Вплив сонячної енергії на кліматичні умови та розвиток рослин

Сонце як джерело енергії

Сонце слугує джерелом і умовою існування всього живого. Лише невелика частка величезної кількості енергії, що випромінюється Сонцем у всі боки, потрапляє на поверхню земної кулі. Це зумовлено дуже великою відстанню між земною кулею і Сонцем, яка становить близько 150 млн км, а також тим, що діаметр Сонця приблизно в 109 разів більший, ніж діаметр земної кулі. Попри те, що кількість енергії, яка потрапляє на поверхню земної кулі (1,5·10²¹ Вт·год), становить вельми мізерну частину енергії, що виходить від Сонця (3·10²⁶ Вт·год), вона приблизно у 20 000 разів більша за ту кількість енергії, яку на сьогодні витрачає все людство земної кулі...

не досягає повністю поверхні земної кулі, оскільки випромінювання, пробиваючись крізь товстий шар.

атмосфери, втрачає свою інтенсивність. Потужність сонячного випромінювання за межами атмосфери становить у середньому 1396 Вт/см², однак на земній поверхні в ясну сонячну погоду ця величина становить близько 1000 Вт/м², а в похмуру погоду, залежно від товщини та характеру хмар, вона зменшується приблизно до 100 Вт/м². Щороку близько 31 % сонячного короткохвильового випромінювання, що падає на Землю, відбивається назад у космічний простір, і лише приблизно 19 % цього випромінювання поглинається атмосферою і витрачається на її нагрівання. Решта кількості сонячного випромінювання, тобто майже половина його, досягає поверхні земної кулі у вигляді прямого і розсіяного хмарами випромінювання. Невелика частина сонячного випромінювання, що падає на земну поверхню (близько 3%), відбивається від Землі, і приблизно 47 % перетворюється на теплоту. При цьому близько половини теплової енергії (23%) витрачається на випаровування води, а інша половина — на прогрівання атмосфери та земної поверхні. Тільки мізерна частина її (близько 0,02 %) за допомогою реакцій фотосинтезу йде на утворення органічної речовини (рослинності).

Електромагнітне випромінювання, що виходить від Сонця зі швидкістю світла (300 000 км/с), характеризується різними довжинами хвиль — від короткохвильового рентгенівського і гамма-випромінювання до радіохвильового діапазону.

Рис. 10. Сонячне випромінювання та його вплив на поверхню Землі

Рис. 11. Спектр енергії Сонця і світлопропускання скла

Через атмосферу земної кулі проходить найбільша частина сонячного випромінювання. Однак деякі види випромінювання, наприклад довгохвильове інфрачервоне і короткохвильове ультрафіолетове випромінювання, не можуть проходити крізь атмосферу. Вона пропускає випромінювання з певною довжиною хвилі і відбиває або поглинає інші. Без такої фільтрувальної дії була б неможлива життя на земній кулі.

Теплота, накопичена в поверхневому шарі Землі, частково відбивається назад у космічний простір. Це зумовлено рівноважним станом, який існує на поверхні Землі, — вона відбиває таку ж кількість енергії, яку отримує на неї від зовнішніх джерел.

Для більш повної утилізації сонячної теплоти треба забезпечити зменшення тих потоків енергії, які спрямовані від земної поверхні. Тому людині необхідно навчитися збирати й акумулювати.

Рис. 13. Траєкторія руху земної кулі навколо Сонця

Мабуть, найвідомішим прикладом використання сонячної теплової енергії є фортеця Монтесума в Аризоні (700 р.). Вона побудована індіанцями на південному схилі крутої гори з товстого саману («адоба»). Її стіни завдяки хорошим теплотехнічним властивостям, нагріванню й акумулюванню теплової енергії, здатні інтенсивно поглинати сонячну теплоту і за час зимового дня акумулювати кількість сонячної енергії, цілком достатню для опалення приміщень у нічний час. Ці приміщення розташовані глибоко в скелях, які виконують функції даху і захищають житло влітку, коли Сонце піднімається високо. Природна вентиляція забезпечується люками, які відкривають для охолодження приміщень.

Таким чином, індіанці завдяки доброму знанню і використанню природних можливостей створювали сприятливі побутові умови у своїх житлах як у зимовий, так і в літній час.

Земна куля обертається навколо Сонця по коловій орбіті приблизно за 365,25 доби, що й зумовлює виникнення річного ритму життя. Крім того, Земля обертається навколо своєї осі зі швидкістю 1 оберт за добу, що призводить до появи добового ритму.

Вісь обертання земної кулі нахилена відносно вертикальної лінії на кут, що дорівнює приблизно 23,5°, і це зумовлює постійну зміну положення будь-якої точки на земній кулі відносно Сонця не тільки протягом кожного дня, а й протягом кожної наступної години. Найменша зміна...

зміни характерні для точок на земній поверхні, розташованих по екватору. Ці зміни зростають у міру пересування в бік Північного або Південного полюса, де вони досягають максимуму.

