Солнечная радиация и перепады температур

Что такое солнечная радиация? Виды излучения и его влияние на организм

Что такое Солнце? В масштабах видимой Вселенной это – всего лишь крошечная звезда на окраине галактики, которая носит название Млечный Путь. Но для планеты Земля Солнце – не просто раскаленный сгусток газа, а источник тепла и света, необходимый для существования всего живого.

С доисторических времен дневное светило было объектом поклонения, его движение по небесной тверди ассоциировалось с проявлением божественных сил. Исследования Солнца и его излучения начались еще до принятия гелиоцентрической модели Николая Коперника, над его загадками ломали головы величайшие умы древних цивилизаций.

Технический прогресс подарил человечеству возможность изучить не только процессы внутри и на поверхности Солнца, но и изменения земного климата под его воздействием. Статистические данные позволяют дать четкий ответ на вопрос, что такое солнечная радиация, в чем она измеряется и определить ее влияние на живые организмы, населяющие планету.

Что называют солнечной радиацией

Природа солнечного излучения оставалась неясной до тех пор, пока в начале ХХ века выдающийся астроном Артур Эддингтон не предположил, что источником колоссальной солнечной энергии являются реакции термоядерного синтеза, которые происходят в его недрах. Температура вблизи его ядра (около 15 млн градусов) является достаточной для того, чтобы протоны преодолевали силу взаимного отталкивания и в результате столкновения образовывали ядра Гелия.

Впоследствии ученые (в частности – Альберт Эйнштейн) обнаружили, что масса ядра Гелия несколько меньше суммарной массы четырех протонов, из которых оно образуется. Этот феномен получил название дефекта масс. Проследив взаимосвязь массы и энергии, ученые обнаружили, что этот излишек выделяется в виде гамма-квантов.

При прохождении пути от ядра к поверхности Солнца через слои составляющих его газов, гамма-кванты дробятся и превращаются в электромагнитные волны, среди которых находится и видимый человеческому глазу свет. Этот процесс занимает около 10 млн лет. А для достижения солнечного излучения земной поверхности требуется всего 8 минут.

Солнечная радиация включает в себя электромагнитные волны с широким диапазоном и солнечный ветер, который представляет собою поток лёгких частиц и электронов.

Какие существуют виды солнечного излучения и его характеристики

На границе атмосферы Земли интенсивность солнечного излучения – постоянная величина. Энергия Солнца дискретна и переносится порциями (квантами) энергии, но их корпускулярный вклад относительно мал, поэтому солнечные лучи рассматриваются как электромагнитные волны, которые распространяются равномерно и прямолинейно.

Основной волновой характеристикой является длина волны, с помощью которой выделяют виды излучения:

• радиоволны;
• инфракрасное (тепловое);
• видимый (белый) свет;
• ультрафиолетовое;
• рентгеновское;
• гамма-лучи.

Солнечная радиация представлена инфракрасным (ИК), видимым (ВС) и ультрафиолетовым (УФ) излучением в соотношении 52%, 43% и 5% соответственно. Количественной мерой излучения Солнца считается энергетическая освещенность (плотность энергетического потока) – лучистая энергия, поступающая в единицу времени на единицу поверхности.

Распределение солнечной радиации по земной поверхности

Большая часть излучения поглощается атмосферой земли и нагревает ее до привычной для живых организмов температуры. Озоновый слой пропускает всего 1% ультрафиолетовых лучей и служит щитом от более агрессивного коротковолнового излучения.

Атмосфера поглощает около 20 % солнечных лучей, 30% рассеивает в разные стороны. Таким образом, на земную поверхность попадает только половина лучистой энергии, названная прямой солнечной радиацией.

На интенсивность прямого солнечного излучения влияет несколько факторов:

• угол падения солнечных лучей (географическая широта);
• расстояние от точки падения до Солнца (время года);
• характер отражающей поверхности;
• прозрачность атмосферы (облачность, загрязненность).

Рассеянное и прямое излучение составляют суммарную солнечную радиацию, интенсивность которой измеряется в калориях на единицу поверхности. Понятно, что солнечная радиация оказывает влияние только в дневное время суток и распределяется по земной поверхности неравномерно. Ее интенсивность увеличивает по мере приближения к полюсам, однако снега отражают большую долю лучистой энергии, в результате чего воздух не нагревается. Поэтому суммарный показатель уменьшается по мере отдаления от экватора.

Солнечная активность формирует климат Земли и воздействует на процессы жизнедеятельности организмов, которые ее населяют. На территории стран СНГ (в северном полушарии) в зимнее время года преобладает рассеянное излучение, в летнее – прямое.

Инфракрасное излучение и его роль в жизни человечества

Солнечная радиация представлена преимущественно инфракрасным излучением, невидимым человеческому глазу. Именно оно нагревает земную почву, которая впоследствии отдает тепло атмосфере. Таким образом, поддерживается оптимальная для жизни на Земле температура и привычные климатические условия.

Кроме Солнца источниками инфракрасного излучения являются все нагретые тела. По этому принципу работают все нагревательные приборы и устройства, которые позволяют разглядеть более или менее нагретые предметы в условиях плохой видимости.

То, что человек не в состоянии воспринимать инфракрасный свет, не уменьшает его влияния на организм. Этот вид излучения нашел применение в медицине благодаря таким свойствам:

• расширение кровеносных сосудов, нормализация кровотока;
• увеличение количества лейкоцитов;
• лечение хронических и острых воспалений внутренних органов;
• профилактика кожных заболеваний;
• удаление коллоидных рубцов, лечение незаживающих ранений.

Инфракрасные термографы позволяют вовремя выявить заболевания, не поддающиеся диагностике с помощью других методов (тромбы, раковые опухоли и т.д.). Инфракрасное излучение является своеобразным «противоядием» от негативного ультрафиолета, поэтому его целительные свойства применяются для восстановления здоровья людей, длительное время пребывавших в космическом пространстве.

Механизм воздействия инфракрасных лучей полностью не изучен и, как и любой вид радиации, при неграмотном использовании может нанести вред здоровью человека. Противопоказано лечение с помощью ИК-лучей при наличии гнойных воспалений, кровотечений, злокачественных опухолей, недостаточности мозгового кровообращения и сердечно-сосудистой системы.

Спектральный состав и свойства видимого света

Световые пучки распространяются прямолинейно и не накладываются друг на друга, что порождает справедливый вопрос, почему окружающий мир поражает многообразием различных оттенков. Секрет заключается в основных свойствах света: отражении, преломлении и поглощении.

Доподлинно известно, что предметы не испускают свет, он частично поглощается ими и отражается под разным углом в зависимости от частоты. Человеческое зрение эволюционировало веками, однако сетчатка глаза способна воспринимать только ограниченный диапазон отраженного света в узком промежутке между инфракрасным и ультрафиолетовым излучением.

Изучение свойств света породило не только отдельную отрасль физики, но и ряд ненаучных теорий и практик, основанных на влиянии цвета на психическое и физическое состояние индивидуума. Оперируя этими знаниями, человек оформляет окружающее пространство в наиболее приятном для глаз цвете, что делает быт максимально комфортным.

Ультрафиолетовое излучение и его влияние на организм человека

Ультрафиолетовый спектр солнечного света состоит из длинных, средних и коротких волн, которые отличаются физическими свойствами и характером воздействия на живые организмы. Ультрафиолетовые лучи, которые относятся к длинноволновому спектру, преимущественно рассеиваются в атмосфере и не достигают поверхности земли. Чем меньше длина волны, тем глубже проникает ультрафиолет в кожные покровы.

Ультрафиолетовое излучение необходимо для поддержания жизни на Земле. На организм человека УФ-лучи оказывают следующее влияние:

• насыщение витамином D, необходимым для формирования костной ткани;
• профилактика остеохондроза и рахита у детей;
• нормализация обменных процессов и синтеза полезных ферментов;
• активация регенерации тканей;
• улучшение кровообращения, расширение сосудов;
• повышение иммунитета;
• снятие нервного возбуждения за счет стимуляции выработки эндорфинов.

Несмотря на объемный перечень положительных качеств, солнечные ванны не всегда эффективны. Длительное пребывание на солнце в неблагоприятное время или в периоды аномально высокой солнечной активности сводит на нет полезные свойства УФ-лучей.

Ультрафиолетовое облучение в больших дозах имеет результат прямо противоположный ожидаемому:

• эритему (покраснение кожи) и солнечные ожоги;
• гиперемию, отечность;
• повышение температуры тела;
• головные боли;
• нарушение функций иммунной и центральной нервной систем;
• снижение аппетита, тошнота, рвота.

Эти признаки являются симптомами солнечного удара, при котором ухудшение состояния человека может происходить незаметно. Порядок действий при солнечном ударе:

• переместить человека из зоны воздействия прямых солнечных лучей в прохладное место;
• положить на спину и поднять ноги на возвышение, чтобы нормализовать кровообращение;
• ополоснуть лицо и шею прохладной водой, желательно сделать компресс на лоб;
• обеспечить возможность свободно дышать и избавить от тесной одежды;
• в течение получаса дать напиться небольшим количеством чистой холодной воды.

В тяжелых случаях при потере сознания необходимо вызвать бригаду скорой помощи и по возможности привести пострадавшего в чувство. Медицинская помощь больному заключается в экстренном введении глюкозы или аскорбиновой кислоты внутривенно.

Правила безопасного загара

УФ-лучи стимулируют синтез особого гормона меланина, с помощью которого кожа человека темнеет и принимает бронзовый оттенок. Споры о пользе и вреде загара ведутся не одно десятилетие.

Доказано, что загар – это защитная реакция организма на облучение ультрафиолетом, а чрезмерное увлечения солнечными ваннами увеличивает риск возникновения злокачественных образований.

Если желание отдать дань моде преобладает, необходимо понимать, что такое солнечная радиация, как от нее защититься и следовать простым рекомендациям:

• загорать постепенно исключительно в утреннее или вечернее время;
• не находиться под прямыми солнечными лучами более часа;
• наносить на кожу защитные средства;
• пить больше чистой воды, чтобы избежать обезвоживания;
• включить в рацион продукты, в которых содержится витамин Е, бета-каротин, тирозин и селен;
• ограничить употребление алкогольных напитков.

