Глава 2 Радиационный и световой режим

Среди климатообразующих факторов солнечная радиация играет едва ли не первостепенную роль. 3а последнее время сведения о солнечной радиации так называемая актинометрическая информация, все шире используется в народном хозяйстве. Радиационные условия учитываются при строительном проектировании и планировании производства, при распределении разного вида ресурсов и материалов, расхода топлива и электроэнергии; радиационные условия учитываются также многочисленными народно-хозяйственными организациями в их повседневной деятельности.

В Магадане продолжительность солнечного сияния за день регистрируется с 1937 г., актинометрические наблюдения начаты в 1970 г. Семь раз в сутки в определенные часы (актинометрические сроки наблюдений) проводятся измерения прямой S, рассеянной о, отраженной D солнечной радиации и радиационного баланса B.

2.1. Продолжительность солнечного сияния

Одной  из самых распространенных характеристик солнечной радиации является продолжительность солнечного сияния. Различают действительную и возможную продолжительность солнечного сияния. Действительная продолжительность регистрируется прибором в естественных условиях на метеорологической площадке, зависит от времени года и наличия или отсутствия облачности на небе. Возможная продолжительность -условная характеристика продолжительности солнечного сияния при полном отсутствии облачности, -  определяется временем восхода и захода солнца и степенью закрытости горизонта.

Ниже для сравнения приведены данные о действительной продолжительности солнечного сияния (в часах) в Магадане и ,Ленинграде, расположенных приблизительно на одной широте:

 

В Магадане солнце за год в среднем светит 1822 ч, т. е. продолжительность солнечного сияния на 70 ч. больше, чем в Ленинграде. Для пунктов, расположенных на широте 60°, средняя продолжительность солнечного сияния за год лишь на 8 ч больше, чем в Магадане. В теплый период продолжительность солнечного сияния за сутки в Магадане меньше, чем в Ленинграде, и других пунктах, расположенных на этой широте, а в зимний период за счет большой повторяемости ясной погоды в Магадане число часов солнечного сияния значительно больше. В целом за год в Магадане насчитывается 117, в Ленинграде 124, во Владивостоке 56 дней без солнца.

2.2. Радиационный  баланс и его составляющие

Количество поступающей к поверхности земли солнечной радиации в значительной степени зависит от географической широты местности и определяется высотой солнца над горизонтом, количеством облачности, прозрачностью атмосферы и другими факторами.

Изменение высоты солнца в течение дня при различном склонении солнца показано на рис. 1. 1 Кривая 1 характеризует изменение высоты солнца в период самых длинных летних дней (δ = 23°), кривая 5-изменение высоты солнца в самые короткие зимние дни (δ = - 23°), кривая 3- в дни равноденствий .(δ = 0°).

При безоблачной погоде поверхности земли достигает преимущественно прямая солнечная радиация, а когда солнце закрыто облаками, - рассеянная. Сумма прямой и рассеянной радиации составляет приходную часть радиационного баланса - суммарную радиацию Q. Часть приходящей радиации отражается деятельной поверхностью обратно в атмосферу - отраженная радиация Rk. Отраженную  способность деятельной поверхности характеризуют величиной альбедо Ак - отношением  отраженной от поверхности радиации к приходящей суммарной (выражается обычно в процентах). Так, например, альбедо свежевыпавшего снега составляет 80—95%.

Разность между суммарной и отраженной радиацией называется остаточной коротковолновой радиацией или балансом коротковолновой радиации и обозначается Вк. Для определения полного радиационного баланса между землей и атмосферой необходимо учитывать все потоки радиации, в том числе и тепловое излучение земли и атмосферы, т. е. длинноволновую радиацию.

Таким образом, приходную часть радиационного баланса В составляют потоки прямой и рассеянной солнечной радиации, а также и тепловое излучение атмосферы, расходную часть радиационного баланса системы земля—атмосфера составляют потоки отраженной коротковолновой радиации и теплового излучения земли.

Как видно из данных табл. 1, на горизонтальную поверхность прямой солнечной радиации больше всего поступает в марте, мае, июне и июле. Максимум сумм рассеянной радиации приходится на май—июнь. Минимум солнечной радиации отмечается в декабре.

В мае и июне поток суммарной радиации составляет около 544 МДж/м2, в Ленинграде — на 42—84 МДж/м2 больше.

Большую часть года (март—сентябрь) радиационный баланс положительный, т. е. приход радиации превышает расход. В период март—май, август—сентябрь в Магадане положительные значения радиационного баланса выше, чем в Ленинграде. Радиационный баланс за год в Магадане на 126 МДж/м2 меньше, чем в Ленинграде.

В летний период значительная часть поступающей на поверхность земли радиации поглощается; среднее альбедо в этот период составляет 16—18%. Зимой подстилающая поверхность покрыта снегом, количество поглощенной радиации резко понижается; значения альбедо (начиная с ноября) превышают 50 %.

2.3. Радиационный режим наклонных и вертикальных поверхностей

При решении практических задач часто необходимо оценить, какое количество солнечной радиации поступает на наклонные и вертикальные поверхности, различно ориентированные относительно сторон света.

Сведения о количестве радиации, поступающей на склоны разной ориентации, позволяют уточнить продолжительность вегетационного периода, сроки схода снежного покрова, оценить влагосодержание почвы и т. п.

Количество прямой солнечной радиации, приходящей к склону, зависит от экспозиции и крутизны склонов. Расчет радиации, поступающей на склон — процесс трудоемкий. Для упрощения пересчета суточных сумм радиации с горизонтальной поверхности на наклонную, применяется коэффициент К (табл. 2 приложения), который изменяется в зависимости от времени года, крутизны склона и ориентации поверхности.

