Как регулировать альбедо естественных поверхностей
Обновлено: 04.07.2024
РАДИАЦИОННЫЙ БАЛАНС И ЕГО СОСТАВЛЯЮЩИЕ
Солнечная радиация, достигшая земной поверхности, частично отражается от нее, а частично поглощается Землей. Однако Земля не только поглощает радиацию, но и сама излучает длинноволновую радиацию в окружающую атмосферу. Атмосфера, поглощая некоторую часть солнечной радиации и большую часть излучения земной поверхности, сама тоже излучает длинноволновую радиацию. Большая часть этого излучения атмосферы направлена к земной поверхности. Она называется встречным излучением атмосферы .
Разность между приходящими к деятельному слою Земли и уходящими от него потоками лучистой энергии называют радиационным балансом деятельного слоя.
Радиационный баланс состоит из коротковолновой и длинноволновой радиации. Он включает в себя следующие элементы, называемые составляющими радиационного баланса: прямая радиация, рассеянная радиация, отраженная радиация (коротковолновая), излучение земной поверхности, встречное излучение атмосферы .
Рассмотрим составляющие радиационного баланса.
Прямая солнечная радиация
Энергетическая освещенность прямой радиации зависит от высоты Солнца и прозрачности атмосферы и возрастает с увеличением высоты места над уровнем моря. Облака нижнего яруса обычно полностью или почти не пропускают прямую радиацию.
Длины волн солнечной радиации, достигающей земной поверхности, лежат в интервале 0,29—4,0 мкм. Примерно половина ее энергии приходится на фртосинтетически активную радиацию. В области ФАР ослабление радиации с уменьшением высоты Солнца происходит быстрее, чем в области инфракрасной радиации. Приход прямой солнечной радиации, как уже указывалось, зависит от высоты Солнца над горизонтом, меняющейся как в течение суток, так и в течение года. Это обусловливает суточный и годовой ход прямой радиации.
Изменение прямой радиации в течение безоблачного дня (суточный ход) выражено одновершинной кривой с максимумом в истинный солнечный полдень. Летом над сушей максимум может наступить до полудня, так как к полудню увеличивается запыленность атмосферы.
При продвижении от полюсов к экватору приход прямой радиации в любое время года возрастает, так как при этом увеличивается полуденная высота Солнца.
Годовой ход прямой радиации наиболее резко выражен на полюсах, так как зимой солнечная радиация здесь вообще отсутствует, а летом ее приход достигает 900 Вт/м². В средних широтах максимум прямой радиации иногда наблюдается не летом, а весной, так как в летние месяцы вследствие увеличения содержания водяного пара и пыли уменьшается прозрачность атмосферы/Минимум приходится на период, близкий ко дню зимнего солнцестояния (декабрь). На экваторе наблюдаются два максимума, равные примерно 920 Вт/м² в дни весеннего и осеннего равноденствия, и два минимума (около 550 Вт/м²) в дни летнего и зимнего солнцестояния.
Рассеянная радиация
Максимум рассеянной радиации обычно значительно меньше, чем максимум прямой. Чем больше высота Солнца и больше загрязненность атмосферы, тем больше поток рассеянной радиации. Облака, не закрывающие Солнца, увеличивают приход рассеянной радиации по сравнению с ясным небом. Зависимость прихода рассеянной радиации от облачности сложная. Она определяется видом и количеством облаков, их вертикальной мощностью и оптическими свойствами. Рассеянная радиация облачного неба может колебаться более чем в 10 раз.
Снежный покров, отражающий до 70—90% прямой радиации, увеличивает рассеянную радиацию, которая затем рассеивается в атмосфере. С увеличением высоты места над уровнем моря рассеянная радиация при ясном небе уменьшается.
Суточный и годовой ход рассеянной радиации при ясном небе в общем соответствует ходу прямой радиации. Однако утром рассеянная радиация появляется еще до восхода Солнца, а вечером она еще поступает в период сумерек, т. е. после захода. В годовом ходе максимум рассеянной радиации наблюдается летом.
Суммарная радиация
Сумму рассеянной и прямой радиации, падающей на горизонтальную поверхность, называют суммарной радиацией .
Она является основной составляющей радиационного баланса. Её спектральный состав по сравнению с прямой и рассеянной радиацией более устойчив и почти не зависит от высоты Солнца, когда, она составляет более 15°.
