4.2: Інсоляція

Земля «постійно» купається в сонячній радіації. В середньому Земля отримує 1368 Вт/м ² (1,96 л/хв) сонячної радіації у зовнішнього краю атмосфери, званої «сонячною константою». Однак фактична сума, отримана на краю атмосфери і поверхні Землі, змінюється від місця до місця і день у день за рахунок орієнтації Землі на Сонце. Сонячне випромінювання, яке пробивається через атмосферу і на поверхню, називається інсоляцією. Кількість інсоляції, отриманої на поверхні, залежить від 1) сонячного кута, 2) довжини дня, 3) схилу грунту, 4) довжини шляху, і 5) стану атмосфери.

Сонячний кут і інсоляція

На кількість і інтенсивність сонячного випромінювання, що досягає Землі, впливає нахил осі Землі і її орієнтація, коли вона обертається навколо Сонця. Кут сонця в місці змінюється протягом року в результаті постійного нахилу і паралельності земної осі. Зі зменшенням кута сонця світло поширюється на більшу площу і зменшується в інтенсивності (споживання енергії на одиницю площі).

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Кут сонця та освітлена площа

Малюнок\(\PageIndex{2}\) ілюструє вплив зміни кута сонця на освітлену область і інтенсивність нагріву під різними кутами сонця. Промінь A і B мають таку ж кількість енергії, як вони проходять через атмосферу, як показано, маючи однакову ширину. Промінь А вражає поверхню під кутом 90 градусів, найвищий кут, який може мати промінь світла. Він висвітлює область, окреслену суцільним квадратом. Промінь B вражає поверхню під меншим кутом, ніж А. його енергія поширюється на більшу площу, ту ж площу, що і A плюс площа, укладена пунктирними лініями. Результатом поширення тієї ж енергії на більшу площу є зменшення інтенсивності. Більш низька інтенсивність введення призводить до меншого нагрівання.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Кут Сонця визначає інтенсивність енергії.

Подумайте про кут сонця як про те, наскільки високо Сонце з'являється над вашим горизонтом. Зенітний кут Сонця - це кут, який промінь світла робить з лінією, проведеною перпендикулярно поверхні. Подумайте про зенітний кут як далеко Сонце від безпосередньо над головою. Найбільш інтенсивне надходить сонячне випромінювання відбувається там, де сонячні промені вражають Землю під найвищим кутом. Для будь-якого конкретного місця це відбувається опівдні. Цей кут називають «полуденним кутом сонця». Ті, хто живе в середніх і високих широтах, напевно помітили, що Сонце ніколи не з'являється безпосередньо над головою опівдні в будь-який день. Це пов'язано з сезонними змінами схиляння Сонця, кутовою відстанню на північ або південь від екватора, де Сонце знаходиться безпосередньо над головою. Широта, де Сонце знаходиться безпосередньо над головою опівдні, є субсонячною точкою.

Тривалість дня та інсоляція

У розділі 2: Земна система ми виявили, що нахил земної осі та постійний паралелізм землі, коли вона обертається навколо Сонця, призводить до зміни довжини дня протягом року, за винятком екватора. Коло освітлення завжди розсікає екватор, що призводить до однакової довжини дня, але нерівномірно скорочує всі інші широти, даючи нерівні періоди дня і ночі, крім рівнодення. Простіше кажучи, чим довше світловий період, тим більше інсоляції отримують в даному місці.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Орієнтація Землі на Сонце

Схил землі та інсоляція

Нахил поверхні, яку б'є промінь світла, впливає на інтенсивність енергії, яку він отримує. Ухил впливає на інтенсивність інсоляції двома способами: 1) ступінь нахилу ухилу і 2) орієнтацію схилу на вхідне світло.

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Вплив зміни нахилу на кут сонця

Ефект нахилу землі полягає в зміні кута, який промінь світла б'є на землю (тобто кут сонця). \(\PageIndex{4}\)На малюнку зображений промінь світла, що вражає горизонтальний нахил під кутом 45 ^o зліва. Праворуч нахил нахилений до кута 45 ^o, зберігаючи промінь, що йде до землі, як це було раніше. Нахиляючи поверхню в Сонце, ви ефективно збільшуєте кут сонця. Збільшення кута сонця збільшує інтенсивність енергії, що отримується на поверхні.

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Вплив орієнтації на інсоляцію.

Орієнтація, або напрямок, до якого спрямований нахил, також впливає на кількість отриманої інсоляції. Схили, звернені до Сонця, отримують більше, тоді як ті, що стикаються, отримують менше. Деякі поверхні можуть бути затінені протягом частини дня перешкодами, зменшуючи кількість інсоляції, отриманої ними.

Відео нижче ілюструє вплив орієнтації на інсоляцію в горах Каскадного хребта. Запустіть фільм і подивіться, як орієнтація нахилу впливає на затінення. Північ знаходиться у верхній частині відео. Коли сонце сходить на схід, схили отримують сонячне світло, а західні схили знаходяться в тіні. Коли Сонце рухається до півдня, діапазон вирівнюється паралельно вхідному світлу, і обидва схили купаються сонячним світлом. Коли Сонце сідає на заході пізно вдень, схили, що виходять на захід, отримують світло, а східний схил знаходиться в тіні.

