Qu'est-ce que le rayonnement solaire en géographie. Impact du rayonnement solaire sur l'homme

Je faisais partie de ceux qui aimaient s'allonger sur la plage sous un soleil de plomb. Tout était ainsi jusqu'à ce que je reçoive une très grave brûlure. Les effets du soleil sur les humains ne sont pas si inoffensifs. je vais vous en dire plus sur radiation solaire et à quoi s'attendre d'elle.

Qu’est-ce que le rayonnement solaire et quels types existe-t-il ?

Nous savons tous à quel point le Soleil est important pour notre planète. Toute l’énergie qu’il émet s’appelle le rayonnement solaire. Son chemin depuis l'étoile elle-même jusqu'à la Terre est très long, et donc une partie de l'énergie solaire est absorbée et une partie est dispersée. Le rayonnement solaire est divisé en plusieurs types :

• droit;
• distrait;
• total;
• absorbé;
• réfléchi.

Le rayonnement solaire direct est celui qui atteint intégralement la surface de la Terre, tandis que le rayonnement diffusé ne pénètre pas dans l’atmosphère. Ensemble, ces deux rayonnements sont appelés totaux. Une certaine partie de la chaleur du soleil s'échappe vers la surface de la Terre. Un tel rayonnement est généralement appelé absorbé. Certaines zones du sol peuvent refléter les rayons du soleil. C'est de là que vient le nom : le rayonnement solaire réfléchi. Avant le lever du soleil, l'énergie totale du Soleil. Lorsque le Soleil n’est pas très haut, la majeure partie du rayonnement est diffusée.

Impact du rayonnement solaire sur l'homme

Le soleil peut à la fois améliorer votre santé et avoir un effet néfaste sur celle-ci. Si vous êtes exposé trop souvent au soleil, votre risque de développer maladies de la peau, y compris les cancers. De plus, des problèmes de vision peuvent apparaître.

Même si s'exposer beaucoup au soleil est nocif, je ne voudrais jamais vivre dans les régions du nord, où les gens attendent constamment du beau temps. En raison d'un manque d'exposition au soleil, le métabolisme du corps peut être perturbé et surpoids. Pour les enfants, le manque de soleil est également extrêmement indésirable.

À conditions normales la vie, le rayonnement solaire maintient la santé humaine au niveau souhaité. Tous les organes et systèmes fonctionnent sans défaillance. En général, le rayonnement solaire est bon avec modération, et il faut toujours s’en souvenir.

Radiation solaire (rayonnement solaire) est la totalité de la matière et de l’énergie solaire entrant sur Terre. Le rayonnement solaire se compose des deux parties principales suivantes : premièrement, le rayonnement thermique et lumineux, qui est une combinaison ondes électromagnétiques; deuxièmement, le rayonnement corpusculaire.

L'énergie thermique au soleil réactions nucléaires se transforme en énergie rayonnante. Lorsque les rayons du soleil frappent la surface de la Terre, l'énergie rayonnante est à nouveau convertie en énergie thermique. Le rayonnement solaire transporte ainsi de la lumière et de la chaleur.

Intensité du rayonnement solaire. Constante solaire. Le rayonnement solaire est la source de chaleur la plus importante pour enveloppe géographique. La deuxième source de chaleur de la coque géographique est la chaleur provenant des sphères et couches intérieures de notre planète.

En raison du fait que dans la coque géographique, il existe un type d'énergie ( Energie radiante ) prend de manière équivalente une autre forme ( l'énérgie thermique ), alors l'énergie radiante du rayonnement solaire peut être exprimée en unités d'énergie thermique - joules (J).

L'intensité du rayonnement solaire doit être mesurée principalement en dehors de l'atmosphère, car lors de son passage dans la sphère aérienne, il se transforme et s'affaiblit. L'intensité du rayonnement solaire est exprimée par la constante solaire.

Constante solaire - c'est le flux d'énergie solaire en 1 minute sur une surface de section 1 cm 2, perpendiculaire aux rayons du soleil et située hors de l'atmosphère. La constante solaire peut également être définie comme la quantité de chaleur reçue en 1 minute à la limite supérieure de l'atmosphère par 1 cm 2 d'une surface noire perpendiculaire aux rayons du soleil.

La constante solaire est de 1,98 cal/(cm 2 x min), soit 1 352 kW/m 2 x min.

Étant donné que la haute atmosphère absorbe une partie importante du rayonnement, il est important de connaître son ampleur à la limite supérieure de l’enveloppe géographique, c’est-à-dire dans la basse stratosphère. Le rayonnement solaire à la limite supérieure de l'enveloppe géographique est exprimé constante solaire conventionnelle . La valeur de la constante solaire conventionnelle est de 1,90 à 1,92 cal/(cm 2 x min), ou de 1,32 à 1,34 kW/(m 2 x min).

La constante solaire, contrairement à son nom, ne reste pas constante. Cela change en raison des changements dans la distance entre le Soleil et la Terre à mesure que la Terre se déplace le long de son orbite. Aussi minimes que soient ces fluctuations, elles affectent toujours le temps et le climat.

En moyenne, chaque kilomètre carré de la troposphère reçoit 10,8 x 10 15 J (2,6 x 10 15 cal) par an. Cette quantité de chaleur peut être obtenue en brûlant 400 000 tonnes de charbon. La Terre entière reçoit une quantité de chaleur par an déterminée par la valeur 5,74 x 10 24 J. (1,37 x 10 24 cal).

Répartition du rayonnement solaire « à la limite supérieure de l'atmosphère » ou avec une atmosphère absolument transparente. Connaissance de la répartition du rayonnement solaire avant son entrée dans l'atmosphère, ou ce qu'on appelle climat solaire (ensoleillé) , est important pour déterminer le rôle et la part de participation de l’enveloppe d’air terrestre elle-même (atmosphère) dans la répartition de la chaleur à la surface de la Terre et dans la formation de son régime thermique.

La quantité de chaleur et de lumière solaire reçue par unité de surface est déterminée, d'une part, par l'angle d'incidence des rayons, en fonction de la hauteur du Soleil au-dessus de l'horizon, et, d'autre part, par la durée du jour.

La répartition du rayonnement à la limite supérieure de l'enveloppe géographique, déterminée uniquement par des facteurs astronomiques, est plus uniforme que sa répartition réelle à la surface de la Terre.