Реакция организма на облучение ультрафиолетом индивидуальна, поэтому время для солнечных ванн и их длительность должны подбираться с учетом типа кожи и состояния здоровья человека.

Крайне противопоказан загар беременным, пожилым, людям с заболеваниями кожи, сердечной недостаточностью, психическими расстройствами и при наличии злокачественных образований.

Теплопоступления от солнечной радиации

Теплопоступления от солнечной радиации, через световые проемы и через покрытия учитываются в тепловом балансе для теплого периода года, для наиболее жаркого месяца года и расчетного времени суток.

Расчетным часом суток для выбора воздухообмена является час, когда ожидаются самые большие теплоизбытки в помещении, т.е. когда наиболее суммарные теплопоступления от солнечной радиации и прочих источников теплопоступлений. Час максимальных тепловыделений по технологическим условиям указывается в задании на разработку проекта.

А.Теплопоступления от солнечной радиациичерез световые проемы

Максимальные теплопоступления от солнечной радиации через окна, фонари, витражи, остеклен­ные части балконных и входных дверей в здание Q_cp, кДж/ч, происходят в периоды максимального сол­нечного облучения наружной поверхности соответ­ствующего ограждения. Эти поступления теплоты складываются из тепла солнечной радиации, непо­средственно прошедшей через остекленную часть конструкции ограждения Q_п.р, и из теплового потока за счет теплопередачи через заполнение Q_тп

При проектировании вентиляции, в том числе и с (адиабатическим) охлаждением приточного воздуха, поступление тепла в помещение за счет солнечной радиации и разности температур наружного и внутреннего воздуха, через световые проемы Q_с.р, кДж/ч, следует определить по формуле:

Первое слагаемое этой суммы находим по фор­муле

где q_п, q_р — максимальная интенсивность прямой и рассеянной солнечной радиации, пада­ющей на светопроем, Вт/м 2 . В зависи­мости от географической широты райо­на строительства и ориентации ограж­дения определяется по [17] или табл. 2.4; А_ок — площадь светопроема, м 2 ; β₁ — коэффициент теплопропускания окон с учетом затенения непрозрачной частью (переплетами) заполнения светопроема, определяется по [17] или табл. 2.5; β₂ —коэффициент теплопропускания про­зрачной частью заполнения светопроема, определяется по [17] или табл. 2.6; β₃ — коэффициент теплопропускания неста­ционарными солнцезащитными устрой­ствами, определяется по [17] или табл. 2.7; К_обл — коэффициент облучения поверхности светопроема рассеянной радиацией К_обл = 0,85; К_инс—коэффициент инсоляции, учитывающий долю прошедшего потока падающей на вертикальный световой проем прямой солнечной радиации после затенения наружными козырьками или вертикальными ребрами. При отсутствии козырьков о вертикальных ребер К_инс=1

Максимальная солнечная радиация (прямая q_п / рассеянная q_р)

на горизонтальную и различно ориентированные вертикальные поверхности

при безоблачном небе в июле, Вт/м 2

Коэффициенты теплопропускания окна β₁ с учетом затенения

непрозрачной частью заполнения светопроема

Коэффициент теплопропускания β₂ прозрачной частью

* Заполнение стеклопакета аргоном не влияет на его лучепропускающую способность

Коэффициент теплопропускания β₃ солнцезащитными устройствами

Примечания: 1. Коэффициенты теплопропускания даны дробью: в числителе – для жалюзи с пластинами под углом 45 о , в знаменателе – для жалюзи с пластинами под углом 90 о к плоскости проема.

2. Коэффициенты теплопропускания межстекольными проветриваемыми солнцезащитными устройствами в два раза ниже приведенных коэффициентов для межстекольных непроветриваемых устройств.

Теплопоступления через заполнения светопроемов за счет теплопередачи в результате разности температур и нагрева стекол солнцем определяется только в том случае, если температура воздуха в помещение ниже наружной. В курсовом проекте температура воздуха в расчетных помещениях принимается выше наружной, поэтому расчет второго слагаемого в формуле (2.7) не требуется.

Пример 2.3.Определить теплопоступление солнечной радиации через четыре окна в помещении, расположенное на 56 о с.ш., заполнение световых проемов ориентировано на ЮЗ. Остекление окон одинарное в металлических переплетах, толщина стекла δ = 2,5 мм. Размеры окон: высота 1,8 м, ширина 2 м..

Решение. Теплопоступление солнечной радиации, непосредственно прошедшей через остекленную часть конструкции Q_п.р определяется по формуле (2.8):

Здесь q_п = 551 Вт/м 2 и q_р = 145 Вт/м 2 определены по табл. 2.4 при географической широте района строительства 56 о с.ш. и юго-западной ориентации.

β₁ = 0,9 по табл. 2.5дляодинарного переплета;

β₂ = 0,95 по табл. 2.6 для одинарного остекления из обычного стекла толщиной

β₃ = 1, так как никаких нестационарных солнцезащитных устройств не предусмотрено.