Відео: моделювання денного світла в національному лісі Венатчі, Вашингтон

Довжина шляху та інсоляція

Відстань, на яку проїжджає промінь світла, впливає на кількість сонячної енергії, яка в кінцевому підсумку досягає Землі. Світло поширюється назовні у всіх напрямках, коли воно випромінюється від Сонця. У міру поширення світла його інтенсивність при досягненні віддалених місць зменшується. Інтенсивність світла зменшується у міру збільшення квадрата відстані між Сонцем та рецептором, зв'язок, відомий як закон зворотного квадрата. Земля отримує близько половини мільярдної частини загального виходу енергії Сонця.

Рисунок\(\PageIndex{6}\): Вплив довжини атмосферного шляху на інсоляцію

Відстань Земля-Сонце коливається лише приблизно на 3 мільйони миль порівняно із середньою відстанню 93 мільйони миль протягом року. Таким чином, довжина шляху не сильно змінюється, оскільки Земля обертається навколо Сонця. Але як тільки сонячне світло досягає зовнішнього краю атмосфери, товщина атмосфери має значний вплив на інсоляцію. Через кривизну Землі промінь світла, що вражає екватор, проходить через меншу атмосферу, ніж один на більш високій широті. Зі збільшенням кількості атмосфери, через яку проходить промінь, тим більше шансів на відбиття і розсіювання світла, тим самим зменшуючи інсоляцію на поверхні.

Стан атмосфери та інсоляція

Хмари, тверді частинки та аерозолі, підвішені в повітрі, драматично впливають на передачу інсоляції. Ці компоненти атмосфери поглинають випромінювання, випромінюване землею, відображають надходить сонячне випромінювання назад в космос і розсіюють світло на багато слабших пучків. Розсіювання світла частинками в атмосфері відповідає за колір неба. Хмари особливо важливі при визначенні кількості інсоляції. Хмари можуть відбивати багато світла назад в космос або розсіювати і розсіювати світло.

Малюнок\(\PageIndex{7}\): Блискуче блакитне небо над пустелею Амаргоса, штат Невада, викликане розсіюванням всіх, крім синіх довжин хвиль. (Люб'язно USGS. Джерело)

Малюнок\(\PageIndex{8}\): Розсіювання червоних довжин хвиль створює цей чудовий захід сонця над океаном. Перебуваючи на горизонті, довжина шляху довша, створюючи більший шанс розсіювання світла. (Надано відділом хімічних наук NOAA ESRL, Боулдер, Колорадо, США. Джерело)

Дізнайтеся більше за допомогою «Копання глибше: глобальне затемнення» або пропустіть та продовжуйте читати.

Глибше копання: Глобальне затемнення

Діяльність людини від сільського господарства до промисловості викидає тверді частинки в повітря. Дослідження в багатьох частинок світу показують, що інсоляція зменшується, оскільки концентрації твердих частинок зростають, явище, яке називається глобальним затемненням. Дослідження, проведені на Мальдівах, показали, що брудне повітря, що спускається з Індії, утворило шар забруднювача товщиною три кілометри, який нависав над північними островами. Шар забруднюючих речовин знизив сонячне світло, що досягає океану більш ніж на 10 відсотків. Кліматологи побоюються, що зменшення інсоляції атмосферними частинками маскує справжню величину глобального потепління. Зменшення забруднення твердими частинами для захисту здоров'я людини може спричинити збільшення інсоляції і, таким чином, прискорити глобальне потепління.

Малюнок\(\PageIndex{9}\): Вважається, що контури від пасажирських струменів впливають на добовий діапазон температури. (Надано NWS NOAA Джерело)

Контрайли - це хмари, що утворюються з струменевих вихлопних газів і вже деякий час були предметом досліджень. Їх важко вивчати, тому що вони досить швидко розвиваються і розсіюються, або стільки з них в небі вони зливаються. Це ускладнює виконання базових досліджень на окремих хмарах. Коли вони вперше утворюються, вони товсті і округлі, що блокують світло, як низькі шаруваті хмари, що призводить до охолодження повітря. З часом вони перетворюються на більш тонкі хмари, такі як високі перисті, краще поглинаючи випромінювання, тим самим зігріваючи повітря. Коли повітряні перевезення були припинені над США незабаром після подій 11 вересня 2001 року, вчені-атмосферники мали можливість вивчити вплив контралісів на погоду. Те, що вони виявили, було добовими температурними діапазонами, збільшеними на стільки ж на два градуси за Фаренгейтом за відсутності контралізів над суміжними Сполученими Штатами.

Відео: Зміна клімату та глобальне затемнення (люб'язно MetoOffice)

Джим Хейвуд, експерт з клімату в Met Office Hadley Centre, пояснює явище глобального затемнення та вплив на глобальне потепління.