En l’absence d’atmosphère, la quantité annuelle de rayonnement aux latitudes équatoriales serait de 13 480 MJ/cm2 (322 kcal/cm2) et aux pôles de 5 560 MJ/m2 (133 kcal/cm2). Vers les latitudes polaires, le Soleil envoie un peu moins de la moitié (environ 42 %) de la quantité de chaleur qui arrive à l’équateur.

Il semblerait que l'irradiation solaire de la Terre soit symétrique par rapport au plan équatorial. Mais cela n'arrive que deux fois par an, les jours des équinoxes de printemps et d'automne. L'inclinaison de l'axe de rotation et le mouvement annuel de la Terre déterminent son irradiation asymétrique par le Soleil. Pendant la partie janvier de l'année, l'hémisphère sud reçoit plus de chaleur et pendant la partie juillet, l'hémisphère nord reçoit plus de chaleur. C'est exactement ce que c'est raison principale rythmes saisonniers dans l'enveloppe géographique.

La différence entre l'équateur et le pôle de l'hémisphère d'été est faible : l'équateur reçoit 6 740 MJ/m2 (161 kcal/cm2) et le pôle reçoit environ 5 560 MJ/m2 (133 kcal/cm2 par semestre). Mais les pays polaires de l’hémisphère hivernal sont en même temps complètement privés de chaleur et de lumière solaires.

Le jour du solstice, le pôle reçoit encore plus de chaleur que l'équateur - 46,0 MJ/m2 (1,1 kcal/cm2) et 33,9 MJ/m2 (0,81 kcal/cm2).

En général, le climat solaire annuel aux pôles est 2,4 fois plus froid qu'à l'équateur. Il faut cependant garder à l’esprit qu’en hiver les pôles ne sont pas du tout chauffés par le Soleil.

Le climat actuel de toutes les latitudes est largement dû à des facteurs terrestres. Les plus importants de ces facteurs sont : premièrement, l’affaiblissement du rayonnement dans l’atmosphère, et deuxièmement, les différentes intensités d’absorption du rayonnement solaire par la surface de la Terre selon différentes conditions géographiques.

Modifications du rayonnement solaire lorsqu'il traverse l'atmosphère. La lumière directe du soleil pénétrant dans l'atmosphère sous un ciel sans nuages ​​est appelée rayonnement solaire direct . Sa valeur maximale avec une grande transparence de l'atmosphère sur une surface perpendiculaire aux rayons dans la zone tropicale est d'environ 1,05 - 1,19 kW/m 2 (1,5 - 1,7 cal/cm 2 x min. Aux latitudes moyennes, la tension du rayonnement de midi est généralement d'environ 0,70 à 0,98 kW/m 2 x min (1,0 à 1,4 cal/cm 2 x min). En montagne, cette valeur augmente considérablement.

Certains rayons du soleil résultant du contact avec des molécules de gaz et des aérosols sont dispersés et deviennent rayonnement diffusé . Le rayonnement diffusé n'arrive plus à la surface de la Terre depuis le disque solaire, mais depuis le ciel tout entier et crée une lumière naturelle généralisée. Cela le rend léger les jours ensoleillés et là où les rayons directs ne pénètrent pas, par exemple sous le couvert forestier. Outre le rayonnement direct, le rayonnement diffus sert également de source de chaleur et de lumière.

Valeur absolue Plus la ligne directe est intense, plus la quantité de rayonnement diffusé est importante. Valeur relative Le rayonnement diffusé augmente avec le rôle décroissant du rayonnement direct : aux latitudes moyennes en été, il représente 41 % et en hiver 73 % de l'afflux total de rayonnement. Densité spécifique le rayonnement diffusé dans la quantité totale de rayonnement total dépend également de la hauteur du Soleil. Aux latitudes élevées, le rayonnement diffusé représente environ 30 % et aux latitudes polaires, il représente environ 70 % de l'ensemble du rayonnement.

En général, le rayonnement diffusé représente environ 25 % du flux total de rayons solaires arrivant sur notre planète.

Ainsi, le rayonnement direct et diffus atteint la surface terrestre. Ensemble, les rayonnements directs et diffusés forment rayonnement total , qui détermine régime thermique de la troposphère .

En absorbant et en diffusant le rayonnement, l’atmosphère l’affaiblit considérablement. Montant de l'atténuation dépend de coefficient de transparence, montrant quelle proportion de rayonnement atteint la surface de la Terre. Si la troposphère n'était constituée que de gaz, alors le coefficient de transparence serait de 0,9, c'est-à-dire qu'elle transmettrait environ 90 % du rayonnement atteignant la Terre. Cependant, les aérosols sont toujours présents dans l'air, réduisant le coefficient de transparence à 0,7 - 0,8. La transparence de l'atmosphère change avec la météo.

Puisque la densité de l’air diminue avec l’altitude, la couche de gaz traversée par les rayons ne doit pas être exprimée en km d’épaisseur atmosphérique. L'unité de mesure adoptée est masse optique, égale à l'épaisseur de la couche d'air à incidence verticale des rayons.

L’affaiblissement du rayonnement dans la troposphère est facile à observer pendant la journée. Lorsque le Soleil est proche de l’horizon, ses rayons traversent plusieurs masses optiques. En même temps, leur intensité s'affaiblit tellement qu'on peut regarder le Soleil avec un œil non protégé. À mesure que le Soleil se lève, le nombre de masses optiques traversées par ses rayons diminue, ce qui entraîne une augmentation du rayonnement.

Le degré d'atténuation du rayonnement solaire dans l'atmosphère est exprimé La formule de Lambert :

je je = je 0 p m , où

I i – rayonnement atteignant la surface de la terre,

I 0 – constante solaire,

p – coefficient de transparence,

m est le nombre de masses optiques.

Rayonnement solaire à la surface de la Terre. La quantité d'énergie rayonnante par unité de surface terrestre dépend avant tout de l'angle d'incidence des rayons solaires. Des zones égales à l’équateur et aux latitudes moyennes et élevées reçoivent des quantités de rayonnement différentes.

L'insolation solaire (éclairage) est considérablement réduite nébulosité. Les gros nuages ​​aux latitudes équatoriales et tempérées et les nuages ​​bas aux latitudes tropicales entraînent des ajustements significatifs dans la distribution zonale de l'énergie radiante solaire.