Соотношение между прямой и рассеянной радиацией в составе суммарной радиации зависит от высоты Солнца, облачности и загрязненности атмосферы. С увеличением высоты Солнца доля рассеянной радиации при безоблачном небе уменьшается. Чем прозрачнее атмосфера, тем меньше доля рассеянной радиации. При сплошной плотной облачности суммарная радиация полностью состоит из рассеянной радиации. Зимой вследствие отражения радиации от снежного покрова и ее вторичного рассеяния в атмосфере доля рассеянной радиации в составе суммарной заметно увеличивается.
Приход суммарной радиации при наличии облачности меняется в больших пределах. Наибольший приход ее наблюдается при ясном небе или при небольшой облачности, не закрывающей Солнца.
В суточном и годовом ходе изменения суммарной радиации почти прямо пропорциональны изменению высоты Солнца. В суточном ходе максимум суммарной радиации при безоблачном небе приходится обычно на полуденное время. В годовом ходе максимум суммарной радиации отмечается в северном полушарии обычно в июне, в южном — в декабре.
Отраженная радиация. Альбедо
Часть суммарной радиации, приходящей к деятельному слою Земли, отражается от него. Отношение отраженной части радиации к ко всей приходящей суммарной радиации называют отражательной способностью , или альбедо (А) данной подстилающей поверхности.
Альбедо поверхности зависит от ее цвета, шероховатости, влажности и других свойств.
Альбедо различных естественных поверхностей (по В. Л. Гаевскому и М. И. Будыко)
Поверхность
Альбедо, %
Поверхность
Альбедо, %
Свежий сухой снег
Поля ржи и пшеницы
Сухие глинистые почвы
Альбедо водных поверхностей при высоте Солнца свыше 60° меньше, чем альбедо суши, поскольку солнечные лучи, проникая в воду, в значительной мере поглощаются и рассеиваются в ней. При отвесном падении лучей А = 2— 5%, при высоте Солнца меньше 10° А = 50— 70%. Большое альбедо льда и снега обусловливает замедленный ход весны в полярных районах и сохранение там вечных льдов.
Наблюдения за альбедо суши, моря и облачного покрова проводятся с искусственных спутников Земли. Альбедо моря позволяет рассчитывать высоту волн, альбедо облаков характеризует их мощность, а альбедо разных участков суши позволяет судить о степени покрытия полей снегом и о состоянии растительного покрова.
Альбедо всех поверхностей, а особенно водных, зависит от высоты Солнца: наименьшее альбедо бывает в полуденные часы, наибольшее — утром и вечером. Это связано с тем, что при малой высоте Солнца в составе суммарной радиации возрастает доля рассеянной, которая в большей степени, чем прямая радиация, отражается от шероховатой подстилающей поверхности.
Длинноволновое излучение Земли и атмосферы
Земное излучение несколько меньше излучения абсолютно черного тела при той же температуре.
Излучение земной поверхности происходит непрерывно. Чем выше температура излучающей поверхности, тем интенсивнее ее излучение. Также непрерывно происходит излучение атмосферы, которая, поглощая часть солнечной радиации и излучения земной поверхности, сама излучает длинноволновую радиацию.
В умеренных широтах при безоблачном небе излучение атмосферы составляет 280—350 Вт/м², а в случае облачного неба оно на 20—30% больше. Около 62—64% этого излучения направлено к земной поверхности. Приход его на земную поверхность составляет встречное излучение атмосферы. Разность этих двух потоков характеризует потерю лучистой энергии деятельным слоем. Эту разность называют эффективным излучением Еэф .
Эффективное излучение деятельного слоя зависит от его температуры, от температуры и влажности воздуха, а также от облачности. С повышением температуры земной поверхности Еэф увеличивается, а с повышением температуры и влажности воздуха уменьшается. Особенно влияют на эффективное излучение облака, так как капли облаков излучают почти так же, как и деятельный слой Земли. В среднем Еэф ночью и днём при ясном небе в разных пунктах земной поверхности изменяется в пределах 70—140 Вт/м².
