Влияние солнечной энергии на климатические условия и развитие растений

Солице как источник энергии

Солнце служит источником и условием существования всей жизни. Только небольшая доля огромного количества энергии, излучаемой Солнцем во все стороны, попадает на поверхность земного шара. Это обу- ‘словлено очень большим расстоянием между земным шаром и Солнцем, которое составляет около 150 млн. км, а также тем, что диаметр Солнца примерно в 109 раз болыне, чем диаметр земного шара. Несмотря на то, что попадающее на поверхность земного шара количество энергии (1,5.10?' Вт.ч) представляет собой весьма ничтожную часть энергии, исходящей от Солнца (3.10:Вт-ч), оно примерно в 20 000 раз больше того количества энергии, которое на сегодняшний день расходует все человечество земного шара...

не достигает полностью поверхности земного шара, поскольку излучение, пробиваясь сквозь толстый слой.

атмосферы, теряет свою интенсивность. Мощность солнечного излучения за пределами атмосферы составляет в среднем 1396 Вт/см?, однако на земной поверх- ‘ности в ясную солнечную погоду эта величина составляет около 1000 Вт/м?, а в пасмурную погоду. в чения, идущая 62% или 40 ТВт

Рис. 10. Солнечное излучение и его воздействие на поверхность Земли

2* | 9 зависимости от толщины и характера облаков она уменьшается примерно до 100 Вт/м?.. ‚ Ежегодно около 31 % падающего на Землю корот- `коволнового солнечного излучения отражается обрат- ‚но в. космическое пространство, и только примерно

19 $ этого излучения. поглощается атмосферой и рас- | ходуется на ее нагрев. Остальное количество солнечного излучения, т.`е. почти половина его, достигает поверхности земного шара в виде прямого и рассеянного облаками излучения. Небольшая часть солнечного излучения, падающего на земную поверхность (около 3%), отражается от Земли, и. примерно 47 $ превращается в теплоту. При этом около половины тепловой ‘энергии (23%) расходуется на испарение воды, а другая половина — на прогревание атмосферы и земной поверхности. Только ничтожная часть ее (около 0,02 %) с помощью реакций фотосинтеза идет на об: разование органического вещества (растительности).

Электромагнитное излучение, исходящее от Солнца со скоростью света (300000 км/с), характеризуется. различными длинами волн — от коротковолнового рентгеновского и гаммаизлучения до радноволнового диапазона.

Рис. 11: Спектр энергии Солнца и светопропускание: стекла [27 является загар) и в' организме начинает вырабатываться витамин О,

Через атмосферу земного шара проходит. ‘наибольшая часть солнечного излучения, Однако некоторые виды излучения, например длинноволновоеё ‘инфракрасное й коротковолновое ультрафиолетовое излучение, не могут проходить сквозь атмосферу. Она пропускает излучение е`известной длиной волны и отражает или поглощает другие. Без такого ‘фильтрующего действия. ‘была бы невозможна жизнь на земном ‚ шаре.

Теплота, накопленная в поверхностном слое Земли, частично отражается обратно в космическое пространство. Это обусловленб равновесным состоянием, которое существует ‘на поверхности Земли, — ‘она отражает такое ‘же количество энергии, какое поступает на нее от внешних источников. ° |

'Для более полной’ утилизацин солнечной: теплоты надо обеспечить уменьшение тех потоков энергии, ко-

Рис. 13. Траектория движетесума в Аризоне ния земного шара вокруг Солнца торые направлены от земной поверхности. Нозтому человеку необходимо Научиться собирать и аккумули-.

По-видимому, нанболее известным иримером использования солнечной тепловой энергии является крепоеть Монтесума в Аризоне (700 г.). Она построена индейцами на южном склоне крутой горы из толстого самана (‹адоба»). Ее стены благодаря хорошим теплотехническим свойствам, нагревание и аккумулирование тепловой энергии, способны интенсивно поглощать солнечную теплоту и за время зимнего. дня аккумулировать количество солнечной энергии, вполне достаточное для отопления поме-.

щений в ночное время. Эти помещения расположены глубоко в скалах, которые выполняют функций крыши и защищают жилище летом, когда солине поднимается | высоко. Естественная вентиляция. обеспечивается люками, которые открывают для охлаждения помещений

Таким образом, индейцы благодаря хорошему знанию и использованию природных возможностей создавали благоириятные бытовые условия в своих жилищах как в зимнее, так и в летнее время.