La répartition de la chaleur solaire sur la surface terrestre est représentée sur des cartes du rayonnement solaire total. Comme le montrent ces cartes, le plus grand nombre la chaleur solaire - de 7 530 à 9 200 MJ/m2 (180-220 kcal/cm2) est reçue sous les latitudes tropicales. Les latitudes équatoriales, en raison de la forte nébulosité, reçoivent un peu moins de chaleur : 4 185 – 5 860 MJ/m2 (100-140 kcal/cm2).

Des latitudes tropicales aux latitudes tempérées, le rayonnement diminue. Sur les îles arctiques, elle ne dépasse pas 2 510 MJ/m2 (60 kcal/cm2) par an. La répartition du rayonnement sur la surface de la Terre a un caractère zonal-régional. Chaque zone est divisée en zones distinctes (régions), légèrement différentes les unes des autres.

Fluctuations saisonnières du rayonnement total.

Aux latitudes équatoriales et tropicales, la hauteur du Soleil et l'angle d'incidence des rayons solaires varient légèrement d'un mois à l'autre. Le rayonnement total de tous les mois est caractérisé par grandes quantités, les changements saisonniers des conditions thermiques sont soit absents, soit très insignifiants. Dans la ceinture équatoriale, deux maxima sont faiblement visibles, correspondant à la position zénithale du Soleil.

En zone tempérée Au cours de l'évolution annuelle du rayonnement, le maximum estival est clairement prononcé, dans lequel la valeur mensuelle du rayonnement total n'est pas inférieure à la valeur tropicale. Le nombre de mois chauds diminue avec la latitude.

Dans les zones polaires le régime de rayonnement change radicalement. Ici, selon la latitude, de plusieurs jours à plusieurs mois, non seulement le chauffage, mais aussi l'éclairage s'arrêtent. En été, l'éclairage y est continu, ce qui augmente considérablement la quantité de rayonnement mensuel.

Assimilation du rayonnement par la surface terrestre. Albédo. Le rayonnement total qui atteint la surface de la Terre est partiellement absorbé par le sol et les masses d'eau et se transforme en chaleur. Sur les océans et les mers, la totalité du rayonnement est dépensée en évaporation. Une partie du rayonnement total est réfléchie dans l'atmosphère ( rayonnement réfléchi).

Le rayonnement solaire est l'énergie qui atteint la Terre radiation solaire sous la forme d'un flux d'ondes électromagnétiques.

Le soleil diffuse une énergie puissante autour de lui un rayonnement électromagnétique. Seulement un deux milliardième de cette quantité pénètre dans la haute atmosphère terrestre, mais cela représente 2 500 000 000 milliards de calories par minute.

Pas tout Flux d'énergie atteint la surface de la Terre - la majeure partie est rejetée par la planète dans l'espace. La Terre reflète l’attaque de ces rayons destructeurs pour la matière vivante qui habite la planète. Le principal « défenseur » de la vie est l’ozone, qui se forme dans couches supérieures atmosphère, à une altitude de 10 à 30 km. L’« écran » d’ozone absorbe une partie importante du rayonnement thermique de la surface de la Terre, puis renvoie la chaleur à la Terre, créant ce qu’on appelle Effet de serre. À mesure que l’intensité du rayonnement solaire augmente, la quantité d’ozone dans l’atmosphère augmente également et son effet réchauffant augmente.

Sur leur chemin vers la Terre, les rayons du soleil rencontrent des obstacles sous forme de vapeur d'eau et de molécules remplissant l'atmosphère. gaz carbonique et les particules de poussière en suspension dans l'air. Le « filtre » atmosphérique absorbe une partie importante des rayons, les diffuse et les réfléchit. La réflectivité des nuages ​​est particulièrement élevée. En conséquence, la surface de la Terre ne reçoit directement que les 2/3 du rayonnement transmis par l’écran d’ozone. Mais à partir de cette partie, beaucoup de choses sont réfléchies conformément à la réflectivité diverses surfaces(reflète la neige le plus intensément).

La « comptabilisation » du rayonnement solaire pour l’ensemble du globe s’additionne de la manière suivante. A la limite supérieure de l'atmosphère, chaque centimètre carré de la surface d'une plaque placée perpendiculairement aux rayons du soleil recevra 2 calories par minute. Cette quantité est appelée constante solaire.

Un peu plus de 100 000 calories par cm2 et par minute parviennent à toute la surface de la Terre. Ce rayonnement est absorbé par la végétation, le sol et la surface des mers et des océans. Elle se transforme en chaleur, qui est utilisée pour réchauffer les couches de l'atmosphère, pour le mouvement des masses d'eau et d'air et pour la création de toute la grande diversité de formes de vie sur notre immense planète.

Le rayonnement solaire atteint la surface de la Terre de différentes manières : directement depuis le Soleil, s'il n'est pas couvert de nuages ​​(rayonnement direct) ; de la voûte céleste et des nuages ​​diffusant la lumière directe du soleil (dispersée ou diffuse) ; de l'atmosphère chauffée à la suite de l'absorption d'un rayonnement (thermique ou à ondes longues). Le rayonnement direct et diffus n'arrive que pendant la journée. Ensemble, ils constituent le rayonnement total ou intégral. Le rayonnement solaire qui reste après perte par réflexion sur la surface est appelé absorbé. Le rayonnement solaire est mesuré à l'aide d'instruments. Ils sont appelés actinométriques. (du mot grec « actinos » - rayon).

DANS dernières années De plus en plus d'attention est accordée au problème de l'utilisation de l'énergie solaire dans économie nationale. En fait, le Soleil inonde la Terre de tout un océan d’énergie, pratiquement inépuisable. L’humanité doit apprendre à collecter cette énergie et à la transformer sous d’autres formes pratiques à utiliser. L'Institut de l'énergie solaire, établi à Achgabat, étudie ce problème dans notre pays.

Déjà développé différentes sortes installations solaires (« helios » signifie soleil en grec). Leur tâche est d'augmenter la densité de l'énergie solaire dispersée. Il n'est possible d'augmenter la concentration de l'énergie solaire qu'à l'aide de grands miroirs qui focalisent les rayons. Les miroirs paraboloïdes augmentent la température au foyer jusqu'à 3600°C. Presque tous les métaux fondent à cette température ; La fusion solaire permet d’obtenir des alliages d’une pureté exceptionnelle, c’est l’avenir.