У полярних районах відмінності в порах року найбільш помітні. Влітку сонце світить, перебуваючи високо в небі, тому тривалість літнього дня велика; водночас за Полярним колом сонце світить протягом кількох місяців цілодобово. Взимку сонце розташоване на небі низько і в заполярних районах зовсім не з'являється на горизонті, тому дні там дуже короткі. Протягом двох днів у році, 21 березня і 23 вересня, тривалість дня і ночі однакова всюди на земній кулі, внаслідок чого вони називаються днями весняного і осіннього рівнодення. Ці питання більш детально розглянуто в книзі «Природний дім», випущеній видавництвом будівельників «Ракентаяйн кустаннус» у 1982 р.

Температура середовища вельми сильно залежить від тривалості інсоляції. Це особливо відчувається на початку осені, коли теплі вечори швидко стають прохолодними, попри те, що вдень стоїть сонячна * У радянській літературі: 1. Керівництво з проектування та застосування сонцезахисних засобів у промислових будівлях, — М.: Стройиздат, 1980. 2. Дунаєв Б. А. Інсоляція житлових будинків, — М.: Держбудвидав, 1961. (Прим. наук. ред.) погода. Однак пряма залежність між тривалістю інсоляції та температурою середовища порушується, оскільки в літній час велика кількість сонячної енергії акумулюється ґрунтом, особливо водоймами, з яких восени теплота повільно передається повітрю атмосфери, нагріваючи його. Навесні ґрунт і водойми відрізняються відповідно більш низькою температурою, тому повітря буває холодним, попри ясну і сонячну погоду.

Інсоляція та хмарність. Найбільш важливою умовою функціонування теплиці є надходження в неї сонячного випромінювання. Тривалість сонячного сяйва на Крайній Півночі суттєво змінюється залежно від пори року. Перш за все це залежить від кута падіння сонячних променів: у ясну погоду (короткі дні взимку). Крім того,

інтенсивність сонячного випромінювання відчутно зменшується за наявності хмарності. У похмурий день інтенсивність сонячного випромінювання може бути в

10—20 разів менше, ніж у ясну погоду.

Недолік освітлення, що вимагається для рослин, особливо помітний в останні місяці року. Наприклад

„Таблиця 2.1. Експериментальні дані щодо інтенсивності сонячного випромінювання:

| Експериментальні добові суми сонячного Максимальні зна- | випромінювання, кВт-год/(м² · доба) Місяць чення інтенсивності сонячного випромінювання, кВт/м² в ясну погоду звичайний | 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 `, Ез м 4 Е 2 ``. | В “ 8 Е я богини мумуимк хх. Місяці Соданкюля, 1951 — 1970 рр. бю

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

Рис. 14. Тривалість інсоляції по місцях у містах Гельсінкі та Соданкюля. На графіках наведена щодобова тривалість інсоляції в годинах [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

Ці дані характеризують освітленість та сонячну енергію, що надходить у різні місяці, залежно від географічної широти, часу доби та стану хмарності.

$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

Червень Липень Серпень Вересень Жовтень Листопад Грудень на широті Гельсінкі з 20 листопада і до 6 січня включно сонце світить у середньому менше 1 год на день. Після цього тривалість сонячного дня спочатку збільшується повільно, у середині березня зростає до 5 год і досягає максимуму в травні-червні залежно від конкретного місця (10 год для Гельсінкі).

Тривалість хмарної погоди також характеризується великими коливаннями, оскільки залежить від пори року та місцевих умов. Взимку зазвичай спостерігається рівномірна, велика хмарність. Березень також буває хмарним, проте в цьому ж місяці порівняно часто настають тривалі безхмарні періоди.

Можливість отримання сонячної енергії. Очевидно, що оптимальні умови отримання сонячної енергії створюються тоді, коли сонце стоїть високо над горизонтом і хмарність мінімальна. У ясну погоду інтенсивність сонячного випромінювання змінюється незначно, за винятком грудня та січня, коли сонце не піднімається високо і сонячним променям в атмосфері доводиться долати велику відстань. Інтенсивність сонячної радіації при цьому падає. Дані щодо інтенсивності сонячного випромінювання залежно від різних факторів наведено в табл. 2.1—2.4 (Г — пряме випромінювання; Я — пряме та розсіяне випромінювання).

Ці дані отримані без урахування сонячного випромінювання, що відбивається навколишнім простором і має суттєве значення для вертикальних стін, особливо на стику весни та зими. Надбавка до величини сумарного випромінювання на фасадну стіну після відбиття може досягати 50—80 %, якщо перед цією стіною розташована рівна місцевість зі сніговим покривом.

Між інтенсивністю сонячного випромінювання та освітленістю існує відносно тісний взаємозв'язок, який певною мірою залежить від змін погоди та висоти сонця. При ясній погоді освітленість можна визначити на основі метеорологічних даних про інтенсивність сонячного випромінювання.

Освітленість залежить, наприклад, від широти даного місця, пори року, погодних умов і часу доби. Хмарність призводить до зниження освітленості. Верхні шари хмар незначною мірою перешкоджають проходженню світла, в той час як при проходженні крізь середні та нижні шари хмар освітленість на земній поверхні помітно зменшується. На рис. 15 показано розподіл освітленості на горизонтальній поверхні землі для 60° пн. ш.

$1 Рис. 15. Розподіл освітленості по горизонтальній поверхні на широті

1 — червень; 2 — травень — липень; 3 — квітень — серпень; 4 — березень — вересень; 5 — лютий — жовтень; 6 — січень — листопад; 7 — грудень від з4 5 бу вэю и 2322 2120 1918 1716 154 13