Земной шар обраткается вокруг Солнца по круговой орбите примерно за 365,25 сут, что и обусловливает возникновение годичного ритма жизни. Кроме того, Земля вращается вокруг своей оси со скоростью 1 оборот за сутки, что приводит к появлению суточного ритма.

Ось вращения земного шара наклонена этносительно вертикальной линии на угол, равный примерно 23,5°, и это обусловливаег постоянное изменение ноложения любой точки на земном шаре относительно Солнца не только в течение каждого дня, но и в течение каждого зюследующего часа. Наименьшее измене-

‚ние характерно для точек на земной поверхности, расположенных тю экватору. Эти изменения возрастают по мере нередвижения в сторону Северного или Южного полюса, где они лостигают максимума.

В полярных районах различия во временах года наиболее заметны. Летом солнце светит, находясь высоко в небе, поэтому длительность летнего дня большая; в то жевремя за Полярным кругом солнце светит в течение нескольких месяцев круглые сутки. Зимой солнце расположено на небе низко и В заполярных районах совершенно не появляется на горизонте, поэтому дни там очень короткие, В течение двух дней в году, 21 марта и 23 сентября, продолжительность дня и ночи одинакова везде на земном шаре, вследствие чего они называются диями весеннего и.осеннего равноденствия. Эти вопросы более подробно рассмотрены в книге «Естественный дом», выпущенной издательством строителей «Ракентаяйн кустаннус» в 1982 г.

Температура среды весьма сильно зависит от длительности инсоляции. Это особенно ощущается в. начале осени, когда теплые вечера быстро становятся прохладными, несмотря на’то, что днем стоит солнечная * В советской литературе: 1. Руководство по проектированию и применению солицезащитных средств в промыталенных зданиях, — М.: Стройиздат, 1980. 2. Дунаев Б. А. Инсолящия жилых зданий, — М.: Госстройиздат, 1961, (Примеч. науч. ред.) погода. Однако прямая зависимость между, длитель-. ностью инсоляции и температурой среды нарушается, поскольку в летнее время большое количество солнечной` энергии аккумулируется грунтом, особенно водоемами, из которых осенью теплота медленно передается воздуху атмосферы, нагревая его. Весной грунт ’И водоемы отличаются соответственно более’ низкой температурой, поэтому воздух бывает холодным, несмотря на ясную и солнечную погоду,

Инсоляция и облачность. Наиболее важным условием функционирования теплицы является поступление ‘в нее солнечного излучения. Продолжительность солнечного сияния на Крайнем Севере: существенно меняется в зависимости от времени года. Прежде всего это зависит от угла падения солнечных лучей: в ясную погоду (короткие дни. зимой).. Кроме того,

‚ интенсивность солнечного излучения ощутимо уменьшается при наличии облачности. В пасмурный день интенсивность солнечного излучения может быть В

10—20 раз. меньше, чем в ясную погоду.

Недостаток освещения, требуемого для растевий, особенно заметен. в последние месяцы года. Например

„Таблица 2.1. Экепернментальные. данные по интенсивности; солнечного излучения:.::

| Ежесуточные довы солнечноМаксимальные зна- | го излучения, кВт-ч/ (м. “сут „Месяцчения интенсивности. -. и солнечного излуче- =. ар. ния, кВт/м вв ясны А риь 2 обычный _ Январь 0, 69 2,90 | 0,6: `Февраль 0,85. ‚ 4,85_ 0,36 Март 0,79 4,95 ^ 0,66; Апрель 0,80 5.85 | - 0.88 Май 0,74 - 65,45 1,12 - Июнь 0,76 5,50 1,40. Июль 0,76 5,68 1,93: ° Август 0,80 _ 5,807 Т`- 0,59 Сентябрь 0,88 6,10 0,72 Октябрь..0,88 -- 5,40 0,69 Ноябрь - 9,64 -4,36 р” 0;009 Декабрь = 0; 66 2,23: 120,

| $10 АА г у `, Эз м 4 Е 2 ``. | В “ 8 Е я богини мумуимк хх. Месяцы Соданкюля, 1951 — 1970 гг. бю