DANS différents pays Les dessalinisateurs, chauffe-eau et séchoirs solaires fonctionnent déjà. Des exemples compacts de « cuisines solaires » ont été créés pour ceux qui vivent dans le désert – pour les bergers, les constructeurs et les géologues. Lancés depuis la Terre, ils fonctionnent entièrement grâce à l’énergie du rayonnement solaire. satellites artificiels, vaisseaux spatiaux et les laboratoires.

Sources de chaleur. Dans la vie de l'atmosphère crucial possède de l'énergie thermique. La principale source de cette énergie est le Soleil. Quant au rayonnement thermique de la Lune, des planètes et des étoiles, il est si insignifiant pour la Terre qu'il ne peut pratiquement pas être pris en compte. Une quantité beaucoup plus importante d’énergie thermique est fournie par la chaleur interne de la Terre. Selon les calculs des géophysiciens, le flux constant de chaleur provenant des entrailles de la Terre augmente la température de la surface terrestre de 0°,1. Mais un tel apport de chaleur est encore si faible qu’il n’est pas non plus nécessaire d’en tenir compte. Ainsi, la seule source d'énergie thermique à la surface de la Terre peut être considérée comme le Soleil.

Radiation solaire. Le Soleil, qui a une température de photosphère (surface rayonnante) d'environ 6 000°, rayonne de l'énergie dans l'espace dans toutes les directions. Une partie de cette énergie, sous la forme d’un énorme faisceau de rayons solaires parallèles, frappe la Terre. L'énergie solaire qui atteint la surface de la Terre sous forme de rayons directs du Soleil est appelée rayonnement solaire direct. Mais tout le rayonnement solaire dirigé vers la Terre n'atteint pas la surface de la Terre, puisque les rayons du soleil, traversant une épaisse couche de l'atmosphère, sont partiellement absorbés par celle-ci, partiellement dispersés par les molécules et les particules d'air en suspension, et certains sont réfléchis par les nuages. La partie de l’énergie solaire dissipée dans l’atmosphère est appelée rayonnement diffusé. Le rayonnement solaire diffusé traverse l’atmosphère et atteint la surface de la Terre. Nous percevons ce type de rayonnement comme une lumière du jour uniforme, lorsque le Soleil est entièrement recouvert de nuages ​​ou vient de disparaître sous l'horizon.

Le rayonnement solaire direct et diffus, ayant atteint la surface de la Terre, n'est pas complètement absorbé par celle-ci. Une partie du rayonnement solaire est réfléchie par la surface de la Terre vers l'atmosphère et s'y retrouve sous la forme d'un flux de rayons, appelé rayonnement solaire réfléchi.

La composition du rayonnement solaire est très complexe et est associée à la température très élevée de la surface rayonnante du Soleil. Classiquement, selon la longueur d'onde, le spectre du rayonnement solaire est divisé en trois parties : l'ultraviolet (η<0,4<μ видимую глазом (η de 0,4μ à 0,76μ) et la partie infrarouge (η >0,76μ). Outre la température de la photosphère solaire, la composition du rayonnement solaire à la surface de la Terre est également influencée par l'absorption et la diffusion d'une partie des rayons solaires lorsqu'ils traversent la coque aérienne de la Terre. À cet égard, la composition du rayonnement solaire à la limite supérieure de l’atmosphère et à la surface de la Terre sera différente. Sur la base de calculs et d'observations théoriques, il a été établi qu'à la limite de l'atmosphère, le rayonnement ultraviolet représente 5 %, les rayons visibles - 52 % et les infrarouges - 43 %. A la surface de la Terre (à une altitude solaire de 40°), les rayons ultraviolets ne représentent que 1 %, les rayons visibles 40 % et les rayons infrarouges 59 %.

Intensité du rayonnement solaire. L'intensité du rayonnement solaire direct s'entend comme la quantité de chaleur en calories reçue par minute. de l'énergie radiante de la surface du Soleil en 1 cm 2, situé perpendiculairement aux rayons du soleil.

Pour mesurer l'intensité du rayonnement solaire direct, des instruments spéciaux sont utilisés - actinomètres et pyrhéliomètres ; La quantité de rayonnement diffusé est déterminée par un pyranomètre. L'enregistrement automatique de la durée du rayonnement solaire est effectué par des actinographes et des héliographes. L'intensité spectrale du rayonnement solaire est déterminée par un spectrobolographe.

À la limite de l'atmosphère, là où les effets d'absorption et de diffusion de la coquille d'air terrestre sont exclus, l'intensité du rayonnement solaire direct est d'environ 2 excréments par 1 cm 2 surfaces en 1 min. Cette quantité est appelée constante solaire. Intensité du rayonnement solaire en 2 excréments par 1 cm 2 en 1 min. fournit une telle quantité de chaleur au cours de l'année qu'elle suffirait à faire fondre une couche de glace 35 mépaisse si une telle couche recouvrait toute la surface de la Terre.

De nombreuses mesures de l'intensité du rayonnement solaire donnent à penser que la quantité d'énergie solaire arrivant à la limite supérieure de l'atmosphère terrestre fluctue de plusieurs pour cent. Les oscillations sont périodiques et non périodiques, apparemment associées à des processus se produisant sur le Soleil lui-même.

De plus, un certain changement dans l'intensité du rayonnement solaire se produit au cours de l'année en raison du fait que la Terre, dans sa rotation annuelle, ne se déplace pas en cercle, mais en ellipse, à l'un des foyers duquel se trouve le Soleil. . À cet égard, la distance entre la Terre et le Soleil change et, par conséquent, l'intensité du rayonnement solaire fluctue. La plus grande intensité est observée vers le 3 janvier, lorsque la Terre est la plus proche du Soleil, et la plus faible vers le 5 juillet, lorsque la Terre est à sa distance maximale du Soleil.

C’est pour cette raison que les fluctuations de l’intensité du rayonnement solaire sont très faibles et ne peuvent avoir qu’un intérêt théorique. (La quantité d'énergie à la distance maximale est liée à la quantité d'énergie à la distance minimale comme 100 : 107, c'est-à-dire que la différence est complètement négligeable.)

