БІОФІЗИКА РОСЛИН - Ю. І. Посудін - 2004

IІ. ПРОЦЕСИ ПЕРЕНОСУ В СИСТЕМІ РОСЛИНА-ҐРУНТ-ПОВІТРЯ

9. ПЕРЕНОС ЕНЕРГІЇ

9.1. ПЕРЕНОС ВИПРОМІНЮВАННЯ

9.1.1. Природні випромінювання

Параметри сонячного випромінювання. Сонце є основним зовнішнім джерелом світла та енергії для Землі та її атмосфери, завдяки якому існує життя на планеті. Сонце являє собою розжарену кулю радіусом 6,96 · 10⁸ м, маса якої становить 1,991 · 10³⁰ кг. Відстань між Сонцем і Землею дорівнює 1,496 · 10¹¹ м. Склад сонячного середовища - водень (64 %), гелій (32 %) і суміш важких елементів (4%). Температура Сонця у центрі — 2 · 10⁷ °С, на поверхні - 6 000 °С. За такої високої температури відбувається іонізація молекул сонячного середовища та ядерні реакції. Ці процеси супроводжуються виділенням великої кількості енергії. Щорічна енергія Сонця, що приймається Землею, становить 5,5 · 10²⁴ Дж; потужність - 1,5 · 10¹⁸ кВт за годину Сонце можна порівняти з абсолютно чорним тілом, температура якого дорівнює 6 000 К.

Спектральна область сонячного випромінювання становить 200-5 000 нм; максимум випромінювання припадає на 500 нм. Спектр сонячного випромінювання, який досягає земної поверхні складається з ультрафіолетової (200-400 нм), видимої (400-700 нм) та інфрачервоної (більше 700 нм) частин. На ультрафіолетову частину спектра припадає 5 %, на видиму - 35 % і на інфрачервону - 60 % сонячного випромінювання. Спектр сонячного випромінювання поза атмосферою та на земній поверхні наведено на рис. 9.1. Видно, що спектр зовнішнього сонячного випромінювання нагадує спектр випромінювання абсолютно чорного тіла при температурі 6 000 К з максимумом близько 0,5 мкм; після проходження земної атмосфери сонячне випромінювання суттєво поглинається на певних довжинах хвиль (озоном в ультрафіолетовій області спектра, водяною парою та двоокисом вуглецю - в інфрачервоній). На характер сонячного спектра впливають також процеси розсіювання світла малими за розмірами молекулами повітря (розсіювання Релея) та великими частинками пилу, диму та аерозолів (розсіювання Мі), висота стояння Сонця, хмарність неба, склад атмосфери.

Рис. 9.1. Спектр сонячного випромінювання поза атмосферою та на земній поверхні.

Сонячне випромінювання розподіляється так: близько 17% поглинається хмарами, водяною парою, двоокисом вуглецю, що сприяє безпосередньому нагріванню атмосфери; близько 30 % відбивається від хмар, атмосферних газів та частинок; близько 53 % досягає земної поверхні: дві третини - у вигляді прямого сонячного світла, одна третина - у вигляді розсіяного світла.

Випромінювальні властивості Сонця описуються рівнянням:

де Е_с↓ - сумарна енергетична освітленість сонячним випромінюванням земної поверхні, E_ccosθ та Е_д↓ - енергетична освітленість земної поверхні прямим та дифузним сонячним випромінюванням відповідно.

Середні значення сумарної енергетичної освітленості та за рахунок дифузного сонячного випромінювання становлять. Е_с↓ = 900 Вт·м^-2, Е_д↓ = 200 Вт·м^-2 (чисте небо); Е_с↓ = 800 Вт·м^-2; Е_д↓ = 350 Вт·м^-2 (небо наполовину покрите купчастими хмарами); Е_с↓ = Е_д↓ = 300 Вт·м^-2 (небо повністю покрите хмарами). Сонце характеризується постійністю своїх випромінювальних властивостей. Інтенсивність сонячного випромінювання вдень короткий проміжок часу в ясну погоду становить 1368 Вт-м^-2 (сонячна стала). З врахуванням загальної площі земної поверхні середня інтенсивність сонячного випромінювання становить 342 Вт·м^-2. В Україні інтенсивність сонячного випромінювання варіює від 115-145 Вт·м^-2 на Поліссі до 185-215 Вт·м^-2 у Криму.

Атмосферне випромінювання. На земну поверхню діє довгохвильове випромінювання атмосфери, за яке відповідають у першу чергу такі гази, як водяна пара, двоокис вуглецю та озон. Ці компоненти поглинають та випромінюють: Вода - 5-7 мкм, а також на довжинах хвиль, що перевищують 17 мкм; двоокис вуглецю - близько 4,5 мкм та на довжинах хвиль більших ніж 13,5 мкм; озон - близько 9,6 мкм. Крім того, атмосферні аерозолі беруть участь у тепловому випромінюванні. В цілому, спектр випромінювання атмосфери займає область 5-100 мкм; енергетична світність атмосфери визначається за виразом:

де σ - стала Стефана-Больцмана (5,67 · 10^-8 Вт·м^-2·К^-4), Т_А - температура уявного абсолютно чорного тіла, яким можна моделювати атмосферу.

На практиці всі природні тіла можуть бути розглянуті в інтервалі звичайних температур як сірі тіла, що характеризуються випромінювальною здатністю ε. Енергетична світність сірого тіла визначається як М = εσТ⁴. Для оцінки випромінювальної здатності ясного неба зручно використовувати емпіричні формули; перша з них має вигляд:

де е - насиченість водяної пари (кПа) на рівні одного-двох метрів, Т_n - температура повітря (К).

Дійсно, атмосферне теплове випромінювання залежить від концентрації водяної пари в межах перших кілометрів, особливо протягом перших сот метрів. Друга формула теж базується на використанні кореляції між насиченістю водяної пари та температурою:

Випромінювальна здатність хмарного неба оцінюється за виразом:

де с - частка неба, покритого хмарами.

Коли с = о (ясне небо), ε_x = ε_n; коли с = 1 (небо повністю покрите хмарами), ε_х = 0,84 + 0,16ε_n;

За рахунок енергетичної світності атмосфери земна поверхня освітлюється; енергетична освітленість земної поверхи, дорівнює енергетичній світності атмосфери (Е_А↓ = М_А↑).

Приклад. Визначити енергетичну світність ясного неба, якщо температура повітря дорівнює 20 °С.

Розв’язання. Використовуючи закон Стефана-Больцмана, знайдемо енергетичну світність чорного тіла.

Визначимо випромінювальну здатність ясного неба за допомогою рівняння (9.4):

Звідси енергетична світність ясного неба становитиме:

Випромінювання земної поверхні. Енергетична світність земної поверхні визначається за виразом:

де ε - випромінювальна здатність земної поверхні (табл. 9.1).

Земна поверхня діє як сіре тіло з температурою 288 К. Спектральна область випромінювання становить 4-50 мкм з максимумом 10 мкм. Випромінювання земної поверхні майже повністю поглинається атмосферою (зокрема водяною парою, двооксидом вуглецю та озоном), за винятком своєрідних спектральних ділянок - так званих «вікон прозорості», через які випромінювання спроможне проходити у космос. Так, для випромінювальної здатності земної поверхні 0,95 та температури 288 К енергетична світність земної поверхні становить М₃ = 371 Вт·м^-2.

Приклад. Визначити енергетичну світність вологого ґрунту, якщо температура повітря дорівнює 20 °С.

Розв’язання. Використовуючи дані табл. 8.3 (ε = 0,97 для вологого ґрунту) та формулу (8.25), знаходимо енергетичну світність вологого ґрунту.

9.1.2. Випромінювальний баланс листка

Розглянемо можливі шляхи постачання енергії на поверхню листка (рис. 9.2). На верхню поверхню листка надходить пряме та дифузне (розсіяне хмарами та частинками атмосфери) сонячне випромінювання (Е_с↓) видимої області спектра, а також довгохвильове випромінювання атмосфери (σТ_А⁴). На нижню поверхню листка надходить випромінювання, відбите від земної поверхні, стовбура, гілок, інших листків тощо (а₃Е_с↓) та довгохвильове випромінювання земної поверхні (ε₃σТ_З⁴).

Рис. 9.2. Можливі шляхи постачання енергії на поверхню листка: 1 - пряме сонячне випромінювання, 2 - розсіяне хмарами сонячне випромінювання, 3 - відбите сонячне випромінювання, 4 - розсіяне хмарами сонячне випромінювання, відбите від земної поверхні, 5 - довгохвильове випромінювання атмосфери, 6 - довгохвильове випромінювання земної поверхні, 7 - довгохвильове випромінювання в атмосферу, 8 - довгохвильове випромінювання у довкілля, 9 - розсіяне частинками атмосфери сонячне випромінювання, 10 - відбите від земної поверхні атмосферне випромінювання.

Відбите випромінювання може становити 10-30 % від загального випромінювання, що досягає поверхні листка. Частка випромінювання видимої області спектра, що відбивається від природної поверхні, називається альбедо. Числові значення альбедо залежать від типу поверхні (табл. 9.1 ).

Таблиця 9.1. Значення альбедо а і випромінювальної здатності ε природних поверхонь

Втрати енергії верхньою поверхнею листка визначаються процесами відбивання та пропускання сонячного випромінювання видимої області спектра, відбивання випромінювання, що надходить із земної поверхні інфрачервоного випромінювання листка перевипромінювання атмосферного випромінювання та випромінювання земної поверхні Тут: Е_с↓ - сумарна енергетична освітленість сонячним (прямим та дифузним) випромінюванням поверхні листка, а₃ - альбедо земної поверхні, а_л - коефіцієнт поглинання листка, τ_л- коефіцієнт пропускання листка, а_іч — поглинальна здатність листка, яка характеризує частку падаючого випромінювання, що поглинається листком, σ — стала Стефана-Больцмана, Т_А - температура атмосфери, ε₃ - випромінювальна здатність ґрунту, Т₃ — температура ґрунту.

Якщо врахувати реальні значення параметрів, що характеризують випромінювальний баланс листка, а саме: а₃ = 0,15, а_л = τ_л = 0,2, ε_з = 0,95, ε_л = 0,97, то рівняння випромінювального балансу листка можна подати у вигляді: