Солнечная энергия, получаемая Землей непосредственно от Солнца, является источником тепловой энергии почти для всех природных процессов, развивающихся в атмосфере, гидросфере и верхних слоях литосферы. Излучение Солнца, или солнечная радиация,распространяется в. пространстве в виде электромагнитных волн со скоростью около 300 тыс. км/с.
Количество солнечного света и тепла, получаемого земной поверхностью, зависит прежде всего от продолжительности дня (рис. 13) и высоты солнца над горизонтом (табл. 11), что связано с широтой места. Самый короткий день 22 декабря в Якутске длится всего 5 ч 9 мин. В этот день солнце поднимается над горизонтом на 4,5°. Самый длинный день 22 июня длится в Якутске 19 ч 45 мин. 27 мая начинаются «белые ночи», которые продолжаются по 18 июля. Якутские белые ночи не воспеты поэтами с такой проникновенностью, как ленинградские, но от этого их прелесть ни в коей мере не меньше.
3.1. Продолжительность солнечного сияния
Солнечным сиянием называется освещение земной поверхности прямыми лучами солнца. Возможная продолжительность солнечного сияния зависит от продолжительности дня, фактическая — от облачности и закрытости горизонта лесом, строениями, холмами или другими объектами. Продолжительность солнечного сияния является одной из основных характеристик радиационного режима. Средняя продолжительность солнечного сияния в Якутске составляет около 2300 ч/год, т. е. около половины теоретически возможной; в году бывает только 72 дня без солнца (см. табл. 14 приложения). Большая продолжительность солнечного сияния связана с большой продолжительностью дня летом и с большой повторяемостью ясной и малооблачной погоды.
Продолжительность солнечного сияния имеет простой годовой ход с максимумом в июне (345 ч) и минимумом в декабре (16 ч) (рис. 14). Нарастание продолжительности от минимума к максимуму и убывание ее неравномерное.
В отдельные годы значения продолжительности солнечного сияния могут значительно отклоняться от средних. Об изменчивости продолжительности солнечного сияния дает представление среднее квадратическое отклонение (а) (см. табл. 14 приложения)
Число дней без солнца в течение года распределяется неравномерно: на три месяца (ноябрь—январь) приходится 68 % годового количества дней без солнца, а на остальные месяцы (февраль— октябрь) — всего 32 %, что составляет 23 дня (табл. 14 приложения) .
Отношение наблюдавшейся продолжительности солнечного сияния к возможной имеет максимум (72 %) в марте, когда морозные туманы уже закончились и много ясных дней, а минимум (12% )— в декабре.
ум (12% )— в декабре. Продолжительность солнечного сияния имеет хорошо выраженный суточный ход с максимумом в околополуденные часы (78, ч.1 )
Наряду с суммарной продолжительностью солнечного облучения важной характеристикой радиационного режима является его непрерывная продолжительность (см. табл. 15 приложения). В течение года непрерывная продолжительность чаще всего составляет 2—6 ч; продолжительность более 10 ч в сутки отмечается с марта по октябрь с максимумом в апреле (51 %).
3.2. Радиационный баланс подстилающей поверхности
Различают несколько видов солнечной радиации: прямую, рассеянную, суммарную, отраженную и поглощенную.
Солнечная радиация, поступающая на деятельную поверхность в виде пучка параллельных лучей, исходящих непосредственно от солнечного диска, называется прямой солнечной радиацией (S, S').
Проходя через атмосферу, солнечная радиация частично рассеивается молекулами газов воздуха, твердыми и жидкими частицами, взвешенными в воздухе, и особенно облаками. Часть солнечной радиации, поступающая на земную поверхность после рассеяния в атмосфере, называется рассеянной радиацией (D). Прямая и рассеянная радиация относятся к коротковолновой части спектра. Общий приход солнечной радиации на горизонтальную поверхность, состоящий из прямой и рассеянной радиации, называется суммарной радиацией (Q).
На земной поверхности происходит перераспределение поступающей солнечной радиации: часть ее отражается от земной поверхности в атмосферу — отраженная коротковолновая радиация (Як), остальная часть поглощается земной поверхностью — поглощенная коротковолновая радиация (Вк).
Количество отраженной радиации зависит от свойств деятельной поверхности (цвета, увлажненности, структуры и т. д.). Величина, характеризующая отражательную способность поверхности, определяется отношением отраженной радиации к поступающей на данную поверхность суммарной радиации; эта величина называется альбедо (А) и выражается в процентах.