Conditions d'irradiation de la surface du globe. La forme sphérique de la Terre à elle seule conduit au fait que l'énergie radiante du Soleil est répartie de manière très inégale sur la surface de la Terre. Ainsi, les jours de l'équinoxe de printemps et d'automne (21 mars et 23 septembre), seulement à l'équateur, à midi, l'angle d'incidence des rayons sera de 90° (Fig. 30), et à mesure qu'ils se rapprochent des pôles, ils diminuer de 90 à 0°. Ainsi,

si à l'équateur la quantité de rayonnement reçue est prise égale à 1, alors au 60e parallèle elle sera exprimée par 0,5 et au pôle elle sera égale à 0.

Le globe a en outre un mouvement quotidien et annuel, et l'axe de la Terre est incliné de 66°,5 par rapport au plan orbital. En raison de cette inclinaison, un angle de 23°30 se forme entre le plan équatorial et le plan orbital. Cette circonstance conduit au fait que les angles d'incidence des rayons solaires pour les mêmes latitudes varieront dans les 47° (23,5 + 23,5). ) .

Selon la période de l'année, non seulement l'angle d'incidence des rayons change, mais aussi la durée de l'éclairage. Si dans les pays tropicaux la durée du jour et de la nuit est à peu près la même à tout moment de l'année, alors dans les pays polaires, au contraire, c'est très différent. Ainsi, par exemple, à 70° N. w. en été, le Soleil ne se couche pas pendant 65 jours à 80° N. sh. - 134, et au pôle -186. Pour cette raison, le rayonnement au pôle Nord le jour du solstice d’été (22 juin) est 36 % plus élevé qu’à l’équateur. Quant à l'ensemble de la moitié de l'été, la quantité totale de chaleur et de lumière reçue par le pôle n'est que de 17 % inférieure à celle de l'équateur. Ainsi, en été dans les pays polaires, la durée d'éclairage compense largement le manque de rayonnement, conséquence du faible angle d'incidence des rayons. Dans la moitié de l'hiver, la situation est complètement différente : la quantité de rayonnement au même pôle Nord sera égale à 0. En conséquence, sur l'année, la quantité moyenne de rayonnement au pôle est de 2,4 inférieure à celle du pôle Nord. équateur. De tout ce qui a été dit, il s'ensuit que la quantité d'énergie solaire que la Terre reçoit par rayonnement est déterminée par l'angle d'incidence des rayons et la durée de l'irradiation.

En l'absence d'atmosphère à différentes latitudes, la surface de la Terre recevrait la quantité de chaleur suivante par jour, exprimée en calories pour 1 cm 2(voir tableau page 92).

La distribution du rayonnement sur la surface de la Terre donnée dans le tableau est généralement appelée climat solaire. Nous répétons que nous n'avons une telle répartition du rayonnement qu'à la limite supérieure de l'atmosphère.

Affaiblissement du rayonnement solaire dans l'atmosphère. Jusqu'à présent, nous avons parlé des conditions de répartition de la chaleur solaire à la surface de la Terre, sans tenir compte de l'atmosphère. Pendant ce temps, l’atmosphère dans cette affaire est d’une grande importance. Le rayonnement solaire, traversant l'atmosphère, subit une dispersion et, en outre, une absorption. Ensemble, ces deux processus atténuent le rayonnement solaire dans une mesure significative.

Les rayons du soleil, traversant l'atmosphère, subissent tout d'abord une diffusion (diffusion). La diffusion est créée par le fait que les rayons lumineux, réfractés et réfléchis par les molécules d'air et les particules de corps solides et liquides dans l'air, s'écartent de la trajectoire rectiligne. À vraiment "se dissiper".

La diffusion atténue considérablement le rayonnement solaire. Avec l'augmentation de la quantité de vapeur d'eau et surtout de particules de poussière, la dispersion augmente et le rayonnement s'affaiblit. Dans les grandes villes et les zones désertiques, où la teneur en poussière de l'air est la plus élevée, la dispersion affaiblit la force du rayonnement de 30 à 45 %. Grâce à la diffusion, on obtient une lumière du jour qui éclaire les objets, même si les rayons du soleil ne tombent pas directement sur eux. La diffusion détermine également la couleur du ciel.

Arrêtons-nous maintenant sur la capacité de l'atmosphère à absorber l'énergie rayonnante du Soleil. Les principaux gaz qui composent l’atmosphère absorbent relativement peu d’énergie radiante. Les impuretés (vapeur d'eau, ozone, dioxyde de carbone et poussières) ont au contraire une grande capacité d'absorption.

Dans la troposphère, l’impureté la plus importante est la vapeur d’eau. Ils absorbent particulièrement fortement les infrarouges (longues d’onde), c’est-à-dire principalement les rayons thermiques. Et plus il y a de vapeur d'eau dans l'atmosphère, plus naturellement il y en a. absorption. La quantité de vapeur d'eau dans l'atmosphère est sujette à de grands changements. Dans des conditions naturelles, elle varie de 0,01 à 4 % (en volume).

L'ozone a une très grande capacité d'absorption. Un mélange important d'ozone, comme déjà mentionné, se situe dans les couches inférieures de la stratosphère (au-dessus de la tropopause). L'ozone absorbe presque complètement les rayons ultraviolets (ondes courtes).

Le dioxyde de carbone possède également une capacité d’absorption élevée. Il absorbe principalement les rayons à ondes longues, c'est-à-dire principalement les rayons thermiques.

La poussière présente dans l’air absorbe également une partie du rayonnement solaire. Lorsqu'il est chauffé par les rayons du soleil, il peut augmenter considérablement la température de l'air.

De la quantité totale d’énergie solaire arrivant sur Terre, l’atmosphère n’en absorbe qu’environ 15 %.

L'atténuation du rayonnement solaire par diffusion et absorption par l'atmosphère est très différente selon les latitudes de la Terre. Cette différence dépend essentiellement de l'angle d'incidence des rayons. Au zénith du Soleil, les rayons, tombant verticalement, traversent l'atmosphère par le chemin le plus court. À mesure que l’angle d’incidence diminue, le trajet des rayons s’allonge et l’atténuation du rayonnement solaire devient plus importante. Ce dernier est clairement visible sur le dessin (Fig. 31) et le tableau ci-joint (dans le tableau, la trajectoire du rayon solaire à la position zénithale du Soleil est considérée comme une seule).

En fonction de l'angle d'incidence des rayons, non seulement le nombre de rayons change, mais aussi leur qualité. Durant la période où le Soleil est à son zénith (au-dessus de la tête), les rayons ultraviolets représentent 4%,

visible - 44% et infrarouge - 52%. Lorsque le Soleil est positionné près de l'horizon, il n'y a aucun rayon ultraviolet, visible à 28 % et infrarouge à 72 %.

La complexité de l'influence de l'atmosphère sur le rayonnement solaire est encore aggravée par le fait que sa capacité de transmission varie considérablement en fonction de la période de l'année et des conditions météorologiques. Ainsi, si le ciel restait tout le temps sans nuages, alors l'évolution annuelle de l'afflux de rayonnement solaire à différentes latitudes pourrait être exprimée graphiquement comme suit (Fig. 32). Le dessin montre clairement qu'avec un ciel sans nuages ​​à Moscou en mai, En juin et juillet, la chaleur proviendrait davantage du rayonnement solaire qu'à l'équateur. De même, dans la seconde quinzaine de mai, en juin et dans la première quinzaine de juillet, la chaleur serait reçue davantage au pôle Nord qu'à l'équateur et à Moscou. Nous répétons que ce serait le cas avec un ciel sans nuages. Mais en réalité, cela ne fonctionne pas, car la nébulosité affaiblit considérablement le rayonnement solaire. Donnons un exemple montré sur le graphique (Fig. 33). Le graphique montre la quantité de rayonnement solaire qui n'atteint pas la surface de la Terre : une partie importante de celui-ci est retardée par l'atmosphère et les nuages.

Cependant, il faut dire que la chaleur absorbée par les nuages ​​va en partie au réchauffement de l'atmosphère, et en partie atteint indirectement la surface de la Terre.

Variations journalières et annuelles de l'intensité solairerayonnement lumineux. L'intensité du rayonnement solaire direct à la surface de la Terre dépend de la hauteur du Soleil au-dessus de l'horizon et de l'état de l'atmosphère (sa teneur en poussières). Si. Si la transparence de l'atmosphère était constante tout au long de la journée, alors l'intensité maximale du rayonnement solaire serait observée à midi et la minimale au lever et au coucher du soleil. Dans ce cas, le graphique de l'intensité quotidienne du rayonnement solaire serait symétrique par rapport à une demi-journée.

La teneur en poussière, vapeur d'eau et autres impuretés de l'atmosphère change constamment. À cet égard, la transparence des changements d'air et la symétrie du graphique de l'intensité du rayonnement solaire sont perturbées. Souvent, surtout en été, à midi, lorsque la surface de la Terre est intensément chauffée, de puissants courants d’air ascendants apparaissent et la quantité de vapeur d’eau et de poussière dans l’atmosphère augmente. Il en résulte une réduction significative du rayonnement solaire à midi ; L'intensité maximale du rayonnement dans ce cas est observée avant midi ou après-midi. La variation annuelle de l'intensité du rayonnement solaire est également associée aux changements de la hauteur du Soleil au-dessus de l'horizon tout au long de l'année et à l'état de transparence de l'atmosphère selon les saisons. Dans les pays de l’hémisphère nord, la plus haute hauteur du Soleil au-dessus de l’horizon se produit au mois de juin. Mais en même temps, on observe la plus grande poussière de l'atmosphère. Par conséquent, l’intensité maximale ne se produit généralement pas au milieu de l’été, mais au printemps, lorsque le Soleil se lève assez haut* au-dessus de l’horizon et que l’atmosphère après l’hiver reste relativement claire. Pour illustrer la variation annuelle de l'intensité du rayonnement solaire dans l'hémisphère nord, nous présentons des données sur les valeurs mensuelles moyennes de l'intensité du rayonnement à midi à Pavlovsk.

La quantité de chaleur provenant du rayonnement solaire. Pendant la journée, la surface de la Terre reçoit en permanence de la chaleur provenant du rayonnement solaire direct et diffus ou uniquement du rayonnement diffus (par temps nuageux). La quantité quotidienne de chaleur est déterminée à partir d'observations actinométriques : en tenant compte de la quantité de rayonnement direct et diffus reçu à la surface de la Terre. Après avoir déterminé la quantité de chaleur pour chaque jour, la quantité de chaleur reçue par la surface de la Terre par mois ou par an est calculée.

La quantité quotidienne de chaleur reçue par la surface de la Terre grâce au rayonnement solaire dépend de l'intensité du rayonnement et de la durée de son action au cours de la journée. À cet égard, l'apport de chaleur minimum se produit en hiver et le maximum en été. Dans la répartition géographique du rayonnement total autour du globe, son augmentation est observée avec une latitude décroissante. Cette position est confirmée par le tableau suivant.

Le rôle du rayonnement direct et diffus dans la quantité annuelle de chaleur reçue par la surface de la Terre à différentes latitudes du globe est différent. Aux hautes latitudes, la quantité annuelle de chaleur est dominée par le rayonnement diffusé. À mesure que la latitude diminue, le rayonnement solaire direct devient dominant. Par exemple, dans la baie de Tikhaya, le rayonnement solaire diffus fournit 70 % de la quantité annuelle de chaleur, et le rayonnement direct seulement 30 %. A Tachkent, au contraire, le rayonnement solaire direct en fournit 70 %, dispersé seulement 30 %.

Réflectivité de la Terre. Albédo. Comme nous l'avons déjà indiqué, la surface de la Terre n'absorbe qu'une partie de l'énergie solaire qui lui parvient sous forme de rayonnement direct et diffus. L'autre partie se reflète dans l'atmosphère. Le rapport entre la quantité de rayonnement solaire réfléchie par une surface donnée et la quantité de flux d'énergie radiante incident sur cette surface est appelé albédo. L'albédo s'exprime en pourcentage et caractérise la réflectivité d'une surface donnée.

L'albédo dépend de la nature de la surface (propriétés du sol, présence de neige, végétation, eau, etc.) et de l'angle d'incidence des rayons du Soleil sur la surface terrestre. Ainsi, par exemple, si les rayons tombent sur la surface terrestre sous un angle de 45°, alors :

D’après les exemples ci-dessus, il est clair que la réflectivité des différents objets n’est pas la même. Il est plus grand près de la neige et le moins près de l'eau. Cependant, les exemples que nous avons pris ne concernent que les cas où la hauteur du Soleil au-dessus de l'horizon est de 45°. À mesure que cet angle diminue, la réflectivité augmente. Ainsi, par exemple, à une altitude solaire de 90°, l'eau réfléchit seulement 2 %, à 50° - 4 %, à 20° - 12 %, à 5° - 35-70 % (selon l'état de la surface de l'eau). ).