Суточный ход эффективного излучения характеризуется максимумом в 12—14 ч и минимумом перед восходом Солнца. Годовой ход эффективного излучения в районах с континентальным климатом характеризуется максимумом в летние месяцы и минимумом в зимние. В районах с морским климатом годовой ход эффективного излучения выражен слабее, чем в районах, расположенных в глубине континента
Излучение земной поверхности поглощается водяным паром и углекислым газом, содержащимися в воздухе. Но коротковолновую радиацию Солнца атмосфера в значительной степени пропускает. Это свойство атмосферы называется «оранжерейным эффектом» , поскольку атмосфера при этом действует подобно стеклам в теплицах: стекло хорошо пропускает солнечные лучи, нагревающие почву и растения в теплице, но плохо пропускает во внешнее пространство тепловое излучение нагревшейся почвы. Расчеты показывают, что при отсутствии атмосферы средняя температура деятельного слоя Земли была бы на 38°С, ниже фактически наблюдающейся и Земля была бы покрыта вечным льдом.
Если приход радиации больше расхода, то радиационный баланс положителен и деятельный слой Земли нагревается. При отрицательном радиационном балансе этот слой охлаждается. Радиационный баланс днем обычно положителен, а ночью отрицателен. Примерно за 1—2 ч до захода Солнца он становится отрицательным, а утром, в среднем за 1 ч после восхода Солнца снова делается положительным. Ход радиационного баланса днем при ясном небе близок к ходу прямой радиации.
Изучение радиационного баланса сельскохозяйственных угодий позволяет рассчитывать количество радиации, поглощенной посевами и почвой, в зависимости от высоты Солнца, структуры посева, фазы развития растений. Для оценки разных приемов регулирования температуры и влажности почвы, испарения и других величин определяют радиационный баланс сельскохозяйственных полей при различных типах растительного покрова.
Методы измерения солнечной радиации и составляющих радиационного баланса
Для измерения потоков солнечной радиации применяются абсолютные и относительные методы и соответственно разработаны абсолютные и относительные актинометрические приборы. Абсолютные приборы обычно применяют только для тарировки и поверки относительных приборов.
Относительные приборы применяются при регулярных наблюдениях на сети метеостанций, а также в экспедициях, и при полевых наблюдениях. Из них наиболее широко используются термоэлектрические приборы: актинометр, пиранометр и альбедометр. Приемником солнечной радиации у этих приборов служат термобатареи, составленные из двух металлов (обычно манганина и константана). В зависимости от интенсивности радиации между Спаями термобатареи создается разность температур и возникает электрический ток различной силы, который измеряется гальванометром. Для перевода делений шкалы гальванометра в абсолютные единицы применяются переводные множители, которые определяются для данной пары: актинометрический прибор — гальванометр.
Актинометр термоэлектрический (М-3) Савинова — Янишевского служит для измерения прямой радиации, приходящий на поверхность, перпендикулярную к солнечным лучам.
Пиранометр (М-80М) Янишевского служит для измерения суммарной и рассеянной радиации, приходящей на горизонтальную поверхность.
При наблюдениях приемная часть пиранометра устанавливается горизонтально. Для определения рассеянной радиации пиранометр затеняется от прямой радиации теневым экраном в виде круглого диска, закрепленного на стержне на расстоянии 60 см от приемной поверхности. При измерении суммарной радиации теневой экран отводится в сторону
Альбедометр — это пиранометр, приспособленный также. Для измерения отраженной радиации. Для этого служит устройство, позволяющее поворачивать приемную часть прибора вверх (для измерения прямой) и вниз (для измерения отраженной радиаций). Определив альбедометром суммарную и отраженную радиацию, вычисляют альбедо подстилающей поверхности. Для полевых измерений используют альбедометр походный М-69.
Балансомер термоэлектрический М-10М. Этот прибор применяется для измерения радиационного баланса подстилающей поверхности.
Кроме рассмотренных приборов, используют также люксметры — фотометрические приборы для измерения освещенности, спектрофотометры, различные приборы для измерения ФАР и т. д. Многие актинометрические приборы приспособлены для непрерывной записи составляющих радиационного баланса.
Важной характеристикой режима солнечной радиации является продолжительность солнечного сияния. Для ее определения служит гелиограф .
В полевых условиях наиболее часто применяются пиранометры, походные альбедометры, балансомеры и люксметры. Для наблюдений среди растений наиболее удобны походные альбедометры и люксметры, а также специальные микропиранометры.
