9. Поглощение и рассеивание солнечной радиации в атмосфере

Атмосфера избирательно проницаема для разных частей спектра электромагнитного излучения. Ионизирующее излучение и большая часть ультрафиолета эффективно поглощается озоновым слоем (зоной атмосферы с высоким содержанием озона — O₃), а участок спектра от инфракрасного до коротковолнового радиоизлучения — водяным паром, углекислым газом, метаном и другими парниковыми газами.

Поглощение атмосферой ультрафиолетового и ионизирующего излучения в первую очередь связано с озоном, и в меньшей степени — с кислородом.

Под воздействием ионизирующего излучения молекула кислорода (O₂) может распадаться на атомарный кислород, который, присоединяясь к другим молекулам кислорода, образует озон (O₃). Озон — газ, который иногда встречается и на поверхности планеты. Это он ответственен за запах «свежести» после грозы. Его можно почувствовать возле работающих ультрафиолетовых ламп, а также возле неисправных лазерных принтеров и копировальных аппаратов. На поверхности Земли озон — опасный загрязнитель. Он является намного более сильным окислителем, чем кислород, и поэтому может повреждать живые клетки, вызывая, например, рак легких. Взаимодействуя с другими загрязнителями приземной атмосферы, озон может делать их действие намного опаснее.

В верхних слоях атмосферы озон выполняет функцию экрана, защищающего поверхность Земли от жесткого излучения — того самого, которое приводит к его образованию из двухатомного кислорода. На высоте от 12–25 до 45 километров над поверхностью Земли образуется слой с повышенным содержанием озона (с концентрацией около 0,001%). Этот слой эффективно задерживает ионизирующее излучение от дальнего ультрафиолета с длиной волны менее 315 нм до гамма-излучения.

Каждый из компонентов атмосферы имеет свой, достаточно сложный спектр поглощения. Тем не менее, все вместе они вырезают из солнечного спектра (также имеющего весьма сложное распределение частот) два участка. В результате от Солнца на Землю поступает, в основном, видимый свет, а также ближнее (к видимому свету) ультрафиолетовое и ближнее инфракрасное излучение.

Итак, большая часть солнечной энергии приходит к поверхности Земли в виде видимого света. Как вы думаете, то, что мы видим именно эти частоты спектра ЭМИ — случайность или вполне закономерный результат нашего приспособления к среде обитания?

Кроме атмосферы, солнечное излучение интенсивно поглощается в гидросфере и литосфере. В воде спектр существенно сужается, а количество света, поступающего на глубину, — уменьшается. В литосферу свет практически не проникает.

Рассеяние солнечной радиации молекулами атмосферных газов и аэрозольными частичками, обладающими различными коэффициентами преломления. Значительная часть Р. Р. обусловлена рассеянием молекулами воздуха, которые вследствие беспорядочного теплового движения образуют флюктуации плотности и тем самым оптическую неоднородность атмосферы. Это молекулярное рассеяние очень близко к рассеянию по закону Релея, т. е. обратно пропорционально четвертой степени длины волны радиации, подвергающейся рассеянию. Рассеяние на более крупных частичках аэрозолей — аэрозольное рассеяние — обратно пропорционально меньшим степеням длины волны, а для капель тумана, облаков и мороси совсем не зависит от длины волны и переходит в диффузное отражение. Радиация, преобразованная рассеянием, называется рассеянной радиацией.

Пространственное распределение интенсивности рассеянной радиации зависит от угла рассеяния (угол между направлениями падающего и отклоненного лучей рассеяния) и величины рассеивающей частички. Графически оно представляется индикатрисой рассеяния. В случае молекулярного рассеяния — рассеяние в направлении падающего луча и в обратном направлении одинаковы по интенсивности и вдвое больше, чем в направлении, перпендикулярном к лучу. В случае рассеяния крупными частичками интенсивность в направлении падающего луча значительно превышает интенсивность в обратном направлении (см. индикатриса рассеяния, эффект Мu). Рассеянная радиация подвергается вторичному рассеянию.

Рассеянием радиации объясняются голубой цвет неба, дневное освещение в отсутствие прямых солнечных лучей, поляризация небесного света, дымка и другие оптические явления.

В идеальной атмосфере рассеяние является практически единственной причиной ослабления прямой солнечной радиации. В действительной атмосфере к нему присоединяется поглощение.

Характеристика ослабления солнечной радиации в атмосфере, представляющая собой отношение коэффициентов ослабления реальной и идеальной атмосферы T=a/a_L.

Φ. Μ. можно определить так же, как число идеальных атмосфер, ослабляющих проходящую радиацию в такой же мере, как данная реальная атмосфера.

Так как, по закону Ламберта, то(формула Линке), где р_L—коэффициент прозрачности идеальной атмосферы. Рассматривая коэффициент ослабления как сумму , где a_L относится к действию на радиацию идеальной атмосферы, a_w — к действию водяного пара и a_d — к действию твердых примесей, а w и d — содержание водяного пара и пыли в столбе воздуха единичного сечения, можно представить Φ. Μ. в виде , где член a_ww/a_L называется влажной мутностью и a_dd/a_L — сухой мутностью. Значения той и другой могут быть вычислены по отдельности. Кроме того, Φ. Μ. можно определить для отдельных участков спектра.

Величина Φ. Μ. зависит от свойств воздушных масс. Для Москвы летом она меняется в среднем от 2,4 в арктическом воздухе и до 3,5 в континентальном тропическом. От экватора до 20° с. ш. Τ в среднем равно 4,6; от 40 до 50° с. ш. — 3,5; от 50 до 60° с. ш. —2,8; от 60 до 80° —2,0. С высотой над уровнем моря Τ убывает; напр., в Альпах летом — от 3,9 на высоте 200 м и до 2,2 на высоте 3000 м. В больших городах Τ увеличено.