверхности, атмосферы и для системы «поверхность-атмосфера», объясняет тепловой баланс. Приближенное уравнение теплового баланса поверхности, без учета конкретных условий (выделение тепла при замерзании или его расход на таяние) может быть записано следующим образом: R_п-LE-P-B=0, где R_п-радиационный баланс (положительный), L-скрытая теплота парообразования, E-испарение, P-турбулентный теплообмен между поверхностью и атмосферой, B-теплообмен между поверхностью и нижележащими слоями почвогрунта или воды. В среднем многолетнем тепловой баланс атмосферы может быть выражен следующим уравнением: R_а+P+LE=0

Тепловой баланс для системы «поверхность-атмосфера» в среднем многолетнем равен нулю. Если величину солнечной радиации, поступающей за год на Землю принять за 100%, то в среднем многолетнем радиационный и тепловой баланс Земли выражается следующим образом: 31% солнечной радиации отражается атмосферой в межпланетарное пространство, 17% пришедшей радиации поглощает атмосфера, Оставшиеся 52% составляет суммарная солнечная радиация достигающая поверхности Земли. 4% суммарной солнечной радиации подстилающая поверхность отражает за пределы атмосферы, а 48% поглощает. Из 48 % поглощенной радиации 18% расходуется на эффективное излучение. 30% остаточной радиации составляет радиационный баланс поверхности. На турбулентный обмен теплом с атмосферой поверхностью затрачивается 8% остаточной радиации и 22% расходуется на испарение с поверхности. Так образом тепловой баланс поверхности: 30%-22%-8%=0.

При наблюдениях за солнечной радиацией на метеорологических станциях производят определение продолжительности солнечного сияния. Продолжительность солнечного сияния это время, в течение которого прямая солнечная радиация равна или больше 0,2 кал/(см 2 *мин). Метод определения продолжительности солнечного сияния основан на регистрации времени, в течение которого интенсивность прямой солнечной радиации достаточна для получения прожога на специальной ленте, укрепленной в оптическом фокусе шаровой стеклянной линзы гелиографа.

Задания к практической работе:

1. Проанализируйте карту мира «Суммарный объем солнечной радиации» (Приложение 3).

1.1 Сравните характер распределения суммарной радиации между северным и южным полушарием, сушей и поверхностью океана. Объясните выявленные закономерности.

1.2 Составьте график зависимости объема суммарной солнечной радиации от географической широты местности на поверхности океана.

2. Рассчитайте высоту Солнца над горизонтом в полдень в г. Волгограде (48° с.ш.) 22 июня и 22 декабря.

3. Постройте график зависимости длины пути солнечного луча в атмосфере от высоты Солнца над горизонтом по данным приведенным в таблице 3.

Зависимость пути солнечного луча в атмосфере от высоты Солнца над горизонтом

(по Пашкангу)

4. Используя график зависимости пути солнечного луча в атмосфере от высоты Солнца над горизонтом, вычислите величину интенсивности солнечной радиации:

4.1 при высоте Солнца над горизонтом 80° и прозрачности атмосферы 0,5

4.2 при высоте Солнца над горизонтом 35° и прозрачности атмосферы 0,3

4.3 при высоте Солнца над горизонтом 15° и прозрачности атмосферы 0,8

Примечание: интенсивность солнечной радиации зависит от угла падения солнечных лучей и выражается формулой: I₁=I₀sin h, где I₁— интенсивность солнечной радиации при падении солнечных лучей под углом h. I₀— интенсивность солнечной радиации при отвесном падении лучей. Общее ослабление солнечной радиации в атмосфере при любой высоте Солнца выражается формулой Буге: I₁=I_0*P m , где I₁— измененная в атмосфере интенсивность солнечной радиации у земной поверхности, I₀— солнечная постоянная, m- путь луча в атмосфере, P- коэффициент прозрачности (дробное число показывающее, какая доля радиации достигает земной поверхности при m=1).

5. Определите величину инсоляции для склонов балки, имеющих крутизну склонов 15°, при напряжении солнечной радиации 4,05 Дж/(см 2 *мин) и угле наклона солнечных лучей 60°. Балка вытянута с запада на восток.

Вопросы для самоконтроля:

1. Солнечная радиация. Спектральный состав солнечной радиации.

2. Интенсивность солнечной радиации. Фактор мутности.

3. Дайте определение понятиям: прямая, рассеянная, суммарная радиация.

5. Эффективное излучение и парниковый эффект.

6. Радиационный баланс.

7. Тепловой баланс.

8. Наблюдения за солнечной радиацией на метеорологических станциях.

9. Зональное распределение солнечной радиации.

Источник

Естественнонаучный факультет Кафедра биологии, экологии и методики преподавания естествознания (стр. 13 )

Тема: движение Земли

1. Вычертить кривые полуденной высоты Солнца для периода
равноденствий и солнцестояний.

Полуденная высота Солнца

Высота Солнца над горизонтом в день равноденствия

Высота Солнца над горизонтом 22 июня

Высота Солнца над горизонтом 22 декабря

2. Определить по графику высоту Солнца над горизонтом в периоды равноденствий и солнцестояний в Мурманске, Каире, Адис-Абебе, Канберре, Ташкенте и Тобольске.

По карте атласа необходимо предварительно вычислить широ­ту перечисленных городов.

3. Дать анализ графика. Указать: а) как изменяется (в град.) высота Солнца над горизонтом над полюсами, полярными круга­ми, тропиками и над экватором; какова амплитуда годовой высо­ты Солнца над тропиками и на всех широтах, расположенных к северу (в Северном полушарии) и к югу (в Южном полушарии) от тропиков; б) сколько раз и когда Солнце бывает в зените над тропиками и над экватором, на широтах между тропиками; в) вы­вести формулы для определения высоты Солнца над горизонтом в период равноденствий, в период летнего и зимнего солнцестояний для Северного и Южного полушарий.

4. Решите задачи на определения времени.

А. На начальном меридиане 16 ч по местному времени. Сколько времени на 30° з. д., 75° в. д., 28°32′ з. д., 107°56′ в. д., 21°15’з. д.?

Б. Сколько времени в Лондоне, если: а) на 48°31′ з. д. 16 ч 28 мин, 6) на 103°04′ в. д. 4 ч 21 мин, в) на 32°17′ в. д. 23 ч 59 мин, г) на 34°30’45» в. д. 10 ч 20 мин, д) на 27°30’30» в. д. 22 ч 44 мин, е) на 158°32’15» в. д. 0 ч 17 мин?

Примечание: 45 градусов = 3 часа; 3 градуса = 12 минут; 31 минута = 2 минутам и 4 секундам

5. Составить терминологический словарь на тему «Земля как планета», состоящий как минимум из 20 понятий.

Занятие 4. Солнечная радиация

Раздел 3. Радиационный и тепловой баланс Земли

Тема: Солнечная радиация.

1. Вычислить величину напряжения солнечной радиации:

а) при высоте Солнца над горизонтом 85° и прозрачности атмосферы 0,5;

б) при высоте Солнца над горизонтом 30° и прозрачности атмосферы 0,5;

в) при высоте Солнца над горизонтом 10° и прозрачности атмосферы 0,3;

г) при высоте Солнца над горизонтом 10° и прозрачности атмосферы 0,8.

Для определения пути солнечного луча в атмосфере в зависимости от высоты Солнца над горизонтом можно пользоваться следующими данными (построить график):

Высота Солнца над горизонтом, град

Длина пути солнечного луча в атмосфере

При вычислении необходимо использовать формулу:

I= Io(8.3Дж/см2*мин)*P(в степени)m

2. Вычислить величину интенсивности инсоляции:

А. При угле наклона солнечных лучей 75°(hc) и напряжении сол­нечной радиации 3,52 Дж/(см2-мин)( I’);

Б. При угле наклона солнечных лучей 28° и напряжении сол­нечной радиации 3,52 Дж/(см2-мин).

В. При угле наклона солнечных лучей 90° и напряжении сол­нечной радиации 3,52 Дж/(см2-мин).

3. Определить величину солнечной энергии, получаемой склонами холма северной и южной экспозиций, имеющими крутизну
30°, при высоте Солнца над горизонтом 40е и напряжении солнечной радиации 3,01 Дж/(см2-мин).

При вычислении используйте формулу: I=I’*sin*hc

4. Пользуясь таблицей, ответьте на следующие вопросы:

А. На каких широтах в течение года наблюдаются максималь­ные различия в суточных суммах солнечного тепла на границе атмосферы? Как эти различия должны отражаться на температур­ном режиме и степени выраженности сезонов года?

Б. В каком сезоне года наблюдаются максимальные различия в суточных суммах солнечного тепла на границе атмосферы меж­ду полярными и экваториальными широтами? Как это должно ска­зываться на температурных и барических градиентах между экватором и полюсами и интенсивности межширотного обмена воздуш­ных масс?

Таблица. Суточные суммы солнечного тепла

на границе земной атмосферы, кДж/см2, при солнечной постоянной I0 = 8,3 Дж/(см2-мин)

Занятие 5,6. Температура воздуха и тепловой режим Земной поверхности.

Раздел 3. Радиационный и тепловой баланс Земли

Тема: Тепловой режим подстилающей

1. Дать анализ карт радиационного баланса Земли (Физико-
географический атлас мира):

А. Каковы общие закономерности в изменении радиационного баланса на поверхности Земли?

Б. Почему максимальные величины радиационного баланса приходятся на поверхность океана?

В. Какие районы на земном шаре и почему имеют наибольшие величины радиационного баланса?

Г. На каких широтах в зимнее время наблюдается отрицатель­ный радиационный баланс?

Д. Как изменяется величина радиационного баланса в зимнее и летнее время по широтам? В каком сезоне наблюдаются наи­большие поширотные различия?

2. Определить альбедо А различных поверхностей, если изве­стно количество суммарной солнечной радиации Q и отраженной радиации r:

а) снега при Q = 3,52 Дж/(см2-мин) и r = 2,47 Дж/(см2-мин);

б) песка при Q = 5,15 Дж/(см2-мин) и г= 1,55 Дж/ (см2-мин);

в) глинистой почвы при Q = 3,93 Дж/(см2-мин) и r = 0,79 Дж/(см2-мин);

г) луговой растительности при Q = 3,60 Дж/(см2-мин) и r =1,51 Дж/ (см2 — мин);

д) водной поверхности при Q = 2,81 Дж/(см2-мин) и r=0,13 Дж/(см2-мин);

е) облаков при Q = 2,85 Дж/(см2-мин) и г = 2,22 Дж/(см2-мин).

При вычислениях использовать формулу: A=C/Q*100%

3. Дать анализ среднеширотных величин, составляющих теп­лового баланса Земли:

А. Выявить общие закономерности распределения приходной и расходной частей теплового баланса в зависимости от широты.

Б. Определить соотношение между радиационным балансом и затратами тепла на испарение на разных широтах.

В. Сравнить величины прихода и расхода тепла в океане и объ­яснить существующие различия.

Средние широтные величины составляющих теплового баланса поверхности Земли, кДж/(см-год)

Источник

Солнечная радиация. Величина поступающей на земную поверхность солнечной радиации зависит прежде всего от высоты Солнца над горизонтом

Величина поступающей на земную поверхность солнечной радиации зависит прежде всего от высоты Солнца над горизонтом, продолжительности дня и облачности, определяющей продолжительность солнечного сияния и количество прямой солнечной радиации.

Приход солнечной радиации уменьшается в направлении с юга на север с 4 100 до 3 500 МДж/м 2 в год.

Справка: Джоуль – единица энергии, работы и теплоты СИ, названная в честь Дж. Джоуля. Обозначается Дж. 1 Дж = 10 7 эрг = 0, 2388 кал.

В годовом ходе суммарной радиации наблюдаются значительные отклонения как по количеству, так и по составу от ее среднегодовых показателей. В июле солнечная радиация в 9 раз больше, чем в январе и на 50-52 % состоит из прямой солнечной радиации. В январе на долю прямой радиации приходится только 20-30 % суммарной величины. Под воздействием облачности доля прямой солнечной радиации может сокращаться до 12- 17 %.

Интенсивность солнечной радиации зависит также от прозрачности атмосферы, т.е. от запыленности, содержания водяного пара, аэрозолей и т.д. Прозрачность атмосферы существенно изменяется по сезонам года.

Прозрачность атмосферы увеличивается от лета к зиме и достигает максимальных значений в ноябре-декабре (первый максимум) и в феврале (второй максимум). Однако из-за значительной облачности в зимний период года продолжительность солнечного сияния существенно сокращается.

Самыми солнечными месяцами на территории Беларуси являются июнь и июль. Именно на эти летние месяцы приходятся максимальные значения прямой солнечной радиации. На горизонтальную поверхность за год в Беларуси приходится в среднем около 1 500- 2 000 МДж/м 2 прямой солнечной радиации.

Таким образом, соотношение прямой и рассеянной солнечной радиации изменяется на протяжении года. Почти во все месяцы прямая радиация меньше, чем рассеянная. Особенно значительно это различие в зимний период года. И только с мая по июль доля прямой радиации бывает несколько выше, чем рассеянной.

В годовом ходе суммарной радиации хорошо выражен максимум в июле и минимум в январе (в Минске – 623 и 40 МДж/м 2 ).

Резкое возрастание суммарной солнечной радиации обычно наблюдается в марте из-за увеличения угла падения солнечных лучей, роста продолжительности дня и уменьшения облачности. В связи с этими обстоятельствами на май, июнь и июль приходится почти 50 % годовой суммарной радиации, а на ноябрь, декабрь и январь – только 5 %.

Свои особенности имеет и суточный ход суммарной радиации. Летом, когда в два раза увеличивается продолжительность дня, поступление солнечной радиации на земную поверхность осуществляется более продолжительное время. Например, в июне оно увеличивается до 21 часа и достигает максимума около полудня. В Минске, например, в ясные июньские дни за сутки поступает в среднем 3, 17 МДж/ (м 2 час), а в декабре – всего 0, 71 МДж/(м 2 час). Абсолютный полуденный максимум наблюдается в мае (3,93 МДж /(м 2 час)), когда в воздухе содержится минимальное количество водяного пара и аэрозолей. Но суточная сумма радиации выше все же в июне.

В суммарном ходе суммарной радиации большое значение имеет облачность. Летом при ясном небе величина суммарной радиации на 50 % выше, чем в условиях средней облачности.

Максимальная суточная радиация при средней облачности в июне в Минске составляет около 20,79 МДж/м 2 , а в декабре — до 1, 34 МДж/м 2 (6,7,21,22,23,36,37,49,105,108,109).

Источник