Одним из главных климатообразующих факторов нашей планеты является солнечная радиация, поступающая на землю в виде потока параллельных лучей, идущих непосредственно от солнца (прямая радиация) и от всех точек небесного свода при рассеивании молекулами воздуха и аэрозольными частицами (рассеянная радиация). Эти два вида радиации действуют в природе одновременно как суммарная солнечная радиация и являются основным источником тепловой энергии почти всех природных процессов.
Поступление солнечной радиации на землю определяется прежде всего астрономическими факторами: продолжительностью дня и высотой солнца над горизонтом. Облачность и прозрачность атмосферы вносят коррективы в количество поступающей на землю радиации. На рис. 1 представлено графическое изображение продолжительности дня и ночи в Нижнем Новгороде. В день зимнего солнцестояния 22 декабря продолжительность дня составляет 6 ч 48 мин (это самый короткий день), а в день летнего солнцестояния 22 июня— 17 ч 40 мин (самый длинный день). Промежуток между моментом восхода или захода солнца и глубиной погружения солнца за горизонт на 6° называется гражданскими сумерками. Продолжительность сумерек меняется в течение года и составляет немногим более получаса в марте и более часа в июне, к сентябрю, октябрю их длительность вновь уменьшается до 40 мин. Освещенность во время утренних и вечерних сумерек достаточна для выполнения многих видов работ на улице и в помещении без искусственного освещения.
Высота солнца над горизонтом меняется в годовом ходе существенно. Самая большая высота солнца в полдень наблюдается 22 июня (57°), а самая низкая (10°) —22 декабря.
2.1. Продолжительность солнечного сияния
Продолжительность дня в любом пункте соответствует теоретически возможной продолжительности солнечного сияния. Для Нижнего Новгорода она составляет почти 4,5 тыс. ч за год. Фактическая продолжительность солнечного сияния зависит от режима облачности, отражающего развитие циркуляционных процессов в атмосфере.
При наблюдениях за продолжительностью солнечного сияния определяется время (в часах), в течение которого был виден диск солнца в окрестностях станции. Данная величина характеризуется еще и отношением (в процентах) фактической продолжительности солнечного сияния к теоретически возможной (при безоблачном небе), и числом дней без солнца. Фактическая продолжительность сияния солнца всегда меньше возможной по ряду причин, главная из которых — наличие облачности. В зависимости от количества облаков и их формы, от степени помутнения атмосферы (пыль, дым), степени закрытости горизонта (формы рельефа, растительность, постройки) продолжительность солнечного сияния меняется, никогда не достигая максимально возможных значений (рис. 2).
В Нижнем Новгороде в среднем за год солнце светит около 1800 ч, что составляет 40 % возможной продолжительности. Более 100 дней в году солнца не видно вообще, так как небо покрыто плотным слоем облаков. Наибольшая продолжительность солнечного сияния наблюдается в июне, наименьшая — в декабре. Возможная продолжительность солнечного сияния в короткие зимние дни невелика, однако фактические величины составляют 10—15 % ее значений, столь велико влияние облачности зимой. В отдельные годы продолжительность солнечного сияния не превышает 1 —10 ч за месяц, т. е. составляет 1—5 % продолжительности при ясном небе.
Начиная с февраля число часов солнечного сияния резко увеличивается, солнце светит уже вдвое продолжительнее, чем в январе, 38 и 77 ч соответственно. Весной продолжительность солнечного сияния возрастает с увеличением продолжительности дня и уменьшением облачности. Уже в мае продолжительность солнечного сияния достигает 256 ч, более 50 % теоретически возможной. В среднем фактическая продолжительность солнечного сияния с мая по август составляет 51—57 %. Но в отдельные годы продолжительность солнечного сияния может достигать и 75—80 % возможной, как это было в июне 1965 г., в июле и августе 1938 г. При преобладании пасмурной дождливой погоды и в летние месяцы продолжительность солнечного сияния составляет 30—40 % возможной продолжительности (май 1941 г., июнь 1978 г. и т. д.)
В осенне-зимний период из-за уменьшения продолжительности дня и увеличения облачности число часов солнечного сияния уменьшается до 20—40 (ноябрь — январь). При сохранении ясной погоды продолжительность солнечного сияния может вдвое превышать среднюю величину.
Годовой ход числа дней без солнца определяется режимом облачности, максимум приходится на декабрь — 23 дня. Немного дней без солнца бывает с апреля по сентябрь, даже при преобладании пасмурной погоды совершенно без солнца может быть только 4—9 дней (июнь 1977 г., сентябрь 1958 г.) (табл. 1).
Для характеристики режима солнечного сияния использованы наблюдения по гелиографу универсальной модели на ст. Горький, Мыза (Приокский район) за период с 1933 по 1980 г.