En moyenne, avec un ciel sans nuages, la surface du globe reflète 8 % du rayonnement solaire. De plus, 9 % se reflètent dans l’atmosphère. Ainsi, le globe dans son ensemble, avec un ciel sans nuages, reflète 17 % de l'énergie radiante du Soleil tombant sur lui. Si le ciel est couvert de nuages, 78 % du rayonnement y est réfléchi. Si l'on prend les conditions naturelles, basées sur le rapport entre un ciel sans nuages ​​et un ciel couvert de nuages, qui est observé dans la réalité, alors la réflectivité de la Terre dans son ensemble est égale à 43 %.

Rayonnement terrestre et atmosphérique. La Terre, recevant l'énergie solaire, se réchauffe et devient elle-même une source de rayonnement thermique vers l'espace. Cependant, les rayons émis par la surface terrestre sont très différents des rayons du soleil. La Terre n'émet que des rayons infrarouges (thermiques) invisibles à ondes longues (λ 8-14 μ). L'énergie émise par la surface de la Terre est appelée rayonnement terrestre. Le rayonnement de la Terre se produit... jour et nuit. Plus la température du corps émetteur est élevée, plus l'intensité du rayonnement est élevée. Le rayonnement terrestre est déterminé dans les mêmes unités que le rayonnement solaire, c'est-à-dire en calories de 1 cm 2 surfaces en 1 min. Les observations ont montré que la quantité de rayonnement terrestre est faible. Habituellement, il atteint 15 à 18 centièmes de calorie. Mais, en agissant en continu, il peut produire un effet thermique important.

Le rayonnement terrestre le plus fort est obtenu avec un ciel sans nuages ​​et une bonne transparence de l'atmosphère. La couverture nuageuse (en particulier les nuages ​​bas) réduit considérablement le rayonnement terrestre et le ramène souvent à zéro. Ici, nous pouvons dire que l'atmosphère, avec les nuages, constitue une bonne « couverture » qui protège la Terre d'un refroidissement excessif. Certaines parties de l'atmosphère, comme certaines zones de la surface terrestre, émettent de l'énergie en fonction de leur température. Cette énergie est appelée rayonnement atmosphérique. L'intensité du rayonnement atmosphérique dépend de la température de la partie rayonnante de l'atmosphère, ainsi que de la quantité de vapeur d'eau et de dioxyde de carbone contenue dans l'air. Le rayonnement atmosphérique appartient au groupe des ondes longues. Il se propage dans l’atmosphère dans toutes les directions ; une certaine quantité atteint la surface de la Terre et y est absorbée, l'autre partie va dans l'espace interplanétaire.

À PROPOS l'arrivée et la consommation de l'énergie solaire sur Terre. La surface de la Terre, d'une part, reçoit l'énergie solaire sous forme de rayonnement direct et diffus, et d'autre part, perd une partie de cette énergie sous forme de rayonnement terrestre. Grâce à l'arrivée et à la consommation de l'énergie solaire, un résultat est obtenu. Dans certains cas, ce résultat peut être positif, dans d'autres, négatif. Donnons des exemples des deux.

8 janvier. La journée est sans nuages. Le 1 cm 2 surface terrestre reçue en 20 jours excréments rayonnement solaire direct et 12 excréments rayonnement diffusé; au total, cela donne 32 cal. Pendant le même temps, en raison du rayonnement 1 cm? la surface de la terre a disparu 202 cal. De ce fait, en langage comptable, le bilan présente une perte de 170 excréments(solde négatif).

6 juillet. Le ciel est presque sans nuages. 630 reçus du rayonnement solaire direct les excréments, du rayonnement diffusé 46 cal. Au total, la surface de la Terre a donc reçu 1 cm 2 676 cal. 173 perdus à cause des radiations terrestres cal. Le bilan fait apparaître un bénéfice de 503 excréments(le solde est positif).

Les exemples donnés, entre autres, montrent clairement pourquoi les latitudes tempérées sont froides en hiver et chaudes en été.

Utilisation du rayonnement solaire à des fins techniques et domestiques. Le rayonnement solaire est une source d’énergie naturelle inépuisable. La quantité d'énergie solaire sur Terre peut être jugée par cet exemple : si, par exemple, nous utilisons la chaleur du rayonnement solaire tombant sur seulement 1/10 de la superficie de l'URSS, alors nous pouvons obtenir une énergie égale au travail de 30 000 centrales hydroélectriques du Dniepr.

Les gens cherchent depuis longtemps à utiliser l’énergie gratuite du rayonnement solaire pour leurs besoins. À ce jour, de nombreuses centrales solaires différentes ont été créées, fonctionnant grâce au rayonnement solaire et largement utilisées dans l'industrie et pour répondre aux besoins domestiques de la population. Dans les régions du sud de l'URSS, les chauffe-eau solaires, les chaudières, les usines de dessalement d'eau salée, les séchoirs solaires (pour sécher les fruits), les cuisines, les bains publics, les serres et les appareils à usage médical fonctionnent sur la base de l'utilisation généralisée du rayonnement solaire dans l'industrie et les services publics. Le rayonnement solaire est largement utilisé dans les stations balnéaires pour soigner et améliorer la santé des personnes.

L'énergie du Soleil est la source de la vie sur notre planète. Le soleil réchauffe l'atmosphère et la surface de la Terre. Grâce à l'énergie solaire, les vents soufflent, le cycle de l'eau se déroule dans la nature, les mers et les océans se réchauffent, les plantes se développent et les animaux ont de la nourriture (voir Fig. 1.1). C’est grâce au rayonnement solaire que les énergies fossiles existent sur Terre.

Figure 1.1 – L'influence du rayonnement solaire sur la Terre

L'énergie solaire peut être convertie en chaleur ou en froid, en énergie motrice et en électricité. La principale source d'énergie pour presque tous les processus naturels se produisant à la surface de la Terre et dans l'atmosphère est l'énergie provenant du Soleil vers la Terre sous forme de rayonnement solaire.

La figure 1.2 présente un schéma de classification qui reflète les processus qui se produisent à la surface de la Terre et dans son atmosphère sous l'influence du rayonnement solaire.