Б. Теплопоступление через покрытие

Поступление тепла в помещение в теплый период года, через совмещенные покрытия зданий и сооружений для любого расчетного часа суток Q_т.п, кДж/ч, определяется по формуле:

Q_т.п =3,6· (t_усл – t_в )·А_огр·K = 3,6· ·А_огр·K , (2.11)

где t_н — расчетная температура наружного воз­духа, °С; q_п, q_р — максимальная интенсивность прямой и рассеянной солнечной радиации, пада­ющей на горизонтальную поверхность, Вт/м 2 . В зависи­мости от географической широты райо­на строительства определяется по табл. 2.4; А_огр — площадь покрытия, м 2 ; Р —коэффициент поглощения солнечной радиации наружной поверхностью покрытия: для асфальтового покрытия ρ = 0,9; для рубероида с алюминиевой покраской Р = 0,5; с серой песчаной посыпкой Р = 0,9; с красной песчаной посыпкой Р = 0,95; для толи Р = 0,85; для шифера серебристо-серого Р = 0,75; t_у — расчетная температура удаляемого воздуха под перекрытием, °С; К — коэффициент теплопередачи покрытия, К = 1/R_о, Вт/(м 2 · °С); α_н — коэффициент теплоотдачи наружной по­верхностью покрытия, Вт/м 2 , опреде­ляется по формуле:

α_н = 1,16 · (5 + 10· ), (2.12)

где — расчетная скорость ветра, м/с, для теп­лого периода, принимается по [6] или прил.1; R_о – сопротивление теплопередачи заполнения светопроема, (м 2 ∙ о С/Вт), определяемое теплотехническим расчетом или принимается не менее нормируемых значений сопротивления теплопередачи заполнения светопроема R_норм: R_норм, – определяется в зависимости от градусо-суток отопительного периода района строительства (табл. 4 [8]).

Градусо-сутки отопительного периода, ГСОП, определяют по формуле

где t_в – расчетная температура воздуха в помещении, о С; t_ср.от.п – средняя температура отопительного периода, о С, принимается по [10] или прил.1; Z_от – продолжительность отопительного периода в сутках, принимается по [10] или прил.1.

Тогда R_норм определяется по формулам:

для жилых, лечебно-профилактических и детских учреждений, школ, интернатов, гостиниц и общежитий

для общественных, кроме указанных выше, административных и бытовых, производственных и других зданий и помещений

Параметры удаляемого воздуха являются функцией параметров воздуха в рабочей зоне помещения (высотой 1,5 м от пола), высоты помещения и интенсивности выделения тепла и влаги в помещении.

Температура, удаляемого воздуха может быть определена по формуле:

где H_п – высота помещения, м; gradt – температурный градиент, принимается в зависимости от теплонапряженности помещения по [5] или по табл. 2.8.

Градиенты температуры воздуха по высоте помещений жилых

и общественных зданий

Пример 2.4. Определить теплопоступления от солнечной радиации через покрытие площадью F = 60 м 2 , для общественного здания (г. Рязань, географическая широта 56 о с.ш.). Исходные данные: t_в = 20 0 С; t_ср.от.п = -3,5 0 С; Z_от = 208 сут.; = -27 0 С; = 15,2 0 С; =22,8 0 С; = 3 м/с; I_ср = 327 Вт/м 2 ; Р= 0,9. Высота помещения 3м.

Решение. Определяем градусо-сутки отопительного периода по формуле 2.13. ГСОП = [20- (-3,5)]∙208 = 4888. Сопротивление теплопередачи покрытия по формуле 2.15 составит: R_о = R_пр = 1,6 + 0,0004×4888 = 3,56 м 2 ∙ о С/Вт. Коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции, по формуле 2.12 α_н = 8,7 + 2,6×3 = 16,5 Вт/(м 2 ∙ 0 С).

Температура уходящего воздуха под перекрытием по формуле 2.16 t_ух = 20+1,1(3-1,5) = 21,65 0 С.

Теплопоступления солнечной радиации за счет теплопередачи через покрытие при параметрах А наружного воздуха по формуле 2.11 составит:

Q_т.п =3,6· ·А_огр·K = 3,6· ·60·1/3,56 = 3075 кДж/ч.

Здесь q_п = 691 Вт/м 2 и q_р = 126 Вт/м 2 найдены по табл. 2.4 при географической широте 56 о с.ш. для горизонтальной поверхности.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Для студента самое главное не сдать экзамен, а вовремя вспомнить про него. 10561 – | 7762 – или читать все.

Эта статья перенесена сюда!

Источником тепловой и световой энергии для Земли является солнечная радиациия. Ее величина зависит от широты места, так как от экватора к полюсам угол падения солнечных лучей уменьшается. Чем меньше угол падения солнечных лучей, тем на большую поверхность распределяется пучок солнечных лучей одинакового сечения, а следовательно на единицу площади приходится меньше энергии.