5 8 Е Е: 6 |.Ф.. $ | 2 = ги мы муммукххл хи

Рис. 14. Продолжительность инсоляции по местам в ‚городах Хельсинки и Создакюля. На графиках приведена ежесуточная продолакительность ‚инсоляции в часах [9 1. 965 64 °1 28°0 170 16'0 670 65'0 00'0 ‚ 86—15 У 1 50°1 18“0 35‘0 78°0 55`0 |. 08'0 00°0 05—11

Се 801 85 0 81*0 57'0 050 #20 000 0—1 чие деф 53'0 790 15'0 80°0 15'0 70 610 000 16—15 19'0 35*0 УГО 90*0 Го 100 80°0 00°0 0 и

65'0 85*0 20°0 10*0 оТ'о $0‘0 | 90°0 00‘0 01—1 чаеакк о |! о | / о | 1 о | 1. виЗин пни 49 иепев зо: 4эяэ5.

[=] енозьА эн иилдэне фозоиьАг зонножедло вио]Г ‘изоонх4эяоп эмчнчкехилэн вн вонотитохиви

‘24 ‘иизфэне цоньэнио> Фетоовигох эчидений> эчннохА> ониехэтой эчинониэ42А пике

198 385 689 0/8 259 596 665 73 — ол в8 59'0 90 от. 90°0 010 90°0. | 70'0 00'0 16—15

#9'0 13'0 Г: 80.0 10 90'0 $0°0 00'0 05—

59°0 37'0 |910 от.0 Это ог:о 90'0 000 отт чв9вяэ

59`0 18°0 810 11“ 91*0 80°0 10°0 00°0 06—15

98°, |11'0 7.0 1:0 850 &1 о ого 00 0 0—п

78'0 79*0 58'0 810 25'0 п‘о 710.1 00'0 отт ч4овоН И ЕТ 59.0 -18'0 69'0-| 50 75*0 00'0 ‚12—15 Г: 08°1 190 77.0 $8°0 9'0 $е'0 00'0’ 05—11

УМ УТ 99.0 201 16*0 7‘0 000 01-1 ч69в1я0 <У'6 91 ОТ 0 071 9/*0 `89°0 00°0 0— 808 15 08*1 501 061 УГ 89°0 00'0 06—11

9/*5 08°! 902 ЭТ $6°1 $0°1 980 30°0 07—1 чдовЕнэЭ

56'5 | 981 15.8 | 061 61:5 | Г то 30'0 16—18

50'5 | 28'1 55.5 УЕ Т 035 65'1 Вт 60'0 05—11

01.6 | 981 285 | 991 4.8 | 91 66“ 1 55.0 01—1 озу 51,8 | 88:1 | 16.5 49*1 50.6 | вт 67.1 26.0 18—15

88.6 60° 596 “$ 96.5 00'5 58'1 19.0 05—11

91.5 44:1 47 86° 1 ‘Е 16'1 50 19'0 0—1 чЕОИ 58.5 08.1 5Р.6 9.1 | 5596 961 905 19.0 05—15

65 96° 1 $95 55.5 76 56.5 50°5 51.0 05—и

5 915 76 $5.5 08.6 66 10 5 6/0 0—1 чнои 536 | 8 | 498 | М5 | 96 | 605 | 041 | 00 16—15

66'6 76° | 16*6 181 У‘ У6'1 59° 1 98'0 05—П

80.5 | 981 86'5 521 8 23*1 91 85.0 01—1 ЧЕ 5 755 5/5 91 69'5 69° 1 10 1 60.0 05—15

07.5 86.5 68*5 9.1 17° ТР 50°1 40.0 05—иИ

98.5 48 91:6 95.1 88.5 55.1 08.0 00,0 0—1 чину 06*5 665 65.5 91 955 57.1 $/*0 00'0 18—18

15° ДИ: 191 56.0 59.1 86*0 59'0 000 06—11

02 *5 505 65'1 3/'0 851 69°0 67°0 60°0 отт ЧРИ 29*5 80°5 <т*1 52 '0 тт 41 °0 68°0 00'0 86—16