Les résultats de l'activité solaire directe sont l'effet thermique et l'effet photoélectrique, grâce auxquels la Terre reçoit de l'énergie thermique et de la lumière. Les résultats de l'activité indirecte du Soleil sont des effets correspondants dans l'atmosphère, l'hydrosphère et la géosphère, qui provoquent l'apparition de vents et de vagues, déterminent le débit des rivières et créent des conditions permettant de préserver la chaleur interne de la Terre.

Figure 1.2 - Classification des sources d'énergie renouvelables

Le Soleil est une boule de gaz d'un rayon de 695 300 km, soit 109 fois le rayon de la Terre, avec une température de surface rayonnante d'environ 6 000°C. La température à l'intérieur du Soleil atteint 40 millions de °C.

La figure 1.3 montre un diagramme de la structure du Soleil. Le Soleil est un « réacteur thermonucléaire » géant qui fonctionne à l’hydrogène et transforme chaque seconde 564 millions de tonnes d’hydrogène en 560 millions de tonnes d’hélium par fusion. La perte de quatre millions de tonnes de masse est égale à 9:1-10 9 GW h d’énergie (1 GW équivaut à 1 million de kW). En une seconde, plus d’énergie est produite que six milliards de centrales nucléaires pourraient en produire en un an. Grâce à la coque protectrice de l’atmosphère, seule une partie de cette énergie atteint la surface de la Terre.

La distance entre les centres de la Terre et du Soleil est en moyenne de 1,496 * 10 8 km.

Annuellement Soleil envoie environ 1,6 sur Terre 10 18 kW h d'énergie rayonnante ou 1,3 * 10 24 cal de chaleur. C'est 20 000 fois plus que la consommation mondiale actuelle d'énergie. Contribution Soleil dans le bilan énergétique de la planète est 5 000 fois supérieure à la contribution totale de toutes les autres sources.

Cette quantité de chaleur serait suffisante pour faire fondre une couche de glace de 35 m d'épaisseur recouvrant la surface de la Terre à 0°C.

Comparées au rayonnement solaire, toutes les autres sources d’énergie atteignant la Terre sont négligeables. Ainsi, l’énergie des étoiles représente le cent millionième de l’énergie solaire ; rayonnement cosmique - deux parties par milliard. La chaleur interne provenant des profondeurs de la Terre jusqu’à sa surface représente un dix millième de l’énergie solaire.

Figure 1.3 – Schéma de la structure du Soleil

Ainsi. Le soleil est pratiquement la seule source d'énergie thermique sur Terre.

Au centre du Soleil se trouve le noyau solaire (voir Fig. 1.4). La photosphère est la surface visible du Soleil, qui constitue la principale source de rayonnement. Le soleil est entouré d'une couronne solaire, qui a une température très élevée, mais elle est extrêmement raréfiée et donc visible à l'œil nu uniquement pendant les périodes d'éclipse solaire totale.

La surface visible du Soleil qui émet un rayonnement est appelée photosphère (sphère de lumière). Il est constitué de vapeurs chaudes de divers éléments chimiques à l’état ionisé.

Au-dessus de la photosphère se trouve l'atmosphère lumineuse, presque transparente du Soleil, constituée de gaz raréfiés, appelée chromosphère.

Au-dessus de la chromosphère se trouve l’enveloppe externe du Soleil, appelée couronne.

Les gaz qui forment le Soleil sont dans un état de mouvement violent (intense) continu, ce qui provoque l'apparition de ce qu'on appelle des taches solaires, des torches et des proéminences.

Les taches solaires sont de grands entonnoirs formés à la suite de mouvements vortex de masses de gaz, dont la vitesse atteint 1 à 2 km/s. La température des taches est inférieure de 1 500°C à la température du Soleil et est d'environ 4 500°C. Le nombre de taches solaires varie d'une année à l'autre avec une période d'environ 11 ans.

Figure 1.4 - Structure du Soleil

Les torches solaires sont des émissions d'énergie solaire et les protubérances sont des explosions colossales dans la chromosphère du Soleil, atteignant des altitudes allant jusqu'à 2 millions de kilomètres.

Les observations ont montré qu'avec l'augmentation du nombre de taches solaires, le nombre de facules et de proéminences augmente et, par conséquent, l'activité solaire augmente.

Avec une augmentation de l'activité solaire, des orages magnétiques se produisent sur Terre, qui ont un impact négatif sur les communications téléphoniques, télégraphiques et radio, ainsi que sur les conditions de vie. Une augmentation des aurores est associée au même phénomène.

Il convient de noter que pendant la période d'augmentation des taches solaires, l'intensité du rayonnement solaire augmente d'abord, ce qui est associé à une augmentation générale de l'activité solaire au cours de la période initiale, puis le rayonnement solaire diminue à mesure que la surface des taches solaires augmente, ayant une température 1500° inférieure à la température de la photosphère.

La partie de la météorologie qui étudie les effets du rayonnement solaire sur Terre et dans l'atmosphère s'appelle l'actinométrie.

Lors de travaux actinométriques, il est nécessaire de connaître la position du Soleil dans le firmament. Cette position est déterminée par l'altitude ou l'azimut du Soleil.

Hauteur du Soleil il s'appelle la distance angulaire du Soleil à l'horizon, c'est-à-dire l'angle entre la direction du Soleil et le plan de l'horizon.

La distance angulaire du Soleil par rapport au zénith, c'est-à-dire par rapport à sa direction verticale, est appelée azimut ou distance zénithale.

Il existe une relation entre la hauteur et la distance zénithale

(1.1)

L'azimut du Soleil est rarement déterminé, uniquement pour des travaux particuliers.

La hauteur du Soleil au-dessus de l'horizon est déterminée par la formule :

Où - latitude du site d'observation;

- la déclinaison du Soleil est l'arc de cercle de déclinaison de l'équateur au Soleil, qui est calculé en fonction de la position du Soleil de part et d'autre de l'équateur de 0 à ±90° ;

t - angle horaire du Soleil ou heure solaire vraie en degrés.

La valeur de la déclinaison du Soleil pour chaque jour est donnée dans les ouvrages de référence astronomiques sur une longue période.

En utilisant la formule (1.2), vous pouvez calculer à tout moment t la hauteur du soleil il ou à une hauteur donnée hc déterminer l'heure à laquelle le Soleil est à une hauteur donnée.

La hauteur maximale du Soleil à midi pour différents jours de l'année est calculée par la formule :

(1.3)