Как регулировать альбедо естественных поверхностей
Солнечная радиация, поступающая к поверхности Земли, поглощается ею не полностью. Часть радиации отражается поверхностью, причем в отражении участвует только верхний – деятельный слой земной поверхности, в котором происходит поглощение радиации и ее преобразование. К такому слою относятся весь травостой и растительная масса леса, первые десятки метров прозрачной и дециметры мутной воды, а также дециметры снега, несколько сантиметров песка и доли миллиметров темных почв. Отражательная способность поверхности Земли зависит от рода тел, их физических свойств, цвета и состояния. Отношение отраженной радиации к суммарной радиации Солнца и атмосферы называется альбедо. Значения альбедо чаще всего выражают в процентах (или в долях единиц). Дополнения же до ста процентов характеризует поглощательную способность тела, если только оно не пропускает радиацию насквозь. Альбедо земной поверхности изменяется в широких пределах. Это связано с типом ландшафтных зон, а в умеренных и высоких широтах еще и со сменой сезонов года. Так, в центральных частях полярных областей отражательная способность велика и мало меняется в годовом ходе: в Антарктиде – в пределах 80–86 %, в центральной Арктике – в пределах 70–86% . В июле уменьшение альбедо в Арктике (до 65 %) связано с более интенсивным таянием снега, чем в декабре в Антарктиде.
Средние значения альбедо для различных видов поверхности суши, по М.И. Будыко (Климатология, 1989),составляют (в%):
Свежий сухой снег
Поля ржи и пшеницы
Влажные серые почвы
Исследования показали, что альбедо поверхности суши может иметь суточный ход. Он обусловлен изменением отражательной способности шероховатых подстилающих поверхностей в зависимости от изменения угла падения солнечных лучей. Чем меньше угол падения, тем сильнее отражается солнечный луч, и наоборот.
Альбедо водной поверхности в среднем меньше большинства естественных поверхностей суши и зависит от угла падения лучей, от высоты Солнца, соотношения прямой и рассеянной радиации, волнения поверхности моря. При положении Солнца в зените альбедо спокойного моря для прямой радиации составляет 2%. С уменьшением высоты Солнца альбедо возрастает. При большом волнении океана, когда образуется пена и барашки, альбедо моря увеличивается. Альбедо поверхности океана для рассеянной радиации меняется в пределах 5–11%.
Освещенность посевов и развитие растений
Освещенность во многом зависит от топографии местности, то есть от направления и крутизны склонов (табл. 5).
Большое влияние на интенсивность света оказывает также характер и распределение растительности. Среди посева даже на небольшом пространстве создаются разнообразные и сильно меняющиеся условия освещения. Вследствие взаимного затенения различные части растения подвергаются неодинаковому освещению.
Солнечный свет оказывает влияние на большую часть физиологических процессов, прямо или косвенно обусловливая качество и количество урожая. В условиях недостаточной освещенности клеточные стенки плохо древеснеют, в связи с чем понижается прочность и эластичность тканей. В годы с большим количеством облачных дней и в чрезмерно загущенных посевах злаковых культур соломина хлебов не имеет достаточной упругости, и растения под влиянием ветра и дождя легко полегают.
У многих видов растений при слабой освещенности плохо развиваются корни и листья, в связи с чем ухудшается их питание. У озимой ржи при недостатке света листья получаются более узкими и длинными, у кукурузы узкими. Зерновые культуры лучше кустятся при хорошем освещении, а при недостатке света - в тени деревьев и других малоосвещенных местах - обычно кустятся очень слабо. Пониженную кустистость имеют и растения, выросшие из глубоко заделанных семян, так как они продолжительное время лишены благоприятного влияния света. С характером освещения (помимо, конечно, сортовых различий) связано хорошо известное явление более высокой кустистости .растений на посевах с пониженной нормой высева при неглубокой заделке семян по сравнению с густыми посевами и с глубокой заделкой семян.
Растения нуждаются не только в достаточном количестве солнечной радиации, но и в определенном ее качестве. Известно, например, что в годы с большим количеством солнечных дней за период вегетации увеличивается содержание сахара в корнях сахарной свеклы. В большой зависимости от числа солнечных дней находятся также сахаристость и другие качества винограда, качество арбузов и других сельскохозяйственных растений.