531 60*1 $9'0 | 550 85'0 95*0 180 00*0 05—ип

69° 951 63.0 38.0 39'0 |. 16'0 $5'0 | 00:0 01—1 чкебаэф_ 90°1 68.0 16.0 91.0. | 10 91*0 31.0 00.0 18-18

76*0 08°0 35'0 | 91.0 95'0 ЗТ.0 01,0 | 00:0 05—И

68'0 | 8/'0 $5°0 | 810 05°0 | 81'0 | 200 | 00°0 отт чеанк 5 1 о | 21 о | 1 5 |1

- - _—- егоны пк ча 925 ЖОЕОЯ ЗэваЭ

[=] зизльА эн иилэие нолоиьдк ионножедто вго{ ‘изон ‘в.а ‘инадане цоньэнко> ечтозьнгох эчназкиА> омньохА> ониечомоц эмннони од `5< чникоет №

[==] 85° 69°Т 088 м1 192 181 08*< 08'0 18—15 ыы 19*2 00'5 ‘8 191 19*6 191 76° 1 90 05—11 $8 66° 1 28 °5 921 те 69°1 091 95‘0 01—1 И 56°5 9Р'5 918 РТ 85 88°1 18° 1 92‘0 05—15 56 16°1 525 Эт 1 99*5 8$ 1 05°1 90°0 05—11 60° 78‘ 5 82*5 85.1 СР°5 РЕ 90*1 90‘0 01—1 чкобиу 90*У $0 ‘6 855 21 9Г*5 1 92'0 00*0 18—15 11*6 98:6 821 78'0 371 18*0 88*0 00*0 05—и 28:5 УД 10*1 $9*0 20° 09°0 17° 0 00 0 0—1 19 59° 1 15°1 19*0 18'0 69‘0 65°0 65.0 00'0 85—15 | 621 от *1 9*0 25'0 $8°0 11*0 1<‘0 000 05—11 101 56‘0 65°0 810 85°0 41:0 0т 0 00‘0 01—1 чиеднэф 11'0 11‘ 0 УГ‘ 0 60‘0 90 60°0 70°0 00*0 18—15 Е0*0 00°0 50°0 00*°0 50‘0 00°0 50“0 00°0 05—иИ 10°0 00*0 10*0 00‘0 10*0 00‘0 10'0 00*0 01—11 чатянк о |] 9 |1 И И Г 1 егэиь ПЕ ЧО че це8 оЕ0Я азягЭ

Сп’ ‚55519 ‘виогянеиоо) енольА эн иилФэне иолиьАь ионнэже010 БОТ ‘илоонхдочон эчнчивуилдэн вн воиэшЕгохиЧн ‘1х ‘иилдэне ионвэнго> татоэнигоя эчнаеии> эчньозэ ‘онтенэноп эчннэни292д ‘с впикоет

$08 503 0/8 585 | 959 И 218 6 — по: ее $8'0 85'0 10°0 50*0 80*0 #0°0 20‘'0- | 00'0 18—12 18*0 18'0 20°0 20*0 60‘0 $0*0 Р0*0 00‘0. 08—п 05'0 Ето 900 т0*0 10*0 50.0 30.0 00'0 0—1 ч4овхэТ 13'0 1'0 810 90°0 9т*0 60*0 40:0 00.0 08—15 $90 с9‘0 81*0 80°0 05*0 от*о 60°0 00*0 05—11 с4'0 0%‘0 61'0 10*0 6т*0 10‘0 11*0 00‘0 0—1 ч4овоН

