СОЛНЕЧНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
10.1. ПРИРОДА СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Солнечное излучение характеризуется широким спектральным диапазоном — от радио волн до гамма-излучения. Наши глаза воспринимают менее 1/8 части этого спектрального интервала. Диапазон от 100 до 750 ТГц ют 750 до 400 нм) по очевидным причинам называется видимым спектром, на него приходится около 45 % от всей излучаемой Солнцем энергии. На расстоянии 1 а. е. от Солнца плотность потока его излучения составляет 1360 Вт/м2. Эта величина называется солнечной постоянной, которая в действительности не является постоянной: она немного изменяется в течение года, достигая максимального значения в январе, когда Земля находится на самом близком расстоянии от Солнца.
Выражение «плотность потока излучения» используется для обозначения мощности излучения, приходяшего на 1 м2 поверхности. Мы также будем пользоваться выражением «спектральная плотность потока излучения» для обозначения мощности, приходящейся на единичный частотный интервал или на единичный интервал длин волн.
Приблизительное распределение энергетического потока солнечного излучения по различным спектральным диапазонам имеет следующий вид:
Инфракрасный диапазон и более длинные
волны(/< 400 ТГц, X > 750 нм)…………………………………………………………………………. 46,3 %
Видимый спектр (400 ТГц < /< 750 ТГц, 400 нм < X < 750 нм)…………………….. 44,6 %
Ультрафиолетовое излучение и более высокие
частоты (f> 750 ТГц, X < 400 нм)…………………………………………………………………… 9,1 %
Более детальное описание солнечного излучения представлено в табл. 10.1, в которой приведена доля солнечной постоянной G в частотном диапазоне,
лежащем выше заданного значения частоты / В графическом виде спектральное распрелеление мощности солнечного излучения представлено на рис. 10.1. Для сравнения на этом же рисунке показаны два спектральных распределения излучения абсолютно черного тела, имеющего температурх 6000 К, соответствующих равным интервалам по длине волн и частоте изл> — чения. Оба этих распределения, хотя и описывают одно и то же излучение, но имеют максимумы в разных точках спектра. Для лучшего понимания этого факта решите задачу 10.5.
Все, о чем мы говорили выше, относится к солнечному излучению на внешней границе земной атмосферы. Плотность потока солнечного излучения и поверхности Земли из-за влияния атмосферы оказывается меньше, чем в воздушном пространстве. Излучение с частотой выше 1000 ТГц (X < 300 Hid поглощается главным образом в верхних слоях атмосферы в результате фот: мических реакций, приводящих к фотоионизации и нагреву воздуха. Эта чг спектра содержит в себе всего около 1,3 % энергии потока солнечного излучен» Озоновый слой, находящийся на высоте около 25 км, поглощает большую чае энергии высокочастотной части спектра, поскольку он практически пспро цаем для ультрафиолетового излучения. Если бы плотность атмосферы во точках была равна её плотности на уровне моря, то толщина атмосферы с бы всего около 8 км, а озонового слоя около 2 мм.
|
Таблица 10.1. Характеристики плотности потока солнечного излучения. Доля от суммарной плотности энергетического потока (солнечной постоянной G)
|
Несмотря на то что в природе солнечного излучения лежат различные физические механизмы, в целом оно приблизительно соответствует излучению абсолютно черного тела. Энергия, приходящаяся на единицу объема и единицу частотного интервала внутри полого абсолютно черного тела (Дж ■ м-3 • Гиг[38])* описывается законом Планка:
dW _ 8nh /[39] d/ с3 exp (hf ‘kT) — Г
В представленном выше выражении W — концентрация энергии в единице орбъема. Поток энергии равен произведению концентрации энергии на скорость света (аналогично потоку частиц, который равен произведению удельной концентрации частиц на их скорость). Поток энергии (Вт • м~[40] • Гц-1), как бьг сказано выше, равен плотности мощности излучения Р
d Р Ш /3
—- ОС —————————
d/ с3 exp (/г/. kT) — 1 ’
В пересчете на единичный интервал длин волн (Вт • м 2 • м-1)
dP Г5
d’k exp (he kT) -1
Описание спектра солнечного излучения как излучения абсолютно черно тела (АЧТ) приводит к наилучшему совпадению форм спектров при температуре черного тела 6000 К и равенству значений интегральных плотностей поток излучения на расстоянии одной астрономической единицы (1360 Вт/м2) п температуре АЧТ, равной 5800 К.