2.2. Радиационный режим подстилающей поверхности
На актинометрических станциях ведутся наблюдения за прямой солнечной радиацией, поступающей на перпендикулярную солнечным лучам поверхность (S), рассеянной радиацией (D), суммарной солнечной радиацией (Q), отраженной земной поверхностью радиацией (RK) и радиационным балансом (В). Некоторые характеристики радиационного режима можно получить расчетным путем: прямую радиацию, поступающую на горизонтальную поверхность (S'), альбедо (Ак) —отношение отраженной радиации к приходящей суммарной. Годовая сумма прямой солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность при ясном небе, т. е. возможный приход, составляет 4,5 тыс. МДж/м2, рассеянной радиации (при тех же условиях) —около 1,3 тыс. МДж/м2, т. е. почти в 3,5 раза меньше, (рис. 3).
Значительное влияние на приход солнечной радиации оказывает прозрачность атмосферы, имеющая сезонные и суточные колебания. Принято считать, что прозрачность атмосферы сильно понижена при коэффициенте прозрачности р = 0,65... 0,70, нормальная при р — 0,75, повышена при р = 0,80, высокая при р = 0,85. Энергетическая освещенность атмосферы прямой радиацией может увеличиваться на 15—20 % при высокой и уменьшаться на 25—30 % при низкой прозрачности атмосферы в сравнении со средними значениями. Самая низкая прозрачность атмосферы наблюдается летом в околополуденные часы, что можно объяснить увеличением количества водяного пара и аэрозолей в атмосфере. В годовом ходе наибольшая прозрачность атмосферы отмечается с октября по март (р = 0,76... 0,78) наименьшая — летом (р = 0,73... 0,74).
Облачность не только снижает приход прямой солнечной радиации, но и вносит коррективы в ее суточный и годовой ход. При средней облачности основным фактором, влияющим на количество приходящей радиации, является высота солнца над горизонтом.
В Нижнем Новгороде облачность уменьшает поступление прямой солнечной радиации на 60—65 % в среднем за год и увеличивает поступление рассеянной радиации в 1,5 раза. Доля различных видов радиации в суммарной при средних условиях облачности приведена в табл. 2.
Годовой приход суммарной радиации при средних условиях облачности равен 3667 МДж/м2 (см. табл. 1 приложения).
В годовом ходе максимум месячных величин всех видов радиации при ясном небе и при средних условиях облачности приходится на июнь, минимум — на декабрь. В отдельные годы в зависимости от облачности приход суммарной радиации может значительно отличаться от средних величин (табл. 3). Суточный ход суммарной и прямой радиации определяется в основном высотой солнца, и поэтому максимум при отсутствии облачности приходится на полдень. При наличии облачности в теплый период года дополуденные суммы радиации, как правило, больше послеполуденных, а в холодное время года — наоборот.
Средние суточные суммы суммарной радиации при средних условиях облачности изменяются от 2 МДж/м2 в декабре до 21 МДж/м2 в июне (см. табл. 1 приложения). Такое большое колебание сумм объясняется не только изменением продолжительности дня, высоты солнца над горизонтом, но и характером облачности. Летом хорошо развитая облачность при открытом диске солнца повышает общий приход радиации за счет резкого увеличения рассеянной радиации и высокой интенсивности прямой.
Количество отраженной от подстилающей поверхности радиации зависит от свойств этой поверхности (цвета, увлажненности, структуры). Отражательная способность естественной поверхности (альбедо Ак) весьма разнообразна. Летом в среднем отражается 20 % приходящей радиации, а в период со снежным покровом 55— 74 % (см. табл. 1 приложения), отражательная способность свежевыпавшего снега возрастает до 80—90 %.
Радиационный баланс подстилающей поверхности в зависимости от соотношения между приходом и расходом тепла может быть как положительным, так и отрицательным. Если приход тепла к подстилающей поверхности за счет коротковолновой радиации превышает расход за счет эффективного излучения, то радиационный баланс положителен, и наоборот. Ночью баланс определяется только эффективным излучением и поэтому всегда отрицателен. В зимние месяцы при наличии устойчивого снежного покрова радиационный баланс отрицателен в течение полных суток.
При положительном радиационном балансе тепло идет на нагревание воздуха, почвы и на испарение, а при отрицательном — земля охлаждается и забирает тепло из воздуха.
Годовой ход радиационного баланса определяется суммарной радиацией, эффективным излучением и альбедо подстилающей поверхности. При облачности в теплое время года баланс уменьшается из-за отсутствия прямой солнечной радиации, зимой, наоборот, увеличивается за счет уменьшения эффективного излучения и отраженной радиации.