Благодаря тому, что в течение года Земля совершает 1 оборот вокруг Солнца, перемещаясь, сохраняя постоянство угла наклона своей оси к плоскости орбиты (эклиптики) появляются сезоны года, характеризующиеся разными условиями нагрева поверхности.

21 марта и 23 сентября Солнце стоит в зените под экватором (Дни равноденствия). 22 июня Солнце в зените над Северным Тропиком, 22 декабря – над Южным. На земной поверхности выделяют пояса освещенности и тепловые пояса (по среднегодовой изотерме +20 о С проходит граница теплого (жаркий) пояса; между среднегодовыми изотермами +20 о С и изотермой +10 о С расположен умеренный пояс; по изотерме +10 о С – границы холодного пояса.

Солнечные лучи проходят через прозрачную атмосферу, не нагревая ее, они достигают земной поверхности, нагревают ее, а от нее за счет длинноволнового излучения нагревается воздух. Степень нагрева поверхности, а значит и воздуха, зависят, прежде всего, от широты местности, а также от 1) высоты над уровнем моря (с подъемом вверх температура воздуха уменьшается в среднем на 0,6ºС на 100 м .; 2) особенностей подстилающей поверхности которая может быть разной по цвету и иметь различное альбедо – отражающую способность горных пород. Также разные поверхности имеют разную теплоемкость и теплоотдачу. Вода из-за высокой теплоемкости медленно нагревается и медленно, а суша наоборот. 3) от побережий в глубь материков количество водного пара в воздухе уменьшается, а чем прозрачнее атмосфера, тем меньше рассеивается в ней солнечных лучей каплями воды, и больше солнечных лучей достигает поверхности Земли.

Вся совокупность солнечной материи и энергии, поступающая на землю называется Солнечная радиация. Она делится на прямую и рассеянную. Прямая радиация – это совокупность прямых солнечных лучей, пронизывающих атмосферу при безоблачном небе. Рассеянная радиация – часть радиации, рассеивающаяся в атмосфере, лучи при этом идут во всех направлениях. П + Р = Суммарная радиация. Часть суммарной радиации отраженная от поверхности Земли называется отраженная радиация. Часть суммарной радиации поглощенная поверхностью Земли – поглощенная радиация. Тепловая энергия, движущаяся от нагретой атмосферы к поверхности Земли, навстречу потоку тепла от Земли называется встречное излучение атмосферы.

Годовое количество суммарной солнечной радиации в ккал/см 2 год (по Т.В. Власовой).

Эффективное излучение – величина, выражающая фактический переход тепла от поверхности Земли к атмосфере. Разница между излучением Земли и встречным излучением атмосферы определяет прогрев поверхности. От эффективного излучения напрямую зависит радиационный баланс – результат взаимодействия двух процессов прихода и расхода солнечной радиации. На величину баланса во многом влияет облачность. Там где она значительная в ночное время она перехватывает длинноволновое излучение Земли не давая ему уйти в космос.

От поступления солнечной радиации напрямую зависят температуры подстилающей поверхности и приземных слоев воздуха и тепловой баланс.

Тепловой баланс определяет температуру, ее величину и изменение на той поверхности, которая непосредственно нагревается солнечными лучами. Нагреваясь, эта поверхность, передает тепло (в длинноволновом диапазоне) как ниже лежащим слоям, так и атмосфере. Саму поверхность называют деятельной поверхностью.

Основные составляющие теплового баланса атмосферы и поверхности Земли как целого

Энергия поступающая к поверхности Земли от Солнца

Солнечная радиация и перепады температур

СОЛНЕЧНАЯ РАДИАЦИЯ И КЛИМАТ ЗЕМЛИ

«Издавно известно и не подлежит сомнению, что солнечная радиация – главный источник тепла для земного шара»
А.И. Воейков
Метеорология.
С.- Петербург, Издание картографического заведения А. Ильина,
1903., с. 39.

«Важнейшей причиной всех тепловых явлений на земной поверхности и в атмосфере является солнечная радиация, ее пространственное распределение, обусловленное формой земной поверхности, и ее изменения со временем, связанные с обращением Земли вокруг Солнца и вокруг своей оси»
М. Миланкович
Математическая климатология и астрономическая теория
колебаний климата. – М.–Л.: ГОНТИ, 1939., с. 5 .

Проблема изменения современного глобального климата и, прежде всего, его температурных характеристик представляется актуальной для современной науки и практики (http://www.ipcc.ch/). Эта проблема определяется необходимостью прогнозирования последствий климатических изменений для природной среды и общества. Наиболее важным в проблеме исследования и прогнозирования изменений климата является вопрос о причинах, вызывающих эти изменения ( Кондратьев, 1987, 1992; Монин, Шишков, 2000 ).

Климат – это многолетнее состояние природной среды, которое характеризуется усредненными по времени для некоторого района (или Земли) гидрометеорологическими, почвенно–биологическими и другими показателями. Среднее многолетнее состояние природной среды принимается за климатическую норму. Изменения состояния природной среды относительно нормы характеризуется аномалией. Погода – текущее состояние природной среды. Климат характеризуется погодными условиями, но не определяется ими. Типы погоды соответствуют типу климата и определяются им, т.е. многолетним состоянием природной среды в данном месте. Предметом наших исследований является климат Земли (глобальный климат).