Наряду с коротковолновой радиацией к земной поверхности поступает длинноволновое излучение атмосферы (встречное излучение Eа). В свою очередь земля излучает длинноволновую радиацию как всякое тело, имеющее температуру выше абсолютного нуля (собственное излучение Eз). Преобладающая часть излучения земли и атмосферы (99 %) имеют длины волн от 4 до 40 мк. Разность собственного излучения земной поверхности и поглощенного ею встречного излучения атмосферы называется эффективным излучением (Еэф). Встречное излучение обычно меньше собственного, и поэтому поток эффективного излучения направлен вверх (от земной поверхности).
В метеорологии до 1 января 1980 г. лучистую энергию было принято выражать в калориях за единицу времени на единицу поверхности. Для перехода от указанной единицы к единицам СИ использовались соотношения:
1 кал/(мин • см2) — 698 Вт/м2 = 0 ,698 кВт/м2,
1 кал/см2 = 4,19 • 104 Дж/м2 = 41,9 кДж/м2 = 0,0419 МДж/м2.
В табл. 16 приложения даны средине месячные и годовые суммы прямой, рассеянной, суммарной, отраженной и поглощенной радиации, радиационного баланса и среднее альбедо (%). Средняя годовая суммарная радиация в Якутске составляет 3712 МДж/м2, или 70% годовой суммы, которая наблюдалась бы при безоблачном небе. Летний приход радиации намного больше зимнего. Так, за три теплых месяца (май—июль) земная поверхность получает 50 % годового количества суммарной радиации, а за три холодных (ноябрь—январь) — всего 3 %.
В годовом ходе (рис. 15) суммарная радиация имеет один максимум (в июне) и один минимум (в декабре). Наибольший рост суммарной радиации происходит от февраля к марту, а наибольшее падение — от августа к сентябрю (табл. 12)
Как было сказано выше, суммарная радиация включает в себя прямую радиацию на горизонтальную поверхность и рассеянную радиацию. В разное время года процентное отношение этих составляющих различно (табл. 13). С уменьшением высоты солнца и увеличением облачности доля рассеянной радиации возрастает. В зимние месяцы (с октября по февраль) в приходе суммарной радиации доля рассеянной больше, чем прямой; в декабре прямая радиация практически не поступает, а с марта по сентябрь — несколько преобладает прямая радиация.
В отдельные годы месячные и годовые суммы радиации могут испытывать существенные отклонения от средних значений. Так, в 1969 г. на земную поверхность поступило самое большое годовое количество суммарной радиации — 4140 МДж/м2, что на 12% больше среднего значения. А в 1951 г. суммарной радиации поступило на 14% меньше среднего значения — 3201 МДж/м2 (см. табл. 17 приложения). В тот год в течение трех летних месяцев (с июня по август) число пасмурных дней по нижней облачности превысило среднее значение почти в три раза (17 дней при норме 6,6 дня).
Отношение фактически поступающей радиации [как на поверхность, перпендикулярную солнечным лучам (S), так и на горизонтальную поверхность (5 ')] к радиации, которая могла бы поступить на земную поверхность при отсутствии облачности, в среднем за год составляет около 50%; отношение суммарной радиации равно 70% (табл. 14). Увеличение доли суммарной радиации можно объяснить тем, что рассеянная радиация при действительных условиях облачности превосходит таковую при ясном состоянии неба в .среднем за год более чем в 1,5 раза. Это явление связано с тем, что при ясном состоянии неба солнечная радиация претерпевает рассеяние только молекулами воздуха и водяного пара, которые всегда имеются в воздухе. При наличии же облаков происходит дополнительное рассеяние капельками воды и кристалликами льда, из которых состоят облака, причем облака рассеивают намного интенсивнее, чем молекулы воздуха и водяного пара.
Радиация имеет правильный суточный ход, который в основном зависит от высоты солнца. При безоблачном небе максимум прямой и суммарной радиации приходится на полуденные часы,, максимум рассеянной радиации при ясном состоянии неба в некоторые месяцы (июль, август, октябрь) смещается на первую половину дня. С апреля по август приход прямой радиации при действительных условиях облачности до полудня на 3— 18% больше,, чем после полудня (табл. 15). Это связано с тем, что летом в первую половину дня атмосфера более прозрачна, чем во вторую,, а также вследствие суточного хода облачности.
Интенсивность суммарной радиации как при ясном состоянии неба, так и при действительных условиях облачности достигает максимума в мае—июне, а прямая радиация на перпендикулярную поверхность имеет наибольшую интенсивность в марте, что связано с годовым ходом облачности и прозрачности атмосферы (см. табл. 18 приложения).
Солнечная радиация, поступающая на земную поверхность (прямая и рассеянная), поглощается в той или иной степени в зависимости от альбедо поверхности, на которую она поступает. В прямой зависимости от альбедо находится и радиационный баланс.
В табл. !6 приложения приведено среднее интегральное альбедо для всего спектра солнечного излучения. С ноября по март отражается более 80 % радиации, приходящей к земной поверхности, с мая по сентябрь — менее 20%. В среднем за год альбедо составляет 34%. Таким образом, годовой ход альбедо противоположен годовому ходу суммарной радиации. В связи с этим поглощенная радиация имеет резко выраженный годовой ход: максимум в июне 519,6 МДж/м2, минимум в декабре 4,2 МДж/м2 (см. табл. 16 приложения, рис. 15).
В отдельные годы могут быть значительные отклонения альбедо от средних значений особенно в летнее время в зависимости от количества выпавших осадков, которые снижают альбедо. В связи с этим в значениях поглощенной радиации наблюдаются колебания от года к году как за счет изменения прихода радиации, так и за счет изменения отражательных свойств поверхности.
Эффективное излучение в Якутске за год составляет 1232 МДж/м2, оно изменяется от 25,1 МДж/м2 в декабре до 192,7 МДж/м2 в июне (см. табл. 16 приложения).
Разность между приходом и расходом лучистой энергии называется радиационным балансом. Он выражается формулой:
B = S' + D + Ea - Rк - Eз (1)
или
B = Q - Rк - Eэф. (2)
3.3. Радиационный режим вертикальных и наклонных поверхностей
В практике градостроительства, а также при сооружении отдельных объектов имеет определенное значение радиационный режим вертикальных и наклонных поверхностей. Рассмотрим приход радиации в Якутске для открыто стоящего здания, т. е. к стенам разной ориентации, перед которыми расположены открытые (незащищенные) площадки с альбедо, характерным в среднем для города.
В табл. 16 и табл. 19 приложения приводятся данные об облучении прямой радиацией стен разной ориентации. Возможная продолжительность солнечного сияния в течение года для стен разной ориентации изменяется по-разному (рис. 16). Дольше всего облучаются стены южной ориентации, причем максимум возможного облучения они имеют не летом, а в марте и сентябре. Это объясняется тем, что солнце проходит южную половину небосвода летом быстрее, чем весной и осенью. При действительных условиях облачности максимальное облучение южных стен наблюдается в марте—апреле (244 и 248 ч/мес), в среднем за сутки 7,9—8,3 ч. Минимум наблюдается в декабре, когда южная стена облучается солнцем в среднем 0,5 ч/сут.
Северные стены облучаются прямой радиацией с 22 марта по 22 сентября. Максимум облучения приходится на июнь — 4,4 ч/сут или 171 ч/мес. В теплое время года западные и восточные стены облучаются солнечными лучами примерно одинаковое число часов. Лишь в мае восточные стены получают больше солнечных лучей, чем западные, что можно объяснить суточным ходом облачности. В холодное время года западные стены облучаются дольше восточных; это можно объяснить тем, что утром, когда высота солнца небольшая, часто наблюдаются туманы, которые во второй половине дня, как правило, рассеиваются. Максимальная продолжительность облучения восточных и западных стен отмечается в июне (170— 171 ч/мес.), минимальная в декабре (6— 9 ч/мес.).
При положительном радиационном балансе земная поверхность получает от солнца тепла 'больше, чем отдает. Полученное тепло используется на нагревание почвы и воздуха, на испарение. В ночные часы, а в зимние месяцы в течение суток, радиационный баланс отрицательный. В это время поверхность земли охлаждается и забирает тепло у соприкасающегося с ней воздуха и верхних слоев почвы. Среднее годовое значение радиационного баланса в Якутске для площадки, покрытой летом травой, а зимой снегом, составляет 1228 М Дж /м2 (см. табл. 16 приложения)
Годовой ход баланса определяется ходом суммарной и отраженной радиации и эффективного излучения (см. рис. 15). В апреле— августе ход радиационного баланса повторяет ход суммарной радиации. Максимальные месячные суммы баланса наблюдаются в июне— июле, минимальные — в ноябре. Ноябрьский минимум объясняется резким ростом альбедо из-за того, что установившийся снежный покров, как правило, подновляется вновь выпавшим ослепительно белым снегом, и почти вся радиация, падающая на поверхность снега, отражается снова в атмосферу. Смена знака радиационного баланса происходит в конце марта и в начале второй декады октября. В зависимости от времени установления снежного покрова осенью и изменения отражательных свойств снега в конце зимы возможен сдвиг времени перехода баланса через нуль.
В отдельные годы значения радиационного баланса могут значительно отличаться от средних многолетних (см. табл. 16 приложения).