На Дальнем Востоке на широте 60° с. южные склоны всегда получают больше тепла от прямых солнечных лучей, чем горизонтальная поверхность и склоны других экспозиций. Наибольшие различия в поступлении солнечных лучей на южные и северные склоны отмечаются в зимний период. Так, в ноябре—январе северный склон крутизной 5° получает только 40—60 % солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность; на южный склон такой же крутизны приходит радиации в 1,5 раза больше, чем на горизонтальную поверхность. Чем больше угол наклона южного склона, тем больше тепла получает этот склон зимой. На склоны северной экспозиции крутизной 20° в течение почти всего зимнего периода прямой солнечной радиации не поступает. Южные склоны крутизной 10° больше тепла получают в апреле. В теплый период поток солнечной радиации на северные склоны увеличивается. Так, северный склон крутизной 5° и горизонтальная площадка в июне и июле получают почти одинаковое количество солнечной радиации. Восточные и западные склоны в течение года получают примерно одинаковое количество тепла по сравнению с горизонтальной поверхностью.

 

 

 

Большую роль играют потоки солнечной радиации, поступающей на стены зданий. Солнечная радиация оказывает влияние на тепловой режим внутри помещений, продолжительность отопительного периода, на освещенность квартир и служебных помещений и др.

Из данных табл. 2 видно, что продолжительность облучения южных стен солнечными лучами больше. Так, в марте продолжительность облучения стен южной ориентации составляет в среднем 7 ч в день. Стены западной ориентации в течение года имеют большую продолжительность облучения солнцем, чем восточные.

Наибольшая продолжительность облучения стен северной ориентации отмечается в мае и июне (1,7 ч). 

Следует отметить, что действительная продолжительность облучения стен вследствие облачности меньше, чем теоретически возможная. Так, в период с марта по май отношение действительной продолжительности облучения к возможной для южной стены. составляет 53—62 % (табл. 3). На рис. 2 показано изменение возможной продолжительности облучения стен разной ориентации в течение года. О количестве прямой и рассеянной солнечной радиации, поступающей на вертикальную поверхность разной ориентации, можно судить по данным табл. 4.

Возможное время начала и конца облучения стен северной и южной ориентации приведено в табл. 5. По этим данным можно получить сведения о продолжительности облучения восточных и западных стен. Так, в июле возможное облучение восточных стен начинается с 2 ч 56 мин и длится до 12 ч, южные стены облучаются с 6 ч 52 мин до 17 ч 08 мин, северные — с 2 ч 56 мин до 6 ч 52 мин и с 17 ч 08 мин до 21 ч 04 мин, западные — с 12 ч до 21 ч 04 мин.

2.4. Естественная освещенность

Естественная освещенность является одной из важных радиационных характеристик. Эта характеристика зависит от продолжительности дня, прозрачности атмосферы и других факторов. На рис. 3 показана продолжительность дня и ночи на 15-е число каждого месяца. Продолжительность самого короткого дня в Магадане составляет 6 ч. С 13 июня до 1 июля с 22 ч 10 мин до 3 ч 35 мин солнце хотя и находится за горизонтом, но полной темноты не наступает, сохраняется сумеречная освещенность. Продолжительность дня в этот период составляет 18 ч 50 мин. Измерения освещенности на территории СССР носят эпизодический характер. Однако разработанный расчетный метод позволяет с достаточной степенью точности получить характеристики освещенности, используя составляющие солнечной радиации и световой эквивалент. Световой эквивалент — это отношение освещенности (клк) к интенсивности радиации (МДж/м²). Различают освещенность суммарную, Eq, создаваемую прямой и рассеянной радиацией, и рассеянную освещенность Ed, источником которой служит рассеянная солнечная радиация в пасмурную погоду при отсутствии прямой. Световой эквивалент рассчитывается как для суммарной, так и для рассеянной радиации. Световой эквивалент рассеянной радиации зависит от условий облачности, а световой эквивалент суммарной радиации — от высота солнца. Световые эквиваленты, использованные для расчетов приведены в табл. 5 приложения. В тех случаях, когда отмечалась пасмурная погода и солнце слабо просвечивало через облака, применялся световой эквивалент, равный 3 клк/(МДж-м ^-2 мин^-1). При расчетах рассеянной освещенности при ярком солнце световой эквивалент принимался равным 3,4 клк/(МДж-м ^-2 мин^-1), при умеренном солнце— 3,3 клк/(МДж-м ^-2 мин^-1).

 

Результаты расчетов суммарной и рассеянной освещенности приведены в табл. 6. Максимальная суммарная и рассеянная освещенность отмечается в июне и составляет соответственно 90-104 и 54-104 клк; минимальная суммарная и рассеянная — в декабре и составляет соответственно 2,2-104 и 1,8-104 клк. В Ленинграде с сентября по май суммарная освещенность ниже, а в летний период выше, чем в Магадане. Рассеянная освещенность в течение года, за исключением , июля и августа, в Магадане выше, чем в Ленинграде.

За нижний предел естественной освещенности для бытовых и технических целей принимают освещенность 4—5 клк, называемую сумеречной освещенностью. В табл. 7 содержатся сведения о времени наступления и окончания освещенности величиной 5 клк на широте 60°. Освещенность 5 клк наблюдается при высоте солнца не менее 2°. Гражданские сумерки наступают при переходе солнца через линию горизонта. Освещенность в этот период понижается от 600—650 до 10 лк и считается достаточной для выполнения работ на открытом воздухе без искусственного освещения. В Магадане, так же как и в Ленинграде, в период «белых ночей» уличное освещение не зажигается.