Суммарная солнечная радиация: Солнечная радиация — урок. География, 8 класс.

Глава 2 Радиационный и световой режим

Среди климатообразующих факторов солнечная радиация играет едва ли не первостепенную роль. 3а последнее время сведения о солнечной радиации так называемая актинометрическая информация, все шире используется в народном хозяйстве. Радиационные условия учитываются при строительном проектировании и планировании производства, при распределении разного вида ресурсов и материалов, расхода топлива и электроэнергии; радиационные условия учитываются также многочисленными народно-хозяйственными организациями в их повседневной деятельности.

В Магадане продолжительность солнечного сияния за день регистрируется с 1937 г., актинометрические наблюдения начаты в 1970 г. Семь раз в сутки в определенные часы (актинометрические сроки наблюдений) проводятся измерения прямой S, рассеянной о, отраженной D солнечной радиации и радиационного баланса B.

2.1. Продолжительность солнечного сияния

Одной  из самых распространенных характеристик солнечной радиации является продолжительность солнечного сияния. Различают действительную и возможную продолжительность солнечного сияния. Действительная продолжительность регистрируется прибором в естественных условиях на метеорологической площадке, зависит от времени года и наличия или отсутствия облачности на небе. Возможная продолжительность -условная характеристика продолжительности солнечного сияния при полном отсутствии облачности, –  определяется временем восхода и захода солнца и степенью закрытости горизонта.

Ниже для сравнения приведены данные о действительной продолжительности солнечного сияния (в часах) в Магадане и ,Ленинграде, расположенных приблизительно на одной широте:

 

В Магадане солнце за год в среднем светит 1822 ч, т. е. продолжительность солнечного сияния на 70 ч. больше, чем в Ленинграде. Для пунктов, расположенных на широте 60°, средняя продолжительность солнечного сияния за год лишь на 8 ч больше, чем в Магадане. В теплый период продолжительность солнечного сияния за сутки в Магадане меньше, чем в Ленинграде, и других пунктах, расположенных на этой широте, а в зимний период за счет большой повторяемости ясной погоды в Магадане число часов солнечного сияния значительно больше. В целом за год в Магадане насчитывается 117, в Ленинграде 124, во Владивостоке 56 дней без солнца.

2.2. Радиационный  баланс и его составляющие

Количество поступающей к поверхности земли солнечной радиации в значительной степени зависит от географической широты местности и определяется высотой солнца над горизонтом, количеством облачности, прозрачностью атмосферы и другими факторами.

Изменение высоты солнца в течение дня при различном склонении солнца показано на рис. 1. 1 Кривая 1 характеризует изменение высоты солнца в период самых длинных летних дней (δ = 23°), кривая 5-изменение высоты солнца в самые короткие зимние дни (δ = – 23°), кривая 3- в дни равноденствий .(δ = 0°).

При безоблачной погоде поверхности земли достигает преимущественно прямая солнечная радиация, а когда солнце закрыто облаками, – рассеянная. Сумма прямой и рассеянной радиации составляет приходную часть радиационного баланса – суммарную радиацию Q. Часть приходящей радиации отражается деятельной поверхностью обратно в атмосферу – отраженная радиация Rk. Отраженную  способность деятельной поверхности характеризуют величиной альбедо Ак – отношением  отраженной от поверхности радиации к приходящей суммарной (выражается обычно в процентах). Так, например, альбедо свежевыпавшего снега составляет 80—95%.

Разность между суммарной и отраженной радиацией называется остаточной коротковолновой радиацией или балансом коротковолновой радиации и обозначается Вк. Для определения полного радиационного баланса между землей и атмосферой необходимо учитывать все потоки радиации, в том числе и тепловое излучение земли и атмосферы, т. е. длинноволновую радиацию.

Таким образом, приходную часть радиационного баланса В составляют потоки прямой и рассеянной солнечной радиации, а также и тепловое излучение атмосферы, расходную часть радиационного баланса системы земля—атмосфера составляют потоки отраженной коротковолновой радиации и теплового излучения земли.

Как видно из данных табл. 1, на горизонтальную поверхность прямой солнечной радиации больше всего поступает в марте, мае, июне и июле. Максимум сумм рассеянной радиации приходится на май—июнь. Минимум солнечной радиации отмечается в декабре.

В мае и июне поток суммарной радиации составляет около 544 МДж/м2, в Ленинграде — на 42—84 МДж/м2 больше.

Большую часть года (март—сентябрь) радиационный баланс положительный, т. е. приход радиации превышает расход. В период март—май, август—сентябрь в Магадане положительные значения радиационного баланса выше, чем в Ленинграде. Радиационный баланс за год в Магадане на 126 МДж/м2 меньше, чем в Ленинграде.

В летний период значительная часть поступающей на поверхность земли радиации поглощается; среднее альбедо в этот период составляет 16—18%. Зимой подстилающая поверхность покрыта снегом, количество поглощенной радиации резко понижается; значения альбедо (начиная с ноября) превышают 50 %.

2.3. Радиационный режим наклонных и вертикальных поверхностей

При решении практических задач часто необходимо оценить, какое количество солнечной радиации поступает на наклонные и вертикальные поверхности, различно ориентированные относительно сторон света.

Сведения о количестве радиации, поступающей на склоны разной ориентации, позволяют уточнить продолжительность вегетационного периода, сроки схода снежного покрова, оценить влагосодержание почвы и т. п.

Количество прямой солнечной радиации, приходящей к склону, зависит от экспозиции и крутизны склонов. Расчет радиации, поступающей на склон — процесс трудоемкий. Для упрощения пересчета суточных сумм радиации с горизонтальной поверхности на наклонную, применяется коэффициент К (табл. 2 приложения), который изменяется в зависимости от времени года, крутизны склона и ориентации поверхности.