9т.1 78'0 370 15.0 7.0 05'0 55'0 00'0 18—15 от, 1 0,0 19*0 05°0 99'0 35'0 05'0 00°0 02—11 181 $51 58°0 88°0 56°0 ‘0. | 5'0 '00°0 0—1 ч49в1я0 761 15°1 60°1 88° т 18*0 53'0 | `00'0 06—15 48° 5 841 Фа 04°0 0 36'0 19.0 00'0 05—11 05 69° 1 69°1 94*0 86°1 00°т | 98'0 50‘0 01—1 ч4овтиэЭ 995 09° 1 46° 1 96° 46° 1 36.0 46'0 70'0 16—15 68° 5 0 075 65.1 595 $1 55'1 т 0 1— и и 46° 59° 085 81 88*5 Эр 871 850 0—1 чэ&ну, 05.5 14 10'8 501 96° 6 781 т 68.0 18—15 от 5 591 6Т*6 99° р 06° 1 26° | 59'0 05—и 565 91 00° 91 83° 88°1 90°5 73'0 0—1 чо 55.6 991 8.8 99° 95 00°5 80.5 99.0 08—15 96.6 841 59' 6 98.1 00°? 88.5 95.5 54.0 05—11 56° 081 98° 921 18° 15°5 01 5 59°0 0—1 чноИ 05.6 591 90*6 1 83°5 06° 1 56°1 77.0 16—18 35.5 61 18.5 951 95'5 04° 391 55.0 06—11 785 19 97° б отт 99°5 051 65° 1 91*0 0—1 ЗИ 3:6 Е 59*5 ЕТ 06'5 | 191 55.1 80.0 06—15 6Р.5 61.5 09°5 151 08 6 13 1 10°0 05—И 7 +85 01 И 855 85°1 68 ‘0 00*0 от—1 чинов 11 ТЕ: 9т*5 951 09°5 69° 1 18'0 00*0 18—15 08.5 68*5 04.1 6'0 181 тет 19.0 | 00'0 05—и 08°5 40*5 Г 63'0 65° 58°0 53°0 00°0 от ЧРИ о | | о 1 Й 1 о |1 вшоиь ПвЭэи ао] виз Золлоя 4эчэЭ сс 39 стс е1 4 -= 7-7 ососесе з сч аа 9 о ЗОВИ вси Е 588 И 1-1 И-1-1-

- — [2 эк ею -о=о Зо заЕ ое нае о 3 О ЧС 9.549 `. ых --1-1-Я-1-11-5

Зе 828 358 888 388 888

Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь на широте Хельсинки с 20 ноября и до 6 января включительно солнце светит в среднем менее | ч в день. После этого продолжительность солнечного дня сначала увеличивается медленно, в середине марта возрастает до 5 ч и достигает максимума в мае-июне в зависимости от конкретного места (10 ч для Хельсинки);.

Длительность облачной погоды также характеризуется большими колебаниями, поскольку зависит от времени года и местных условий. Зимой обычно наблюдается равномерная, обширная облачность. Март также бывает облачным, однако в этом же месяце сравнительно часто наступают длительные безоблачные периоды.

Возможность получения солнечнойэнергии. Очевидно, что оптимальные условия получения солнечной энергии создаются тогда, когда солнце стоит высоко над горизонтом и облачность минимальна. В ясную погоду интенсивность солнечного излучения меняется незначительно, за исключением декабря и января, когда солнце не поднимается высоко и солнечным лучам в атмосфере приходится преодолевать большое расстояние. Интенсивность солнечной радиации при этом падает. Данные по интенсивности солнечного излучения в зависимости от различных факторов приведены в табл. 2.1—2.4 (Г — прямое излучение; Я — прямое и рассеянное излучение).

Эти данные получены без учета солнечного излучения, отражаемого окружающим пространством и имеющего существенное значение для вертикальных стен, особенно на стыке весны и зимы. Прибавка к величине суммарного излучения на фасадную стену после отражения может достигать 50—80 %, если перед этой стеной расположена ровная местность со снежным покровом.

Между интенсивностью солнечного излучения и освещенностью существует относительно тесная взаимосвязь, которая в какой-то мере зависит от изменений погоды и высоты солнца. При ясной погоде освещенность можно определить на основании метеорологических данных об интенсивности солнечного излучения.

Освещенность зависит, например, от широты дан-

$1 Рис. 15. Распределение ос“ вещенности по горизонтальной поверхности на широте

1— июнь; 2 — май — июль; 3 — апрель — августу 4 март — сентябрь; 5— февта раль — октябрь; 6 — январь — ноябрь; 7—декабрь от з4 5 бу вэю и 2322 2120 1918 1716 154 13 ного места, времени года, погодных условий и времени суток. Облачность приводит к снижению освещенности. Верхние слои облаков в незначительной степени препятствуют прохождению света, в то время как при прохождении через средние и нижние слои облаков освещенность на земной поверхности заметно уменьшается. На рис. 15 показано распределение освещенности на горизонтальной поверхности земли для 60° с. ш.