Важнейшей характеристикой климатических условий является температурный режим, определяющий многие особенности жизни населения и окружающей природной среды. Приповерхностная температура воздуха (ПТВ) и температура поверхности Мирового океана (ТПО) характеризует термическое состояние климатической системы Земли, которое определяется приходящей от Солнца лучистой энергией и парниковым эффектом планеты. Изменения глобальной температуры являются важнейшим показателем изменения климата.

Солнечная радиация является основным источником энергии, определяющим радиационный и тепловой баланс Земли ( Зубов, 1938; Шулейкин, 1953; Лоренц, 1970; Будыко, 1968, 1980; Кондратьев, 1980; Монин, Шишков, 2000 ). С широтными особенностями распределения солнечной радиации связано расположение климатических поясов (широтная зональность). В древности Гиппархом (древнегреческий астроном, географ и математик II-го века до нашей эры) было дано объяснение годовой смене климатических сезонов. Эта смена объяснялась изменением наклона падения солнечных лучей, связанным с орбитальным движением Земли и наклоном оси ее вращения (климат в переводе с греческого языка означает – наклон). Кроме этого, отмечаются вековые, периодические и межгодовые изменения климата, причины которых пока однозначно не определены.

В регулировании поступления солнечной радиации к Земле (без учета атмосферы) и распределении ее по земной поверхности (солярный климат Земли) выделяются два механизма, имеющие различную физическую природу. Один механизм связан с изменением активности Солнца. Другой механизм определяется небесно-механическими процессами, изменяющими элементы земной орбиты (расстояние Земля – Солнце, продолжительность тропического года и др.), наклон оси вращения и связанные с ними изменения в инсоляции Земли. Этот механизм анализируется в наших исследованиях. В перераспределении тепла в климатической системе Земли (в атмосфере и океане) участвуют механизмы межширотного теплообмена («тепловая машина первого рода»), теплообмена в системе океан – материк, связанного с реверсивной сезонной сменой областей холода и тепла («тепловая машина второго рода»), в системе океан – атмосфера и др. ( Шулейкин, 1953 ). Важным фактором в регулировании термического режима Земли является состав атмосферы (прежде всего, содержание Н₂О), определяющий роль парникового эффекта и ее изменение ( Монин, Шишков, 2000, Алексеев, 2016; Малинин, Гордеева, 2015 ).

В XX веке отмечена тенденция повышения глобальной приповерхностной температуры, однако причины этого однозначно не определены (http://www.cru.uea.ac.uk/. ). Широко распространено мнение о том, что основной причиной изменения глобального климата является «парниковый» эффект, связанный, главным образом, с эмиссией парниковых газов, определяемой антропогенным фактором (http://www.ipcc.ch/; http://www.wmo.int/. ). В то же время, не подвергается сомнению то, что солнечная радиация имеет важнейшее значение в генезисе климата. Таким образом, вопрос о причинах изменения климата (антропогенные или естественные причины) остается открытым.

На исследование причин изменения климата направлен ряд международных научных программ, например, координируемые МСНС (Международный совет научных союзов), ЮНЭСКО и ВМО (Всемирная метеорологическая организация) Всемирная климатическая программа и Всемирная программа исследования климата. Повышенное внимание в настоящее время уделяется исследованиям изменения аномалии ПТВ в связи с изменением парникового эффекта планеты (http://www.ipcc.ch/). В то же время, вопросы изменения аномалии ПТВ в связи с пространственными и временными вариациями инсоляции исследованы еще не достаточно.

Основная задача наших научных исследований – определение влияния инсоляции и ее изменений, связанных с небесно-механическими процессами, на формирование и изменение аномалии ПТВ и ТПО отражающее современное состояние и динамику термического режима климатической системы Земли. Поскольку проблема изменения климата в настоящее время приобрела научное и политическое содержание (Киотский протокол, Парижское соглашение по климату, Климатическая доктрина РФ), другой нашей задачей является изменение общественных и политических представлений относительно причин и последствий изменения климата. Постановка и необходимость решения этой второй задачи определяется результатами, полученными при решении основной научной задачи.

Солнечная радиация и перепады температур

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 ( l × 10 -10 м) приходится около 9% энергии солнечного излучения, на волны видимой части спектра ( l =3900 × 10 -10 . 7600 × 10 -10 м) – около 41% и на инфракрасные волны ( l =7600 × 10 -10 . 1000000 × 10 -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 × 10 -3 до 78,4 × 10 -3 Вт × см -2 , при наличии солнца и облаков в 9,8 × 10 -3 до 80,5 × 10 -3 Вт × см -2 , при сплошной облачности от 4,2 × 10 -3 до 25,9 × 10 -3 Вт × см -2 .

Поток суммарной радиации также зависит и от самих облаков, если солнце просвечивает через перистые облака, то поток суммарной радиации будет изменяться от 4,9 × 10 -3 до 64,4 × 10 -3 Вт × см -2 , если же облака слоистые – от 3,5 × 10 -3 до 38,5 × 10 -3 Вт × см -2 . Влияние на величину суммарной радиации оказывает также высота облаков, если облака высокие, поток изменяется от 5,6 × 10 -3 до 49,7 × 10 -3 Вт × см -2 , если низкие – от 6,3 × 10 -3 до 27,3 × 10 -3 Вт × см -2 .

Интегральная плотность теплового потока солнечной радиации зависит от высоты. До 15 км интегральная плотность теплового потока составляет 1125 Вт/м 2 , в том числе плотность потока ультрафиолетовой части спектра ( l =280-400 мкм) – 42 Вт/м 2 , свыше 15 км – 1380 Вт/м 2 , плотность потока ультрафиолетовой части спектра – 10,0 Вт/м 2 .

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 дополнительные количества 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/(м 2 × 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 тела солнечными лучами зависит от 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.3.4.1

Рис. 3.4.1 Схема для определения баланса излучения стенок кожуха

Толщина стенок кожуха мала, поэтому можно допустить, что температуры наружных и внутренних поверхностей стенок кожуха одинаковы. Пользуясь уравнением Стефана-Больцмана, составляем баланс излучения стенок кожуха.

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

При температурном равновесии системы справедливы следующие математические зависимости:
d Т_В 4 = d /2 (Т_D 4 – Т_В 4 ) ;
d Т_D 4 = 1/2(1,6+ d Т_В 4 ) ,
где Т_В– температура крышки кожуха, К;
Т_D– температура дна кожуха, К;
Т_S– температура почвы, К;
d – постоянная излучения.

Солнечная радиация – влияние на организм и меры защиты

Все что мы видим вокруг, материя, земля, вода, воздух — миллиарды лет назад появилось в недрах звезд. Мир вокруг нас существует благодаря небесным светилам и их дарам. Жизнь на Земле зародилась и существует благодаря энергии нашей звезды — Солнца. Вся энергия излучаемая Солнцем именуется солнечной радиацией.

Под радиацией, принято считать, ионизирующие излучения, сопровождающие ядерные и термоядерные реакции, оказывающие исключительно вредное и опасное воздействие на живые организмы. Солнечная радиация это более обширное понятие, включающее в себя совокупность материи, волнового и теплового излучения поступающих нам от светила. При ее недостатке, невозможно нормальное развитие и функционирование человеческого организма, избыток оказывает отрицательное воздействие и может быть губителен.

Состав солнечной радиации и ее виды

Солнечное излучение включает в себя электромагнитную и корпускулярную составляющие. Корпускулярное — это поток протонов, электронов и альфа-частиц обладающих большой энергией и образующих солнечный ветер. Поверхность планеты, надежно защищена от губительного воздействия, этого вида излучения, мощным магнитным полем порождаемым ядром Земли. Частицы прошедшие магнитный барьер задерживаются в верхних слоях атмосферы — ионосфере, вызывая красочную цветную феерию — полярное сияние. В сравнении с волновым излучением, энергия корпускулярного невелика и практически не оказывает влияния на биосферу Земли.

Электромагнитное солнечное излучение, в зависимости от длинны волны, подразделяется на:

• гамма-излучение.
• рентгеновское.
• радиоволны.
• инфракрасное — тепловое.
• свет видимой глазом части спектра.
• ультрафиолетовое.

Рентгеновское и гамма-излучение почти полностью рассеиваются в ионосфере, не достигают поверхности и существенного влияния на формирование климата не оказывают.

Основную роль в развитии жизни на Земле играет коротковолновая солнечная радиация — инфракрасное и ультрафиолетовое излучение, невидимая глазом часть спектра. Причем две трети от совокупности энергии солнца составляет тепло и видимый свет. На ультрафиолет приходится менее 9%, озоновый слой пропускает всего 1%, тем не менее, он является чрезвычайно важным для всех живых организмов. Благодаря ультрафиолетовому излучению идут процессы фотосинтеза в растениях и протекают сложные химические реакции органических соединений. Чрезмерное воздействие ультрафиолета губительно для всего живого.

Солнечную радиацию подразделяет на прямую и рассеянную. Прямая это половина всего излучения достигающего поверхности. Рассеянная — вторая половина, задерживаемая и поглощаемая атмосферой.

Как влияет на организм человека

Солнечная радиация необходима для жизнедеятельности человека. Однако все хорошо в меру, избыток излучения несомненно вреден и может быть опасен для здоровья.

Ультрафиолетовое излучение — невидимая человеческому глазу часть солнечного спектра. Поверхности земли достигает лишь небольшая его часть, с наиболее короткой длинной волны. В разумных пределах, оказывает исключительно положительное влияние на человека, а именно:

• под влиянием ультрафиолета синтезируется витамин D, отвечающий за связывание соединений кальция и формирование костной ткани. Особенно это важно для развивающегося детского организма. При недостатке солнечного света, велик риск нарушения роста и развития рахита.
• обладает бактерицидным действием, нормализует обмен веществ, укрепляет иммунную систему организма.
• стимулирует выработку эндорфинов. Именно поэтому, в ясную солнечную погоду почти всегда хорошее настроение и отличное самочувствие.

Однако, превышение допустимых значений ультрафиолетового облучения, крайне опасно и вредно. Длительное пребывание на открытом воздухе в неблагоприятное время дня может вызвать солнечные ожоги, тепловые удары, способствует развитию онкологических заболеваний, изменению состава крови.

Видимая человеческому глазу часть спектра солнечной радиации позволяет получать 80% процентов информации о внешнем мире. Свет регулирует фазы бодрствования — сна, влияет на скорость обмена веществ, общее самочувствие, эмоциональное настроение.

Цветовая гамма, интенсивность освещения оказывают психофизиологическое воздействие на человека. Холодные оттенки синего и фиолетового угнетают активность организма, способствуют понижению артериального давления и сердечного ритма. Красный и теплые цвета, наоборот увеличивают скорость реакции, возбуждают центральную нервную систему. Средняя часть видимого спектра — оттенки зеленого и желтого, успокаивают, положительно влияют на работоспособность и настроение.

Недостаточная освещенность снижает эффективность зрительного аппарата, повышает утомляемость и угнетает эмоциональное состояние людей.

Инфракрасное излучение — является по сути тепловым. Невидимое глазу, именно оно играет решающую роль в формировании климатических условий на планете.

Влияние на человека заключается в создании температурного режима. Оптимальная комфортная температура внешней среды от +18 до 25С. При ее превышении повышается нагрузка на сердечно-сосудистую систему, снижается работоспособность и концентрация внимания. Понижение температуры, требует от человека дополнительных затрат на тепловую защиту. Влияет на психоэмоциональное состояние.

Инфракрасное излучение широко используется в медицине для диагностики и лечения различных заболеваний. Тепло активизирует защитные силы организма для борьбы с инфекциями.

Как защитить себя от солнечной радиации

Следует понимать, что главная защита от вредного воздействие радиации это ограничение времени пребывания под прямыми солнечными лучами. Принимать солнечные ванны можно только в утренние и вечерние часы, когда высота светила над горизонтом не велика и атмосфера земли, создает дополнительную защиту агрессивному излучению.

Использование солнцезащитных кремов, частично спасает кожу от ожогов, но не дает должного эффекта против уфльтрафиолета самого короткого диапазона.

Поэтому, если нет возможности переждать полуденную жару в помещении, единственной надежной защитой, является использование одежды светлых оттенков, головного убора, солнцезащитных очков. Несмотря на высокую температуру воздуха, ткань должна закрывать большую часть тела и не допускать длительного контакта отдельных участков кожи с солнечным излучением.

Нужно помнить, что активное полуденное солнце опасно не только ожогами, но и прежде всего нарушением обмена веществ, сбоем общего гормонального фона, как следствие риском развития онкозаболеваний кожи и кроветворной системы организма.

На настоящий момент времени, доказано, что солнечный загар является защитной функцией кожи и никакого положительного эффекта в себе не несет. Поэтому нет ни какой необходимости рисковать здоровьем, ради сомнительной красоты. Человеческому организму, для поддержания необходимого уровня воздействия ультрафиолета, вполне достаточно одного часа утром на пляже, излучения получаемого в течение дня и вечерней прогулки.

Радиационный баланс и влияние радиации на климат

Рассеянная радиация вносит свой вклад в формирование климата на планете, однако, решающую роль играет прямая, достигающая земли и нагревающая ее. Поверхность, в свою очередь становится источником инфракрасного излучения, которое частично задерживается содержащимися в атмосфере парниковыми элементам — водяным паром, углекислым газом, пылью. Возникает эффект обмена энергией, когда излучене земли компенсируется противоизлучением атмосферы, который получил название радиационного баланса.

Радиационный баланс может быть как положительным, так и отрицательным. Летним днем, тепловая энергия накапливается у поверхности, приток ее больше чем рассеяние, что вызывает повышение температуры, увеличение концентрации водяного пара и соответственно увеличение парникового эффекта.

Зимой, когда угол падения прямых солнечных лучей низок, продолжительность дня уменьшается, поверхность нагревается менее интенсивно, радиационный баланс становится отрицательным, что вызывает понижение температуры. С наступлением заморозков, влажность воздуха резко снижается, потери тепловой энергии землей еще более увеличиваются. Температура начинает понижаться до очередной точки равновесия радиационного баланса.

На значение радиационного баланса и климат конкретного региона влияет географическая широта, из-за наклона оси вращения земли. Особенности рельефа, формирующие розу ветров, расстояние от побережья океана и морские течения.

Мы все существуем благодаря Солнцу и его энергии, однако нельзя забывать, что мир не статичен. На протяжении истории, условия на Земле неоднократно кардинально менялись, от ледниковых периодов до жарких тропиков. Воздействие солнечной радиации на жизнедеятельность человека и климат на планете носит решающий характер. Мы еще не научились управлять погодой и не до конца изучили механизмы формирования климата.

Поэтому, чтобы человек не оказался в роли очередного динозавра или мамонта, крайне необходимы дополнительные исследования в этой области.