На Дальнем Востоке на широте 60° с. южные склоны всегда получают больше тепла от прямых солнечных лучей, чем горизонтальная поверхность и склоны других экспозиций. Наибольшие различия в поступлении солнечных лучей на южные и северные склоны отмечаются в зимний период. Так, в ноябре—январе северный склон крутизной 5° получает только 40—60 % солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность; на южный склон такой же крутизны приходит радиации в 1,5 раза больше, чем на горизонтальную поверхность. Чем больше угол наклона южного склона, тем больше тепла получает этот склон зимой. На склоны северной экспозиции крутизной 20° в течение почти всего зимнего периода прямой солнечной радиации не поступает. Южные склоны крутизной 10° больше тепла получают в апреле. В теплый период поток солнечной радиации на северные склоны увеличивается. Так, северный склон крутизной 5° и горизонтальная площадка в июне и июле получают почти одинаковое количество солнечной радиации. Восточные и западные склоны в течение года получают примерно одинаковое количество тепла по сравнению с горизонтальной поверхностью.

 

 

 

Большую роль играют потоки солнечной радиации, поступающей на стены зданий. Солнечная радиация оказывает влияние на тепловой режим внутри помещений, продолжительность отопительного периода, на освещенность квартир и служебных помещений и др.

Из данных табл. 2 видно, что продолжительность облучения южных стен солнечными лучами больше. Так, в марте продолжительность облучения стен южной ориентации составляет в среднем 7 ч в день. Стены западной ориентации в течение года имеют большую продолжительность облучения солнцем, чем восточные.

Наибольшая продолжительность облучения стен северной ориентации отмечается в мае и июне (1,7 ч). 

Следует отметить, что действительная продолжительность облучения стен вследствие облачности меньше, чем теоретически возможная. Так, в период с марта по май отношение действительной продолжительности облучения к возможной для южной стены. составляет 53—62 % (табл. 3). На рис. 2 показано изменение возможной продолжительности облучения стен разной ориентации в течение года. О количестве прямой и рассеянной солнечной радиации, поступающей на вертикальную поверхность разной ориентации, можно судить по данным табл. 4.

Возможное время начала и конца облучения стен северной и южной ориентации приведено в табл. 5. По этим данным можно получить сведения о продолжительности облучения восточных и западных стен. Так, в июле возможное облучение восточных стен начинается с 2 ч 56 мин и длится до 12 ч, южные стены облучаются с 6 ч 52 мин до 17 ч 08 мин, северные — с 2 ч 56 мин до 6 ч 52 мин и с 17 ч 08 мин до 21 ч 04 мин, западные — с 12 ч до 21 ч 04 мин.

2.4. Естественная освещенность

Естественная освещенность является одной из важных радиационных характеристик. Эта характеристика зависит от продолжительности дня, прозрачности атмосферы и других факторов. На рис. 3 показана продолжительность дня и ночи на 15-е число каждого месяца. Продолжительность самого короткого дня в Магадане составляет 6 ч. С 13 июня до 1 июля с 22 ч 10 мин до 3 ч 35 мин солнце хотя и находится за горизонтом, но полной темноты не наступает, сохраняется сумеречная освещенность. Продолжительность дня в этот период составляет 18 ч 50 мин. Измерения освещенности на территории СССР носят эпизодический характер. Однако разработанный расчетный метод позволяет с достаточной степенью точности получить характеристики освещенности, используя составляющие солнечной радиации и световой эквивалент. Световой эквивалент — это отношение освещенности (клк) к интенсивности радиации (МДж/м²). Различают освещенность суммарную, Eq, создаваемую прямой и рассеянной радиацией, и рассеянную освещенность Ed, источником которой служит рассеянная солнечная радиация в пасмурную погоду при отсутствии прямой. Световой эквивалент рассчитывается как для суммарной, так и для рассеянной радиации. Световой эквивалент рассеянной радиации зависит от условий облачности, а световой эквивалент суммарной радиации — от высота солнца. Световые эквиваленты, использованные для расчетов приведены в табл. 5 приложения. В тех случаях, когда отмечалась пасмурная погода и солнце слабо просвечивало через облака, применялся световой эквивалент, равный 3 клк/(МДж-м ^-2 мин^-1). При расчетах рассеянной освещенности при ярком солнце световой эквивалент принимался равным 3,4 клк/(МДж-м ^-2 мин^-1), при умеренном солнце— 3,3 клк/(МДж-м ^-2 мин^-1).

 

Результаты расчетов суммарной и рассеянной освещенности приведены в табл. 6. Максимальная суммарная и рассеянная освещенность отмечается в июне и составляет соответственно 90-104 и 54-104 клк; минимальная суммарная и рассеянная — в декабре и составляет соответственно 2,2-104 и 1,8-104 клк. В Ленинграде с сентября по май суммарная освещенность ниже, а в летний период выше, чем в Магадане. Рассеянная освещенность в течение года, за исключением , июля и августа, в Магадане выше, чем в Ленинграде.

За нижний предел естественной освещенности для бытовых и технических целей принимают освещенность 4—5 клк, называемую сумеречной освещенностью. В табл. 7 содержатся сведения о времени наступления и окончания освещенности величиной 5 клк на широте 60°. Освещенность 5 клк наблюдается при высоте солнца не менее 2°. Гражданские сумерки наступают при переходе солнца через линию горизонта. Освещенность в этот период понижается от 600—650 до 10 лк и считается достаточной для выполнения работ на открытом воздухе без искусственного освещения. В Магадане, так же как и в Ленинграде, в период «белых ночей» уличное освещение не зажигается.

 

Материалы 17-й Всероссийской открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса»

Материалы 17-й Всероссийской открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса»

Нейштадт Я. А. (1), Червяков М.Ю. (1), Спиряхина А.А. (1), Суркова Я.В. (1), Шаркова С.А. (1)

(1) Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского, Саратов, Россия

Современные глобальные и региональные изменения, происходящие в климатической системе, требуют оценки пространственно-временной изменчивости основных климатообразующих факторов и, в частности, радиационного баланса подстилающей поверхности. Измерение радиационного баланса входило в программу основных наблюдений сетевых актинометрических станций СССР, а в дальнейшем России. Плотность актинометрической сети изначально была недостаточна для освещения всех регионов.
В последние десятилетия на многих станциях в связи с состоянием приборной базы прекратились наблюдения за радиационным балансом (РБ). Изучение географических закономерностей распределения РБ и его климатических изменений стало невозможным по материалам непосредственных актинометрических наблюдений [11], требуется применение иных подходов.

Большие возможности обеспечения надежной информацией в регионах, где наземные измерения редки или вовсе отсутствуют, открываются в связи с использованием спутниковых данных. Сохранить многолетние ряды значений РБ в пунктах, где закончились его непосредственные измерения, но ведутся наблюдения за другими радиационными характеристиками, возможно с помощью расчетных методов [1,3,5-10, 14-32].
Наиболее полные архивы данных актинометрических наблюдений сосредоточены в мировых радиационных центрах ВМО. Один из крупнейших центров расположен в Главной геофизической обсерватории им. Воейкова. Данный центр аккумулирует актинометрическую информацию и ежегодно публикует бюллетени, содержащие информацию о солнечной радиации по станциям на сайте [2].
В работе обсуждаются вопросы оценки климатических условий для решения задач солнечной энергетики на территории Нижнего Поволжья, в особенности Саратовской области. Проведен сравнительный анализ наземных актинометрических данных Мирового Радиационного Центра Главной Геофизической Обсерватории и данных спутникового проекта CERES (NASA) [12]. На основе многолетних спутниковых данных для региона Нижнего Поволжья исследована их сезонная и пространственная изменчивость. В результате проведенного анализа были раскрыты некоторые особенности поступления солнечной радиации [4, 13].
Выполнено районирование Саратовской области с использованием программы MapInfo на основе данных спутникового проекта CERES, что позволило дифференцировать территорию по особенностям радиационного режима. Сделан вывод о наиболее подходящей территории для расположения гелиоэнергетических установок.
Проведенные исследования позволяют детализировать климатические условия освоения одного из самых масштабных возобновляемых энергетических ресурсов Саратовской области. Энергетическая освещенность поверхности за летние месяцы в крайне северных районах не превышает 320 Вт/м2, а на юге региона достигает 410 Вт/м2. На территории наиболее перспективных районов (в первую очередь, это Алгайский район) возможно создание крупных гелиосистем, которые могут дополнительно обеспечить район дополнительной энергией.

Ключевые слова: гелиоэнергетика, суммарная солнечная радиация, CERES, климатический потенциал, солнечная энергия

Литература:

1. Горбаренко Е.В. Использование измеренной, расчетной и спутниковой информации для определения радиационного баланса земной поверхности // Тезисы международного симпозиума «Атмосферная радиация и динамика» (МСАРД-2017). 2017. С. 163–164.
2. Мировой центр радиационных данных. URL: http://wrdc.mgo.rssi.ru/wwwrootnew/wrdc_ru_new.htm (дата обращения: 29.04.2019).
3. Богданов М.Б., Воробьев В.А., Котума А.И., Червяков М.Ю. Связь шкал измерителей коротковолновой отраженной радиации ИКОР-М ИСЗ “Метеор-М” № 1 и № 2 // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016. Т 13. № 4. С. 252-260.
4. Нейштадт Я.А., Червяков М.Ю. Оценка климатического потенциала для развития гелиоэнергетики на юго-востоке европейской территории России по данным спутниковых и наземных наблюдений // Труды XVI Конференции молодых ученых «Взаимодействие полей и излучения с веществом». – Иркутск: ИСЗФ СО РАН, 2019. С. 354–356.
5. Скляров Ю.А., Воробьёв В.А., Котума А.И., Червяков М.Ю., Фейгин В.М. Алгоритм обработки данных наблюдений уходящей коротковолновой радиации с ИСЗ “Метеор-М” № 1 // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2012. Т.9. №3. С. 83-90.
6. Скляров Ю.А., Воробьёв В.А., Котума А.И., Червяков М.Ю., Фейгин В.М. Измерения компонентов радиационного баланса Земли с ИСЗ “Метеор-М” № 1. Аппаратура ИКОР-М // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2012. Т.9. №2. С. 173-180.
7. Скляров Ю.А., Червяков М.Ю., Воробьёв В.А., Котума А.И., Фейгин В.М. Некоторые результаты обработки данных поглощённой солнечной радиации и альбедо, полученных с помощью аппаратуры ИКОР-М // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия Науки о Земле. 2013. Вып. 2. Т. 13. С. 30-33.
8. Скляров Ю.А., Червяков М.Ю., Воробьёв В.А., Котума А.И., Фейгин В.М. Особенности распределения альбедо в 2010 – 2012 годах по данным с ИСЗ «Метеор – М» № 1 // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса.
   2013. Т. 10. № 4. C. 107-117.
9. Скляров Ю.А., Червяков М.Ю., Воробьёв В.А., Котума А.И., Фейгин В.М. Особенности распределения поглощённой солнечной радиации в 2010 – 2012 годах по данным с ИСЗ «Метеор – М» № 1 // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2013. Т. 10. № 2. C. 272-283.
10. Скляров Ю.А., Червяков М.Ю., Котума А.И. Лаборатория исследования составляющих радиационного баланса Земли Саратовского государственного университета / География в Саратовском университете. Современные исследования: сб. науч. тр. / под ред. А.Н. Чумаченко. – Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2014. С. 166 – 172.
11. Червяков М.Ю., Нейштадт Я.А. Актинометрические методы измерений: учебно-методическое пособие для студентов географического факультета. Саратов: Наука, 2019. 50 с.
12. Clouds and the Earth’s Radiant Energy System (CERES). URL: https://ceres.larc.nasa.gov (дата обращения: 23.04.2019).
13. Neyshtadt Y.A., Cherviakov M. Yu. The climatic conditions for the solar industry development in Lower Volga region // Представляем научные достижения миру. Естественные науки: материалы X научной конференции молодых ученых «Presenting Academic Achievements to the World». – Саратов: Изд-во «Саратовский источник», 2020. Вып. 9. С.
14. Богданов М.Б., Червяков М. Ю. Оценка времени реакции и чувствительности земной климатической системы к радиационному воздействию // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Науки о Земле. 2019. Т. 19, вып. 4. С. 216-223.
15. Червяков М.Ю. Оценочные доклады межправительственной группы экспертов по изменению климата // Экология: синтез естественно-научного, технического и гуманитарного знания: материалы III Всерос. науч.-практ. форума, Саратов, 10-12 октября 2012 г. / [редкол. А.В. Иванов, И.А. Яшков, Е.А. Высторобец и др.]; Сарат. гос. тех. ун-т им. Ю.А. Гагарина. — Саратов: Изд-во Сарат. гос. тех. ун-та им. Ю.А. Гагарина, 2012. C. 65-67.
16. Spiryakhina A. A., Cherviakov M. Yu. Research of the components of the earth radiation balance at the top of the atmosphere during the El nino (La nina) events in the pacific ocean // Представляем научные достижения миру. Естественные науки: материалы IX научной конференции молодых ученых «Presenting Academic Achievements to the World». – Сааратов: Изд- во «Саратовский источник», 2019. Вып. 8. С. 160-164.
17. Червяков М.Ю., Шаркова С.А., Спиряхина А.А., Суркова Я.В., Нейштадт Я.А. Изменчивость характеристик тропопаузы в Арктике по данным дистанционного радиозондирования атмосферы // Сборник тезисов докладов Семнадцатой Всероссийской Открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». М.: ИКИ РАН, 2019. С. 252.
18. Суркова Я.В., Червяков М.Ю., Спиряхина А.А., Нейштадт Я.А., Шаркова С.А. Влияния облачности на радиационный баланс Земли по данным спутниковых измерений // Сборник тезисов докладов Семнадцатой Всероссийской Открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». М.: ИКИ РАН, 2019. С. 238.
19. Спиряхина А.А., Червяков М.Ю., Суркова Я.В., Нейштадт Я.А., Шаркова С.А. Взаимосвязь альбедо и поглощенной солнечной радиации с температурой поверхности океана во время событий Эль-Ниньо // Сборник тезисов докладов Семнадцатой Всероссийской Открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». М.: ИКИ РАН, 2019. С. 236.
20. Червяков М.Ю., Богданов М.Б., Воробьев В.А., Котума А.И. Измеритель солнечной постоянной нового поколения ИСП-2М // Сборник тезисов докладов Четырнадцатой Всероссийской Открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». М.: ИКИ РАН, 2016. С. 142.
21. Червяков М.Ю., Богданов М.Б., Котума А.И., Шишкина Е.В., Спиряхина А.А., Суркова Я.В., Кулькова Е.В., Великанов В.С. Особенности пространственно-временных вариаций альбедо и поглощённой солнечной радиации по данным измерений радиометров ИКОР-М// Сборник тезисов докладов Четырнадцатой Всероссийской Открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». М.: ИКИ РАН, 2016. С. 207.
22. Червяков М.Ю. Спутниковый мониторинг альбедо // Тезисы докладов Всероссийской научной конференции «Мониторинг состояния и загрязнения окружающей среды. Основные результаты и пути развития». М.: ФГБУ «ИГКЭ Росгидромета и РАН», 2017. С. 38-39.
23. Червяков М. Ю., Шишкина Е.В., Кулькова Е.В. Спутниковые измерения потоков отраженной коротковолновой радиации // Тезисы докладов Всероссийской научной конференции «Мониторинг состояния и загрязнения окружающей среды. Основные результаты и пути развития». М.: ФГБУ «ИГКЭ Росгидромета и РАН», 2017. С. 92-93.
24. Червяков М.Ю., Спиряхина А.А., Суркова Я.В. Пространственно-временное распределение поглощенной солнечной радиации над океанами // Тезисы докладов Всероссийской научной конференции «Мониторинг состояния и загрязнения окружающей среды. Основные результаты и пути развития». М.: ФГБУ «ИГКЭ Росгидромета и РАН», 2017. С. 106-107.
25. Кулькова Е.В., Червяков М.Ю. Изменчивость составляющих радиационного баланса в Арктическом регионе // Комплексные исследования Мирового океана. Материалы II Всероссийской научной конференции молодых ученых, г. Москва, 10-14 апреля 2017 г. [Электронный ресурс]. – Москва: ИО РАН. С. 144-145.
26. Спиряхина А.А., Червяков М.Ю. Пространственно-временные вариации составляющих радиационного баланса Земли во время событий Эль-Ниньо (Ла-Нинья) // Комплексные исследования Мирового океана. Материалы II Всероссийской научной конференции молодых ученых, г. Москва, 10-14 апреля 2017 г. [Электронный ресурс]. – Москва: ИО РАН. С. 265-266.
27. Суркова Я.В., Червяков М.Ю. Альбедо и поглощенная солнечная радиация на верхней границе атмосферы над Мировым океаном по данным спутниковых измерений // Комплексные исследования Мирового океана. Материалы II Всероссийской научной конференции молодых ученых, г. Москва, 10-14 апреля 2017 г. [Электронный ресурс]. – Москва: ИО РАН. С. 275-276.
28. Червяков М.Ю., Котума А.И., Богданов М.Б., Суркова Я.В., Спиряхина А.А., Кулькова Е.В., Шишкина Е.В., Шаркова С.А., Нейштадт Я.А. Спутниковый мониторинг альбедо и поглощенной солнечной радиации на верхней границе атмосферы с помощью российских радиометров ИКОР-М // Сборник тезисов докладов Пятнадцатой Всероссийской открытой конференции “Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса”. Москва, ИКИ РАН, 13-17 ноября 2017 г. М.: ИКИ РАН, 2017. С. 225.
29. Червяков М.Ю., Котума А. И., Суркова Я.В., Спиряхина А.А., Кулькова Е.В., Шишкина Е.В. Изменчивость величин альбедо и поглощенной солнечной радиации в тропической части Тихого океана по данным спутниковых радиометров ИКОР-М // Сборник тезисов докладов Пятнадцатой Всероссийской открытой конференции “Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса”. Москва, ИКИ РАН, 13-17 ноября 2017 г. М.: ИКИ РАН, 2017. С. 226.
30. Червяков М.Ю., Кулькова Е.В., Суркова Я.В., Спиряхина А.А., Нейштадт Я.А., Шаркова С.А., Капцова Е.И., Руденко Н.О., Полянский А.В., Цыплухина П.В. Пространственно-временная изменчивость альбедо и поглощенной солнечной радиации в Арктике в период с 2009 по 2018 гг по данным спутниковых измерений // Сборник тезисов докладов Шестнадцатой Всероссийской Открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». М.: ИКИ РАН, 2018. С. 232.
31. Червяков М.Ю., Спиряхина А.А., Суркова Я.В., Нейштадт Я.А., Шаркова С.А., Брюханов М.А., Листов М.Д. Результаты сопоставления данных составляющих радиационного баланса Земли на верхней границе атмосферы с данными температуры поверхности океана во время событий Эль-Ниньо в Тихом океане // Сборник тезисов докладов Шестнадцатой Всероссийской Открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». М.: ИКИ РАН, 2018. С. 233.
32. Червяков М.Ю., Суркова Я.В., Спиряхина А.А., Нейштадт Я.А., Котума А.И., Шаркова С.А. Взаимосвязь облачности и альбедо на верхней границе атмосферы по данным спутниковых измерений // Сборник тезисов докладов Шестнадцатой Всероссийской Открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». М.: ИКИ РАН, 2018. С. 234.

Презентация доклада

Технологии и методы использования спутниковых данных в системах мониторинга

112

Основы солнечного излучения | Департамент энергетики

Солнечное излучение , часто называемое солнечным ресурсом или просто солнечным светом, является общим термином для электромагнитного излучения, излучаемого солнцем. Солнечное излучение можно улавливать и превращать в полезные формы энергии, такие как тепло и электричество, с помощью различных технологий. Однако техническая осуществимость и экономическая эксплуатация этих технологий в конкретном месте зависят от доступного солнечного ресурса.

Основные принципы

Каждое место на Земле получает солнечный свет хотя бы часть года. Количество солнечной радиации, достигающей любой точки на поверхности Земли, зависит от:

• географического положения
• времени суток
• времени года
• местного ландшафта
• местной погоды.

Поскольку Земля круглая, солнце падает на поверхность под разными углами: от 0° (прямо над горизонтом) до 90° (прямо над головой). Когда солнечные лучи вертикальны, поверхность Земли получает всю возможную энергию. Чем больше наклонены солнечные лучи, тем дольше они проходят через атмосферу, становясь более рассеянными и рассеянными. Поскольку Земля круглая, в холодных полярных регионах солнце никогда не бывает высоко, а из-за наклона оси вращения эти области вообще не получают солнца в течение части года.

Земля вращается вокруг Солнца по эллиптической орбите и в течение части года находится ближе к Солнцу. Когда Солнце находится ближе к Земле, поверхность Земли получает немного больше солнечной энергии. Земля ближе к солнцу, когда лето в южном полушарии и зима в северном полушарии. Однако наличие обширных океанов смягчает более жаркое лето и более холодную зиму, которые можно было бы ожидать в южном полушарии в результате этой разницы.

Наклон оси вращения Земли на 23,5° является более важным фактором, определяющим количество солнечного света, падающего на Землю в определенном месте. Наклон приводит к более длинным дням в северном полушарии от весеннего (весеннего) равноденствия до осеннего (осеннего) равноденствия и более длинным дням в южном полушарии в течение остальных 6 месяцев. День и ночь длятся ровно по 12 часов в дни равноденствий, которые происходят каждый год 23 марта и 22 сентября или около того.

Такие страны, как США, расположенные в средних широтах, получают больше солнечной энергии летом не только потому, что дни длиннее, но и потому, что солнце находится почти над головой. Солнечные лучи гораздо более наклонены в более короткие дни зимних месяцев. Такие города, как Денвер, штат Колорадо (около 40° широты), получают почти в три раза больше солнечной энергии в июне, чем в декабре.

Вращение Земли также отвечает за ежечасные колебания солнечного света. Ранним утром и ближе к вечеру солнце стоит низко над горизонтом. Его лучи проходят через атмосферу дальше, чем в полдень, когда солнце находится в самой высокой точке. В ясный день наибольшее количество солнечной энергии достигает солнечного коллектора около полудня.

Рассеянное и прямое солнечное излучение

При прохождении солнечного света через атмосферу часть его поглощается, рассеивается и отражается:

• Молекулами воздуха
• Водяным паром
• Облаками
• Лесами
Пожарами
Загрязняющими веществами
• Вулканы.

Это называется рассеянным солнечным излучением . Солнечное излучение, которое достигает поверхности Земли, не рассеиваясь, называется прямой солнечной радиацией 9.0004 . Сумма рассеянного и прямого солнечного излучения называется глобальным солнечным излучением . Атмосферные условия могут уменьшить прямое излучение луча на 10 % в ясные сухие дни и на 100 % в пасмурные пасмурные дни.

Измерение

Ученые измеряют количество солнечного света, падающего на определенные места в разное время года. Затем они оценивают количество солнечного света, падающего на регионы на той же широте с похожим климатом. Измерения солнечной энергии обычно выражаются как общее излучение на горизонтальной поверхности или как общее излучение на поверхности, отслеживающей солнце.

Данные о излучении для солнечных электрических (фотоэлектрических) систем часто представляются в виде киловатт-часов на квадратный метр (кВтч/м ² ). Прямые оценки солнечной энергии также могут быть выражены в ваттах на квадратный метр (Вт/м ² ).

Данные об излучении для систем солнечного нагрева воды и отопления помещений обычно представлены в британских тепловых единицах на квадратный фут (Btu/ft ² ).

Распределение

Солнечных ресурсов в Соединенных Штатах достаточно для фотоэлектрических (PV) систем, поскольку они используют как прямой, так и рассеянный солнечный свет. Другие технологии могут быть более ограниченными. Однако количество энергии, вырабатываемой любой солнечной технологией в конкретном месте, зависит от того, сколько солнечной энергии достигает его. Таким образом, солнечные технологии наиболее эффективно функционируют на юго-западе США, куда поступает наибольшее количество солнечной энергии.

Карты ресурсов солнечной энергии

Просмотр карт солнечных ресурсов для фотоэлектрической и концентрированной солнечной тепловой энергии.

Дополнительная информация

Узнайте больше о том, как работает солнечная энергия, а также о программах фотогальваники и концентрации солнечной энергии в офисе.

Главная » Информационные ресурсы по солнечной энергии » Основы солнечного излучения

SORCETotal Solar Irradiance Data — SORCE

Файлы данных TIM TSI

Файлы данных полной миссии для загрузки содержат данные с 25 февраля 2003 г. по 25 февраля 2020 г.

Инструмент	Каденция времени	Спектральный Диапазон и разрешение	Диапазон дат	Уровень	Версия	Информация о данных	Полная загрузка миссии	Интерактивный доступ	Читатели файлов (перечислены по языкам)
ТИМ	Ежедневно	полный и N/A	25 февраля 2003 г. – 25 февраля 2020 г.	3	19	?	911 КБ		ИДЛ
ТИМ	6-часовой	полный и N/A	25 февраля 2003 г. – 25 февраля 2020 г.	3	19	?	3,5 МБ		ИДЛ

– текстовый файл

– Интерактивный

Если вы используете среду программирования IDL, можно использовать подпрограмму IDL read_lasp_ascii_file. pro для чтения вышеуказанных текстовых файлов в IDL.

Графики данных TSI

Графики космических рекордов TSI и другие научные самородки TSI ежемесячно обновляются на веб-странице TSI Грега Коппа.

Историческая реконструкция TSI

Историческая реконструкция TSI

Эта историческая реконструкция TSI в настоящее время представляет собой «неофициальный» ряд с использованием поправок, которые, как считается, отражают наиболее реалистичные и современные оценки солнечной изменчивости за последние 400 лет, например, недавние изменения в записях о количестве солнечных пятен. Подробности и файл данных см. на веб-странице TSI Грега Коппа. Обратите внимание, что эта историческая реконструкция TSI представляет собой комбинацию моделей и данных, которые должны быть признаны многими исследователями.

Данные TIM Описание продукта

Монитор общей освещенности (TIM) измеряет общую солнечную радиацию (TSI), отслеживая падающую лучистую энергию, питающую климатическую систему Земли. В TIM используется радиометр с активным резонатором при температуре окружающей среды с расчетной абсолютной точностью при запуске 350 частей на миллион (частей на миллион, 1 часть на миллион = 0,0001%) (1-сигма) и долговременной относительной точностью (стабильностью) 10 частей на миллион на год. Доступные продукты данных TSI уровня 3, созданные программой SORCE, состоят из дневных и 6-часовых средних значений освещенности, зарегистрированных на среднем солнечном расстоянии в 1 астрономическую единицу (а.е.) и нулевой относительной скорости прямой видимости по отношению к Солнцу. Наземные значения также включены для использования исследователями климата в качестве входных данных для моделей.

Ежедневно создаются два файла данных TSI. Один содержит дневные средства, а другой содержит четыре 6-часовых средства в день. Из-за небольшого размера ежедневных данных и для простоты использования конечными пользователями каждый поставляемый продукт TSI содержит научные результаты для всей миссии. Продукты данных более низкого уровня (например, уровня 2) имеют ограниченную научную ценность из-за частых пропусков, вызванных тем, что Земля закрывает Солнце на низкой околоземной орбите SORCE, и поэтому не доставляются на GES DISC. Кратковременные периоды времени этих данных могут быть предоставлены по запросу для конкретных исследований.

Сводная информация о режимах работы TIM

(обновлено в марте 2020 г.)

Окончание эксплуатации (25 февраля 2020 г.):  Приборы и космический корабль SORCE были отключены 25 февраля 2020 г., что завершило очень успешную 17-летнюю миссия.

Режим отключения питания (декабрь 2016 г. – 25 февраля 2020 г.):  Дальнейшая деградация батареи потребовала работы космического корабля SORCE в «режиме отключения». Этот режим часто задерживает начало наблюдений за Солнцем на солнечной стороне каждой орбиты, что приводит к меньшему количеству измерений и немного большей тепловой нестабильности прибора, что способствует несколько большей чистой погрешности измерений.

Операции только при дневном свете (февраль 2014 г. – 25 февраля 2020 г.) : 24 февраля 2014 г. оперативная группа LASP SORCE внедрила новые средства управления космическим кораблем для получения непрерывных измерений TSI в постоянном режиме с ограничением заряда батареи. Сбор данных в этом режиме «Операции только при дневном свете» (DO-Op) возобновился 5 марта 2014 года. В этом режиме прибор отключается от питания (выключается во время затмений), поэтому на него распространяются те же ограничения, влияющие на термостабильность, измерения в темноте и коэффициент усиления. калибровки, как и в предыдущем режиме Power-Cycling. Режим DO-Op исключает непрерывный сбор данных из-за ограниченной телеметрии и обеспечивает около 25 % измерений, как и в предыдущем задании. Хотя ежедневные значения выдаются почти за все дни с момента запуска этого режима, 6-часовые значения доступны не так регулярно, как раньше, из-за ограниченного объема телеметрии, а все продукты Уровня 3 основаны на гораздо меньшем количестве фактических наблюдений с соответственно большей неопределенностью измерений. в сообщаемых значениях TSI уровня 3 (см. рисунок ниже).

Рождественская кампания (22-28 декабря 2013 г.):  Короткий период кампании с 22 по 28 декабря 2013 г. обеспечил раннее совпадение между SORCE/TIM и TCTE/TIM, запущенными в ноябре 2013 г.

Power Циклические операции (ноябрь 2012 г. – июль 2013 г.) : В начале ноября 2012 г. TIM начал отключаться от питания, чтобы сохранить неисправную батарею космического корабля. В режиме циклического включения питание прибора отключается во время затмения каждой орбиты, затем включается и прогревается для получения измерений TSI во время солнечной части. С момента начала операций выключения питания прибор обычно имеет температуру ниже номинальной рабочей температуры и имеет гораздо большие температурные колебания, чем в предыдущем задании, что влияет на качество данных. Измерения в темноте во время затмения и расширенные калибровки усиления были невозможны с тех пор, как началось включение и выключение питания. Зависящие от времени неопределенности в опубликованных файлах данных отражают более низкое качество этих измерений по сравнению с измерениями на основном этапе миссии (см. рисунок ниже).

По мере дальнейшего износа батареи все инструменты SORCE прекратили работу 30 июля 2013 года. Это привело к 7-месячному перерыву во всех наблюдениях SORCE.

Операции основной миссии (январь 2003 г. – октябрь 2012 г.) : TIM был включен и собирал данные почти непрерывно с момента запуска до октября 2012 г. В течение этого времени инструмент проводил регулярные измерения TSI на обращенной к Солнцу части планеты. большинство орбит и провел измерения темного космоса, чтобы скорректировать тепловой фон прибора на затмеваемой части большинства орбит. Зависимая от воздействия деградация первичного радиометра отслеживалась посредством еженедельных одновременных измерений с помощью вторичного радиометра, подвергающегося гораздо меньшему солнечному воздействию. Электроника прибора калибровалась для усиления каждый месяц, что исключало 6 часов последовательных измерений солнечной активности. Благодаря постоянному включению прибор в течение этого периода был очень термически стабилен, что делает эти данные самого высокого качества от TIM.

Корректировка деградации применяется ко всем режимам:  Данные TIM для всех режимов были скорректированы на деградацию первичного радиометра посредством еженедельных взаимных сравнений с вторичным, раз в две недели с третичным и ежемесячно с четвертичным.

Неопределенности уровня 3 SORCE/TIM показывают постепенное увеличение со временем, а также резкое увеличение, соответствующее изменениям в режимах работы.

Качество данных Описание

Определение характеристик приборов на орбите является постоянной задачей, так как группа TIM регулярно отслеживает ухудшение характеристик приборов и калибрует сервосистему прибора на орбите, периодически обновляя систему обработки данных новыми значениями калибровки. На этом этапе миссии SORCE/TIM ожидаются лишь незначительные исправления. На сегодняшний день TIM показал меньшую деградацию, чем любой другой полетный прибор TSI, а долгосрочные относительные погрешности оцениваются менее чем в 0,014 Вт/м^2/год (10 ppm/год). 2, на которые показания TIM ниже, чем у предыдущих приборов во время запуска, были решены в основном из-за внутреннего разброса приборов в этих предшествующих приборах, вызывающего ошибочно высокие показания (см. Kopp & Lean, GRL, 38, L01706, 2011). Большинство этих других инструментов теперь скорректировали (понизили) свои значения и теперь очень хорошо согласуются с SORCE/TIM.

Обзор производства данных TIM

TIM измеряет абсолютную интенсивность солнечного излучения, интегрированную по всему спектру солнечного излучения. Чтобы создать этот продукт, измерения частоты вращения педалей (примерно каждые 50 секунд на освещенных солнцем участках орбиты космического корабля SORCE) с помощью прибора объединяются для получения репрезентативных ежедневных и 6-часовых значений TSI. Четыре канала радиометра TIM отслеживают деградацию на орбите в основном канале и дополнительно обеспечивают ограниченную степень резервирования. Работа прибора с затвором корректирует тепловой фон, а современные алгоритмы фазочувствительного обнаружения, применяемые к данным на основной частоте затвора, снижают шум и чувствительность к дрейфу. Период затвора TIM составляет 100 секунд; четыре таких цикла взвешиваются, чтобы дать одно измерение освещенности с частотой 50 секунд. Эти так называемые данные «Уровня 2» усредняются за весь день, а также за каждый 6-часовой интервал, чтобы сформулировать два основных продукта данных TSI SORCE, которые публикуются на GES DISC. Сообщаемое значение TSI и отметка времени являются средними значениями измерений TSI, полученных в течение интервала.

TSI Research and Applications

Известно, что измерения TSI связаны с климатом и температурой Земли. Прокси TSI, основанные на наблюдениях за солнечными пятнами, записях годичных колец, ледяных ядрах и космогенных изотопах, дали оценки солнечного влияния на Землю, которые простираются на тысячи лет назад и коррелируют с крупными климатическими событиями на Земле. Эти оценки экстраполируют многие недавние подробные наблюдения на долгосрочные наблюдения меньшего количества (или даже одного) измерения. Например, точные измерения TSI за последние 36 лет коррелируют с солнечными измерениями солнечных пятен и факелов; затем эти корреляции можно использовать для экстраполяции TSI на периоды времени до точных космических измерений TSI, поскольку солнечные записи для факелов охватывают примерно 100 лет назад, а для солнечных пятен – более 400 лет. В этом расширенном временном диапазоне экстраполированная запись TSI может сравниваться с более долгосрочными записями, такими как годичные кольца деревьев или ледяные керны, и корреляция с ними позволяет распространить расчетную TSI на более отдаленные исторические периоды, хотя и с меньшей степенью достоверности. Эта экстраполяция важна для понимания взаимосвязи между TSI и климатом Земли; тем не менее, экстраполяция начинается со сравнения характеристик поверхности Солнца с точными измерениями TSI, запись, которая в настоящее время длится всего 36 лет. Таким образом, хорошая точность и стабильность в этой недавней записи имеют большое значение и определяют цели измерения TIM.

История измерений TSI

Серьезные попытки измерить TSI начались в 1830-х годах с независимых измерений Клода Пуйе и Джона Гершеля, однако они были почти в два раза ниже из-за атмосферного поглощения. Даже измерениям на воздушном шаре в 1900-х годах не хватало инструментальной точности для обнаружения изменений TSI на ~0,1%. Только после того, как стали доступны длительные измерения из космоса, изменения TSI были точно измерены, и неправильное представление о «солнечной постоянной» изменилось. Мониторинг TSI с использованием электрических замещающих радиометров (ESR) из космоса начался с запуска спутника Nimbus 7 19 ноября.78. Вскоре за этим последовал активный резонаторный радиометр для измерения освещенности (ACRIM) в рамках миссии Solar Maximum и эксперимент по радиационному балансу Земли (ERBE). Совсем недавно были запущены второй и третий инструменты ACRIM в дополнение к запуску VIRGO на Солнечной и гелиосферной обсерватории НАСА/ЕКА (SoHO). Различные наборы данных в основном согласуются и убедительно показывают, что вариации TSI отслеживают прохождение солнечных пятен по солнечному диску с амплитудой около 0,2%, а долгосрочные вариации солнечного цикла составляют всего порядка 0,1%. Набор данных SORCE TSI продолжает эти важные наблюдения с повышенной точностью порядка ±0,035%.

Из упомянутых инструментов TSI, VIRGO является единственным до запуска SORCE, который продолжает вести наблюдения.

Описание прибора

Описание прибора TIM см. на странице обзора SORCE TIM.

Scientific Contact

Д-р Грег Копп, LASP, CU
(303) 735-0934
Эл. Копп, К. Фрёлих и М. Шёлль, «Методология создания новой записи общего солнечного излучения: создание композита из нескольких записей данных», Письма о геофизических исследованиях , 2017 г., doi: 10.1002/2016GL071866.

• Копп, Г., «Приходящая энергия Земли: общее солнечное излучение», в справочном модуле по системам Земли и наукам об окружающей среде, Elsevier, 2016, ISBN 9780124095489, http://dx.doi.org/10.1016/B978-0- 12-409548-9.10366-5.
• Копп, Г., «Величины солнечной изменчивости и шкалы времени», Journal of Space Weather and Space Climate , 6 , A30, 11 стр., 2016 г., doi: 10.1051/swsc/2016025.
• Копп Г., Кривова Н., Лин Дж. и Ву С.Дж., «Влияние пересмотренных данных о солнечных пятнах на реконструкцию солнечной радиации», Solar Physics , 15 стр. , 2016, doi: 10.1007/ с11207-016-0853-х.
• Копп, Г., «Оценка записи солнечной радиации для исследований климата», Journal of Space Weather and Space Climate , 4, A14, 2014, doi: 10.1051/swsc/2014012.
• Копп, Г. и Лин, Дж. Л., Новое, более низкое значение общего солнечного излучения: данные и значение для климата, Геофиз. Рез. Letters Frontier article, 38 , L01706, doi:10.1029/2010GL045777, 2011.
• Копп, Г., Хойерман, К., Харбер, Д., и Дрейк, В., Радиометрическая установка TSI – Абсолютная калибровка приборов для измерения полного солнечного излучения, SPIE Proc . 6677 -09, 26-28 августа 2007 г.
• Копп, Г. и Лоуренс, Г., «Монитор общей освещенности (TIM): конструкция прибора», Solar Physics , 230 , 1, август 2005 г., стр. 91-109., doi: 10.1007/s11207-005-7446-4.
• Копп Г., Хойерман К. и Лоуренс Г., «Монитор общей освещенности (TIM): калибровка прибора», Solar Physics , 230 , 1, август 2005 г. , стр. 111–127. , doi:10.1007/s11207-005-7447-3.
• Копп Г., Лоуренс Г. и Роттман Г., «Монитор общей освещенности (TIM): научные результаты», Solar Physics , 230 , 1, август 2005 г., стр. 129–140. , doi:10.1007/s11207-005-7433-9.
• Копп Г., Г. Лоуренс и Г. Роттман. Общий дизайн монитора освещенности и функциональность на орбите, SPIE Процедура . 5171 -4, 2003 г.
• Лоуренс, Г. М., Г. Копп, Г. Роттман, Дж. Хардер, Т. Вудс и Х. Луи. Калибровка монитора общей освещенности. Метрология 40 , 2003, S78-S80.
• Лоуренс, Г. М., Г. Роттман, Г. Копп, Дж. Хардер, В. МакКлинток и Т. Вудс. Монитор общей освещенности (TIM) для миссии EOS SORCE. Протоколы SPIE , 4135 , 215-224, 2000.
• Лоуренс, Г. М., Г. Роттман, Дж. Хардер и Т. Вудс. Монитор солнечного излучения: TIM. Метрология , 37 , 407-410, 2000.
• Вудс, Том, Гэри Роттман, Джерри Хардер, Джордж Лоуренс, Билл МакКлинток, Грег Копп и Крис Панкратц. Обзор миссии EOS SORCE. Протоколы SPIE , 4135 , 192-203, 2000.
• Уилсон, Р.К. и Р.С. Гелизон. SPIE Proceedings (Earth Observing Systems IV Conference, Denver, CO), 3750 , 233-242, 1999.
• Фрелих К., Б. Н. Андерсон, Т. Аппуршо, Г. Бертомье, Д. А. Кроммелинк, В. Доминго, А. Фишо, М. Ф. Финстерле, М. Ф. Гомес, Д. Гоф, А. Хименес, Т. Лейфсен, М. Ломбертс, Дж. М. Пап, Дж. Провост, Т. Рока Кортес, Дж. Ромеро, Х. Рот, Т. Секии, У. Телль-Йоханн, Т. Тутен и К. Верли. Первые результаты SOHO (под редакцией Б. Флека и З. Свестки), Дордрехт/Бостон/Лондон, Kluwer Academic Publishers, 267–86, 19.97; см. также Solar Phys ., 170 , 175, 1997.
• Уилсон, Р. К. Тенденция общего солнечного излучения в солнечных циклах 21 и 22. Наука , 277 , 1963-1965, 1997.
• Фрёлих, Клаус. Первые результаты эксперимента VIRGO. Сделки AGU , Весенняя встреча, 1996.