Средний годовой радиационный баланс составляет около 1400 МДж/м2. В годовом ходе с ноября по февраль радиационный баланс отрицателен, а с марта по октябрь положителен. Максимум радиационного баланса приходится на июнь: 338 МДж/м2, что составляет более 50 % общего прихода суммарной радиации за месяц.
В суточном ходе максимум радиационного баланса приходится на полдень, минимум — на ночное время. В течение суток переход отрицательных значений радиационного баланса к положительным отмечается после восхода солнца (при высоте солнца около 7°) и от положительных к отрицательным — перед заходом солнца (при высоте солнца 9—10°). Максимальное значение радиационного баланса наблюдается летом около полудня: чуть более 0,40 кВт/м2.
Световая часть излучения солнца, ограниченная длинами волн от 0,38 до 0,71 мкм (фотосинтетически активная радиация ФАР), особенно активно используется растениями при фотосинтезе.
Месячные суммы ФАР при средних условиях облачности для Нижнего Новгорода изменяются от 10 МДж/м2 в декабре до 300 МДж/м2 в июне.
За вегетационный период, когда средняя суточная температура воздуха выше 10 °С, сумма ФАР равна 1200—1250 МДж/м2. Данные о радиационном режиме Нижнего Новгорода получены по материалам актинометрических наблюдений за период с 1957 по 1980 г.
Переход от единиц, включающих калорию, к единицам СИ осуществляется с помощью следующих соотношений:
1 калДсм2 • мин) = 698 Вт/м2 = 0,698 кВт/м2,
1 кал/см2 = 4,19 • 104 Дж/м2 = 41,9 кДж/м2,
1 ккал/см2 = 4 ,1 9 • 107 Дж/м2 = 41,9 МДж/м2.
2.3. Радиационный режим вертикальных и наклонных поверхностей
для решения многих многих задач в промышленном и жилищном строительстве, в гелиотехнике и сельском хозяйстве требуются данные о приходе солнечной радиации на наклонные и вертикальные поверхности различной ориентации. Приход радиации на наклонные и вертикальные поверхности определяется не только факторами, характерными для горизонтальной поверхности (высота солнца, продолжительность дня, прозрачность атмосферы), но и положением солнца на небосводе (азимутом), а также ориентацией зданий и сооружений относительно сторон света.
Высота и азимут солнца на 15-е число месяца представлены на рис. 4, где азимут отложен на окружности влево и вправо от направления на юг, а высота по радиусу к центру. Сплошными линиями (толстыми) показан путь солнца по небу на 15-е число каждого месяца. На рисунке видно, что место восхода и захода солнца меняется от месяца к месяцу. В июне солнце восходит на северо- востоке (—138°), а заходит на северо-западе (138°). Зимой место восхода и захода смещается к югу, и в декабре солнце восходит уже на юго-востоке (—46°), а заходит на юго-западе (46°).
Общий приход радиации к наклонным и вертикальным поверхностям складывается из прямой, рассеянной и отраженной от земли радиации. Средние суточные и месячные суммы прямой солнечной радиации для наклонных и вертикальных поверхностей рассчитываются путем умножения средних суточных (и месячных) сумм прямой радиации, поступающей на горизонтальную поверхность, на специальный коэффициент.
Наклонные поверхности (например, крыши) южной ориентации во все месяцы получают радиации больше, чем горизонтальные поверхности, с увеличением крутизны приход радиации возрастает(рис. 5). Наклонные поверхности северной экспозиции в течение всего года получают прямой солнечной радиации меньше, чем поверхности других ориентаций, и почти не получают ее зимой при небольших высотах солнца.
По сравнению с прямой солнечной радиацией, поступающей на горизонтальную поверхность, северные склоны крутизной 5° в течение года недополучают 5—10 %, а склоны крутизной 20° в летний период недополучают 20—30 % радиации. Вне зависимости от крутизны склона поверхности восточной и западной ориентации получают примерно такое же количество прямой солнечной радиации, как и горизонтальные поверхности.
Приход прямой солнечной радиации на вертикальные поверхности (стены) можно рассматривать, как частный случай прихода радиации к склонам, т. е. приход определяется взаимным расположением стены и солнца. В среднем за год наибольшее количество прямой солнечной радиации поступает на южные, юго-восточные и юго-западные стены (см. табл. 2 приложения). В летний период (май — август) при большой высоте солнца приход тепла к южным стенам уменьшается на 40—70 %, а в июне и июле даже на 100 % по сравнению с горизонтальной поверхностью, и на 10—25 % по сравнению со стенами юго-восточной и юго-западной ориентации. В зимний же период (ноябрь - февраль ) южные стены получают тепла в 3-6 раз больше, чем горизонтальная поверхность.
В отдельные годы средние суточные и месячные суммы прямой солнечной радиации, поступающей на вертикальные поверхности, могут в 1,5—2 раза превосходить средние значения.
Облучение стен северной ориентации происходит с апреля по август с максимумом 42 МДж/м2 в июне (см. табл. 2 приложения). В холодное время года на северную сторону поступает только рассеянная и отраженная радиация.
Сведения о теоретически возможной продолжительности облучения стен различной ориентации для Нижнего Новгорода приведены в табл; 4. Однако из-за наличия облачности фактическое время облучения значительно меньше (табл. 5).
В дневном ходе максимум тепла стены СВ, В и ЮВ ориентации получают в дополуденные часы, а стены ЮЗ, 3 и СЗ ориентации во второй половине дня. Южные стены максимум тепла получают в полуденные часы, а северные — в утренние и вечерние.
Кроме прямой солнечной радиации на вертикальные поверхности поступает также рассеянная и отраженная от земной поверхности и окружающих предметов радиация. Совокупность всех этих потоков составляет суммарный поток радиации ( см. табл. 3 приложения).
Сравнение вкладов различных видов радиации (прямой, рассеянной и отраженной) в суммарный приход при средних условиях облачности с учетом ориентации вертикальной поверхности показывает, что вклад рассеянной и отраженной радиации особенно значителен в осенне-зимний период, а для стен северной ориентации с октября по март суммарную радиацию составляют только рассеянная и отраженная радиация. Для стен ЮВ, Ю и ЮЗ ориентации доли рассеянной и отраженной радиации (вместе взятых) и прямой примерно равны. Приход рассеянной и отраженной радиации на СЗ и СВ стены больше, чем приход прямой солнечной радиации.
Стены поглощают не всю поступающую радиацию, часть ее отражается. Количество отраженной радиации зависит от цвета и шероховатости стены. Окрашивая стены в разные цвета, можно добиться того, что стены различной ориентации будут поглощать примерно одинаковое количество радиации и, следовательно, будут одинаково прогреваться. Учет поступающей на стены зданий радиации может помочь при регулировании температурного режима помещений, системы отопления и вентиляции.
2.4. Естественная освещенность
Данные о естественной освещенности находят применение в строительной технике, гигиене труда, аэрофотосъемках, сельском хозяйстве и научных исследованиях. Непосредственных измерений естественной освещенности на актинометрнческих станциях не проводится, сведения о световом режиме получают расчетными методами [2]. За единицу освещенности принимается люкс (лк) или килолюкс (клк). Исходным материалом для расчетов освещенности служат данные о суммарной и рассеянной радиации. Естественная освещенность горизонтальной поверхности в светлое время суток определяется теми же факторами, что и суммарная радиация: высотой солнца над горизонтом, облачностью, прозрачностью атмосферы и характером подстилающей поверхности.
Основные закономерности годового и суточного хода суммарной освещенности такие же, как и у суммарной радиации. Средняя суммарная освещенность при средних условиях облачности в Нижнем Новгороде изменяется от 1 до 60 клк и имеет правильный годовой ход с максимумом в июне и минимумом в декабре (рис. 6а). В дневном ходе максимум наблюдается в полуденные часы. При ясном небе суммарная освещенность в полуденные часы летом (в июне) достигает 84 клк (рис. 6 6). На рис. 7 приведен годовой ход суммарной освещенности горизонтальной поверхности по средним многолетним данным в полдень при различных условиях облачности. Суммарная освещенность горизонтальной поверхности при безоблачном небе существенно зависит от высоты солнца. При пасмурном небе освещенность мало меняется и практически не зависит от высоты солнца (рис. 8).
Годовой ход рассеянной освещенности горизонтальной поверхности такой же, как и для суммарной, с максимумом в июне (28 клк) и минимумом — в декабре (6 клк) (рис. 9). В ноябре — январе суммарная освещенность почти полностью определяется рассеянным светом, в летний период доля рассеянной освещенности в суммарной составляет 50—60 %.
В суточном ходе максимум рассеянной освещенности приходится на околополуденные часы и составляет в летнее время при средних условиях облачности 26—28 клк, в утренние и вечерние часы рассеянная освещенность при средних условиях облачности близка или равна суммарной, т. е. суммарная освещенность состоит только из рассеянной.
В годовом ходе естественной освещенности обнаруживается четкая связь с характером подстилающей поверхности, поскольку отражательная способность последней сказывается на величине как суммарной, так и рассеянной освещенности. При одних и тех же условиях наблюдений освещенность будет значительно выше при снежном покрове, чем при растительном. В условиях облачного неба наибольшее влияние снежного покрова на освещенность проявляется при больших высотах солнца, при малых высотах солнца снежный покров усиливает освещенность при ясном небе.
Вообще пределы колебаний освещенности в естественных условиях могут быть значительными, в зависимости от формы и расположения облаков на небосводе уровень освещенности может меняться несколько раз даже в течение часа [2].