Травы, растущие на хорошо освещенных солнцем местах, гораздо питательнее и лучше поедаются скотом, чем травы тенистых мест. Всем известно высокое качество лугового сена и значительно худшее качество сена лесного. Жители горных районов хорошо знают разницу в питательности трав солнечных и тенистых склонов.
Имеются некоторые, хотя и ограниченные, агротехнические способы регулирования количества солнечной радиации, получаемой растениями. К ним относятся изменения нормы высева, прореживание посевов, посев кулис, выращивание культур под покровом других растений, бороздковые и гребневые посевы и др.
Растения реагируют и на продолжительность освещения в течение суток. Отношение разных видов растений и даже разных сортов одного вида к продолжительности дневного освещения принято называть фотопериодизмом растений.
В зависимости от реакции на продолжительность дневного освещения растения условно делятся на три группы: 1) требующие продолжительного дневного освещения (растения длинного дня); 2) требующие сокращенной продолжительности дневного освещения (растения короткого дня) и 3) не реагирующие на продолжительность дневного освещения (нейтральные). К растениям короткого дня относятся преимущественно виды южного происхождения, а к растениям длинного дня - северного.
В Поволжье к растениям длинного дня относятся яровая пшеница, овес, ячмень, рожь, горчица, салат и др., короткого - просо, кукуруза, сорго, конопля, к нейтральным - бобовые, гречиха, подсолнечник, махорка.
Поэтому для пожнивных, или повторных, посевов могут быть использованы только такие виды культурных растений, которые не требуют для созревания продолжительного освещения. Если же летом посеять зерновые культуры, то они не дадут зерна даже в годы с длительной и теплой осенью.
Приток солнечной энергии в Поволжье и использование ее культурными растениями
На земную поверхность падает огромное количество солнечной энергии, однако коэффициент использования ее растениями очень невысокий. Много солнечной радиации расходуется на нагревание воздуха и почвы, испарение, отражение и другие процессы.
Свет оказывает влияние на развитие растений прежде всего через интенсивность освещения, которая складывается из двух величин: прямого солнечного света и света рассеянного, или диффузного.
При наличии данных о суммарном притоке солнечной радиации и количестве аккумулированной энергии в урожае различных растений можно определить степень использования солнечной энергии в урожае полевых культур (табл. 1).
Согласно расчетам средний суточный приток энергии к земной поверхности в теплый период года, с апреля по октябрь, составляет в лесостепных районах Поволжья около 270 гкал/см2 прямой солнечной н 115 гкал/см2 рассеянной радиации. Полупустынные районы, в зоне Астрахани, получают в это время около 355 гкал/см2 прямой радиации и 100 гкал/см2 рассеянной. Таким образом, разность в поступлении солнечной энергии в среднем за сутки на северных и южных границах Поволжья составляет 70 гкал/см2.
Наряду с разным количеством поступающей энергии происходят и качественные ее изменения. Если в северной части Поволжья из общего количества энергии на долю диффузной радиации приходится 30%, то в южных районах она составляет только 22%.
Приход прямой и рассеянной солнечной радиации в безоблачные дни, или, как его называют, «возможные суммы» солнечной радиации, является одним из основных элементов климата. «Возможные суммы» солнечной радиации зависят от географической широты и прозрачности атмосферы. Возможный приток энергии за теплый период года (с апреля по октябрь) меняется в Поволжье от 100,9 (Балашов) до 107,1 ккал/см2 (Астрахань).
Облачность вносит большие изменения в фактический приток энергии. Увеличивая отражение и рассеивание солнечных лучей, она понижает прямую солнечную радиацию и повышает рассеянную. Фактический приток энергии меньше «возможных сумм», причем чем больше облачность, тем сильнее уменьшается приток энергии (табл. 2).
Из приведенной таблицы видно закономерное снижение удельного веса диффузной (рассеянной) радиации в общем притоке тепла по мере увеличения засушливости района, что вполне естественно, так как в засушливых районах меньше облачность. Изменение качества поступающей энергии, вероятно, оказывает определенное влияние на процессы фотосинтеза и, как следствие, на качество продукции.