В суточном ходе радиационный баланс достигает максимума в полуденные часы, при этом в теплое время года до полуденная сумма баланса больше послеполуденной, а зимой — наоборот; это связано с подобной асимметрией суточного хода суммарной радиации.
Ночью радиационный баланс равен эффективному излучению с обратным знаком, поэтому он бывает отрицательным. Переход баланса через нуль происходит при высоте солнца в начале дня 6—8° и в конце дня 7— 10°.
На рис. 17 и в табл. 20 приложения приведены данные радиации на вертикальные поверхности разной ориентации. В целом за год северные стены получают суммарной радиации в 2,4 раза меньше, чем южные, а прямой радиации всего 7,3 % от радиации, поступающей на южные стены. На стены восточной ориентации приходится немного больше половины прямой радиации, получаемой южными стенами, суммарной — 72% от радиации, поступающей на южные стены.
В январе при средних условиях облачности максимальный приход прямой радиации в суточном ходе на стены разной ориентации наблюдается в разное время: на южные стены — в 13 ч, на восточные — в 11 ч и на западные — в 14 ч (рис. 17). В июле северные стены облучаются дважды в день — утром и вечером, максимум радиации приходится на 5 и 20 ч. Максимальный приход радиации к восточным стенам отмечается в 8 ч, к южным в полдень. Западные стены получают наибольшее количество радиации в 17 ч.
Для пересчета прямой и суммарной солнечной радиации с перпендикулярной и горизонтальной поверхностей на вертикальную существуют формулы [60].
При нагревании стен решающее значение имеет не столько поступающая, сколько поглощенная радиация. .Последняя зависит от отражающей способности поверхности. С помощью различной окраски разно ориентированных стен можно добиться того, что эти стены будут одинаково нагреваться, т. е. поглощать одинаковое количество радиации.
В практике иногда необходимо знать приход радиации на наклонную поверхность — склоны холмов, гор, поверхности крыш и т. д. (табл. 17). В табл. 21 приложения приведены данные прямой радиации на наклонную поверхность с углом наклона а = 20 различной ориентации.
3.4. Естественная освещенность
П од естественной освещенностью понимают полный световой поток прямой, рассеянной и отраженной радиации, приходящейся на единицу освещаемой им поверхности. Измеряется освещенность в люксах.
Данные по освещенности применяются в различных отраслях народного хозяйства (при строительстве жилых, производственных и курортно-профилактических зданий, в сельском хозяйстве и т. д.).
Систематические наблюдения за освещенностью в Якутске отсутствуют. Поэтому все приведенные данные получены методом пересчета по интенсивности солнечной радиации с помощью светового эквивалента [7]
Освещенность зависит от высоты солнца, облачности прозрачности атмосферы. В табл. 18 и в табл. 22 и 23 приложения приведены сведения по освещенности для открытой горизонтальной площадки. В годовом ходе естественной освещенности, как суммарной, так и рассеянной, наблюдается один максимум в июне и один минимум в декабре, но амплитуда колебания суммарной освещенности в 2,7 раза больше, чем рассеянной (см. табл. 22 приложения)
При ясном состояний неба наибольшая суммарная освещенность наблюдается в июне, при действительных условиях облачности она в среднем меньше в 1,3 раза. При пасмурном состоянии неба освещенность уменьшается в среднем в три раза. Рассеянная освещенность в очень большой степени зависит от облачности, при этом если большая часть неба закрыта облаками, но солнце остается открытым, освещенность рассеянным светом больше, чем при ясном состоянии неба. Рассеянная освещенность особенно велика для малых высот солнца при средней облачности, при нормальных условиях она в среднем в 1,5—2 раза больше, чем при ясном состоянии неба. При пасмурном состоянии неба суммарная освещенность равна рассеянной освещенности, поэтому в табл. 23 приложения для пасмурного состояния неба приведено одно значение.
Свет значительно сильнее рассеивается на облачных частицах, чем в чистом воздухе, поэтому максимум рассеянной освещенности бывает при облачности 3—7 баллов. При закрытии неба сплошным слоем плотной облачности большая часть света рассеивается вверх, а не к земле, поэтому освещенность заметно уменьшается.
Большое влияние на освещенность оказывает снежный покров. Особенно сказывается это влияние в марте — начале апреля, когда солнце поднимается уж е достаточно высоко, а снежный покров сохраняет еще очень большое альбедо, отражая около 80 % падающего на него света. Этот период характерен увеличением числа солнечных дней, ростом освещенности и необычайно большой, слепящей яркостью, когда глазам, незащищенным светофильтрами, больно смотреть на снег.
Суточный ход освещенности повторяет суточный ход радиации.