ЯВЛЕНИЯ, СВЯЗАННЫЕ С РАССЕЯНИЕМ РАДИАЦИИ

Голубой цвет неба — это цвет самого воздуха, обу­словленный рассеянием в нем солнечных лучей. Воздух прозрачен в тонком слое, как прозрачна в тонком слое вода. Но в мощной толще атмосферы воздух имеет голубой цвет, подобно тому как вода уже в сравнительно малой толще (несколько метров) имеет зеленоватый цвет.

Голубой цвет воздуха можно видеть не только глядя на небесный свод, но и рассматривая отдаленные предметы, которые кажутся окутанными голубоватой дымкой. С высотой, по мере уменьшения плотности воздуха, т.е. количества рассеивающих частиц, цвет неба становится темнее и переходит в густо-синий, а в стратосфере — в черно-фиолетовый. По свидетельству космо­навтов, на высоте 300 км цвет неба черный. Увеличение доли рассеянных фиолетовых лучей с высотой хорошо видно в горах, которые в чистом воздухе кажутся сине-фиолетовыми.

Чем больше в воздухе примесей более крупных размеров, чем молекулы воздуха, тем больше доля длинноволновых лучей в спектре солнечной радиации и тем белесоватее становится окраска небесного свода. Отдаленные предметы при тумане и пыльной мгле заволакиваются уже не голубой, а белой или серой завесой. Облака, на которые падает солнечный (т.е. белый) свет, кажутся белыми.

Солнечный свет, идущий от диска Солнца, проходя через атмосферу, вследствие рассеяния меняет свой цвет. Благодаря рассеянию больше всего понижается энергия наиболее коротких длин волн видимой части спектра — синих и фиолетовых, поэтому «уцелевший» от рассеяния прямой солнечный свет становится желтоватым. Солнечный диск кажется тем желтее, чем он ближе к горизонту, т.е. чем длиннее путь лучей через атмосферу и, следовательно, чем больше рассеяние. У горизонта Солнце становится почти красным, особенно когда в воздухе много пыли и мельчайших продуктов конденсации (капель или кристаллов).

Рассеяние солнечной радиации в атмосфере имеет огром­ное практическое значение, так как создает рассеянный свет в дневное время. В отсутствие атмосферы на Земле было бы светло только там, куда попадали бы прямые солнечные лучи или солнечные лучи, отраженные земной поверхностью и предметами на ней. Вследствие же рассеянного света вся атмосфера днем служит источником освещения: днем светло также и там, куда солнечные лучи непосредственно не падают, и даже тогда, когда солнце скрыто облаками.

СУМЕРКИ И ЗАРЯ

После захода Солнца вечером темнота наступает не сразу. Небо, особенно в той части горизонта, где зашло Солнце, остается светлым и посылает к земной поверхности постепенно убывающую рассеянную радиацию. Аналогично утром еще до восхода Солнца небо светлеет больше всего в стороне восхода и посылает к земле рассеянный свет. Это явление неполной темноты носит название сумерек вечерних и утренних. Причиной этого является освещение Солнцем, находящимся под горизонтом, высоких слоев атмосферы и рассеяние ими солнечного света.

Так называемые астрономические сумерки продолжаются вечером до тех пор, пока Солнце не зайдет под горизонт на 18°; к этому моменту становится настолько темно, что различимы самые слабые звезды. Астрономические утренние сумерки начина­ются с момента, когда солнце имеет такое же положение под горизонтом. Первая часть вечерних астрономических сумерек или последняя часть утренних, когда солнце находится под горизонтом не ниже 8°, носит название гражданских сумерек.

Продолжительность астрономических сумерек изменяется в за­висимости от широты и времени года. В средних широтах она от 1,5 до 2 ч, в тропиках меньше, на экваторе немногим дольше одного часа.

В высоких широтах летом солнце может не опускаться под горизонт вовсе или опускаться очень неглубоко. Если солнце опускается под горизонт менее чем на 18°, то полной темноты вообще не наступает и вечерние сумерки сливаются с утренними. Это явление называют белыми ночами.

Сумерки сопровождаются красивыми, иногда очень эффектными изменениями окраски небесного свода в стороне Солнца. Эти изменения начинаются еще до захода и продолжа­ются после восхода Солнца. Они имеют довольно закономерный характер и носят название зари. Характерные цвета зари — пурпурный и желтый. Но интенсивность и разнообразие цветовых оттенков зари изменяются в широких пределах в зависимости от содержания аэрозольных примесей в воздухе. Разнообразны и тона освещения облаков в сумерках.

Следует упомянуть о явлении зодиакального света. Так называют нежное сияние в виде наклонного конуса, направленно­го по эклиптике. Оно наблюдается над Солнцем, находящимся под горизонтом, но уже на темном небе, т.е. после конца или до начала астрономических сумерек. Сквозь это сияние просвечивают звезды. В тропических широтах зодиакальный свет наблюдается лучше, чем в умеренных. Считают, что зодиакальный свет вызван рассеянием солнечного света космической (метеорной) пылью.

СУММАРНАЯ РАДИАЦИЯ

Всю солнечную радиацию, приходящую к земной поверхно­сти — прямую и рассеянную — называют суммарной радиацией. Таким образом, суммарная радиация

где —энергетическая освещенность прямой радиацией, D — энергетическая освещенность рассеянной радиацией, — высота Солнца.

Частичная облачность, не закрывающая солнечный диск, увеличивает суммарную радиацию по сравнению с безоблачным небом; полная облачность, напротив, ее уменьша­ет. В среднем облачность уменьшает суммарную радиацию.

Поэтому летом приход суммарной радиации в дополуденные часы в среднем больше, чем в послеполуденные. По той же причине в первую половину года он больше, чем во вторую.

ОТРАЖЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ. ПОГЛОЩЕННАЯ РАДИАЦИЯ. АЛЬБЕДО ЗЕМЛИ

Падая на земную поверхность, суммарная радиация в большей своей частипоглощается в верхнем тонком слое почвы или в более толстом слое воды и переходит в тепло, а частично отражается.

Величина отражения солнечной радиации земной поверхностью зависит от характера этой поверхности.

Отношение количества отраженной радиации к общему количеству радиации, падающей на данную поверхность, называется альбедо поверхно­сти. Это отношение выражается в процентах.

Итак, из общего потока суммарной радиации часть его отражается от земной поверхности. Остальная часть суммарной радиации (S sin Л₀ + £>) (I—А) поглощается земной по­верхностью и идет на нагревание верхних слоев почвы и воды. Эту часть называют поглощенной радиацией.

Альбедо поверхности почвы меняется в пределах 10— 30%; у влажного чернозема оно снижается до 5%, а у сухого светлого песка может повышаться до 40%. С возрастанием влажности почвы альбедо снижается. Альбедо растительного покрова — леса, луга, поля — заключается в пределах 10—25%. Альбедо поверхности свежевыпавшего снега составляет 80—90%, давно лежащего снега — около 50% и ниже. Альбедо гладкой водной поверхности для прямой радиации меняется от нескольких процентов при высоком Солнце до 70% при низком; оно зависит также от волнения. Для рассеянной радиации альбедо водных поверхностей равно 5—10%. В среднем альбедо поверхности Мирового океана составляет 5—20%. Альбедо верхней поверхно­сти облаков — от нескольких процентов до 70—80% в зависимо­сти от типа и мощности облачного покрова — в среднем 50—60%.

Приведенные цифры относятся к отражению солнечной радиации не только видимой, но и во всем ее спектре. Фотометри­ческими средствами измеряют альбедо только для видимой радиации, которое, конечно, может несколько отличаться от альбедо для всего потока радиации.

Преобладающая часть радиации, отраженной земной поверхностью и верхней поверхностью облаков, уходит за пределы атмосферы в мировое пространство. Также уходит в мировое пространство часть (около одной трети) рассеянной радиации.

Отношение уходящей в космос отраженной и рассеянной солнеч­ной радиации к общему количеству солнечной радиации, поступа­ющей к атмосфере, носит название планетарного альбедо Земли, или альбедо Земли.

В целом планетарное альбедо Земли оценивается в 30%. Основную часть планетарного альбедо Земли составляет отраже­ние солнечной радиации облаками.