Погодные факторы урожая. Свет
Альбедо различных сельскохозяйственных полей
Солнечная энергия не полностью поглощается деятельным слоем поверхности почвы, растений и др. Часть ее отражается и идет обратно в мировое пространство. Количество отраженной энергии (альбедо) зависит от характера поверхности земли. Чем меньшая доля солнечной энергии расходуется на нагревание почвы, растений, на испарение и другие процессы, тем выше альбедо.
Земная поверхность находится под пашней, выгонами и залежью, под посевами, покрыта стерней, лесом или водой (пруды, реки и озера) и др. Отражательная способность различных поверхностей может существенно изменяться в зависимости от ряда причин.
Измерения альбедо пашни на почвах южного чернозема в Саратове показали, что отражательная способность ее невелика. Но под влиянием изменения состояния поверхности поля альбедо изменяется в существенных размерах. Чаще всего эти изменения обусловлены влажностью верхнего слоя почвы и выровненностью поля.
Глыбистая, неборонованная пашня с влажной поверхностью отражает энергии в два раза меньше, чем пашня, выровненная с сухой поверхностью. Проведенные измерения альбедо пашни в Ершове показали, что сухая темно-каштановая почва отражает 13% всей поступающей солнечной энергии.
Отражательная способность у растений выше, чем у почвы. Поэтому поле, занятое культурой, имеет более высокое альбедо, чем пашня. С увеличением густоты травостоя уменьшается видимая часть почвы и соответственно увеличивается альбедо. От появления всходов до уборки урожая альбедо непрерывно возрастает, сначала очень быстро благодаря росту растений и .смыканию зеленой массы, затем несколько медленнее, главным образом на счет изменения цвета растительности. Особенно это заметно п период молочной спелости зерна. Наиболее высокое альбедо поле, занятое зерновыми культурами, имеет в период полной спелости зерна. После уборки урожая отражательная способность поля сильно снижается.
Возрастание альбедо во время созревания хлебов вызывается изменением состояния растений, в первую очередь уменьшением содержания воды в листьях и стеблях, а также изменением их окраски. По мере развития растений поле поглощает все меньше падающей на него энергии (табл. 3).
Приведенные выше данные относятся к влажному году с большим количеством атмосферных осадков и высокой влажностью воздуха. Хлебостой яровой пшеницы в том году был очень густым, и растения отличались большим содержанием воды в листьях. Это обстоятельство повлияло определенным образом на величину альбедо. В годы засушливые хлебостой реже, видимая часть почвы между растениями занимает большой удельный вес, но с другой стороны, в листьях меньше содержится воды. Величина альбедо поля в разные годы различная. С этой стороны представляет интерес сопоставление альбедо во влажный и засушливый годы.
В засушливые годы поле пшеницы поглощает энергии больше, чем во влажные, и тем самым создаются условия, при которых усиливается развитие засушливых процессов.
Озимые рожь и пшеница дают примерно такую же величину альбедо, как и яровая пшеница. Разница только в том, что весной озимые растения смыкаются в посевах раньше яровых, поэтому отражательная способность полей, занятых озимыми, в мае выше, чем у полей, занятых яровыми культурами.
Оставшаяся после уборки зерновых культур стерня отражает в среднем около 15% падающей энергии. По нашим наблюдениям, в Саратове альбедо выгона и залежи в течение теплого периода года колеблется в пределах от 15 до 20% в зависимости от состояния растительности и почвы. Измерения альбедо залежи во второй половине лета, проведенные в Заволжье, показали, что выгоревшая под влиянием засухи залежь отражает около 16% падающей энергии, или почти столько же, сколько обнаженная почва в Заволжье.
Невысокая отражательная способность поля является очень важным отрицательным фактором засушливых, районов. С увеличением доли поглощенной энергии поле способствует нагреванию воздуха и повышению его температуры. Изменяя отражательную способность поверхности, можно воздействовать на температурный режим воздуха и почвы. На этом принципе основаны некоторые агрономические приемы воздействия на температуру почвы, в частности изменение окраски поверхности, способ посева, мульчирование и другие приемы. Влияние на альбедо способа посева и мульчирования показано в табл. 4.
Мульчирование посевов яровой пшеницы проводилось соломой. Мульчирующий слой особенно резко меняет отражательную способность поля яровой пшеницы в первый период роста, пока развивающиеся растения не начнут затенять поверхность почвы, покрытую соломой.
Читайте также: