Кількість тепла, одержуваного Землею від Сонця

Якби кожен квадратний сантиметр земної поверхні, перпендикулярної до сонячних променів, при середній відстані Землі від Сонця, що дорівнює майже 150 мільйонам км, і при відсутності атмосфери отримував в 1 хв. 1,88 кал, то протягом року при тих же умовах він отримав би до 1000 ккал тепла. Але так як Земля близька за формою до кулі і сонячні промені не скрізь падають прямовисно, так при цьому завжди освітлена тільки половина земної кулі, то за рік на 1 см2 на верхній межі атмосфери надходить в середньому лише четверта частина названої величини, т. Е. близько 250 ккал / см2. З цієї кількості сонячного тепла поверхнею землі і атмосферою поглинається до 140-150 ккал / см2год.
Кількість тепла, одержуваного від Сонця земною поверхнею, залежить перш за все від кута падіння сонячних променів. Чим крутіше падають сонячні промені, т. Е. Чим більше висота сонця над горизонтом, тим менше шлях сонячних променів в атмосфері (рис. 12) і тим більша кількість енергії доводиться на одиницю площі, і, навпаки, чим менше кут падіння, тим більше шлях сонячних променів в атмосфері і тим менше енергії припадає на одиницю площі.

При проходженні через атмосферу сонячні промені втрачають тим більше енергії, чим довше їх шлях

Максимальна кількість сонячної радіації надходить на одиницю горизонтальної поверхні землі, перпендикулярної до сонячних променів, тоді, коли сонце знаходиться в зеніті, т. Е. Коли кут падіння сонячних променів дорівнює 90 °.
У табл. 5 наведені розраховані суми сонячної радіації для літнього та зимового сонцестояння при відсутності атмосфери. З даних цієї таблиці випливає, що при відсутності атмосфери в дні літнього сонцестояння Арктика отримувала б сонячного тепла 1110 кал / см2 добу, т. Е. Більше, ніж екваторіальна зона, де добова сума тепла становила б усього лише 814 кал / см2.

Розрахунки показують, що при так званій ідеальної атмосфері (абсолютно сухий і чистої) поверхню Землі у високих і навіть середніх широтах влітку отримувала б більше тепла, ніж в екваторіальній зоні. Згідно з розрахунками, в останніх числах червня за відсутності хмар і при середній прозорості атмосфери на Північний полюс надходило б близько 670 кал / см2 добу, на широту 55 ° 630 кал / см2 добу, а в екваторіальну зону лише близько 500 кал / см2 добу.
В екваторіальній зоні кількість сонячного тепла не відчуває великих сезонних коливань (табл. 5). У той же час в середніх широтах воно зменшується в кілька разів, а на Північному полюсі надходження тепла зовсім припиняється в період вересень - березень.
Такий розподіл сонячної радіації пояснюється тим, що в Полярному басейні влітку сонце цілодобово не заходить за горизонт, а взимку не з'являється над горизонтом, в той час як в екваторіальній зоні тривалість світлого часу доби протягом року не відчуває помітних коливань і дорівнює приблизно 12 годину . Тому протягом року низькі широти отримують більше тепла, ніж середні і високі широти.
Щоб з'ясувати, якою мірою кількість енергії, що надходить на перпендикулярну сонячним променям поверхню, залежить від кута їх падіння, звернемося до табл. 6, складеної Н. Н. Калітін.

У цій таблиці наводяться теоретично обчислені дані про кількість сонячної радіації, що приходить на перпендикулярну поверхню, в залежності від висоти сонця над горизонтом при повній відсутності атмосфери (сонячна постійна) і при проходженні сонячних променів через ідеальну атмосферу, а також дані, отримані безпосередньо зі спостережень за наявності реальної атмосфери при середній прозорості її.
Як видно з табл. 6, в порівнянні з сонячної постійної інтенсивність радіації навіть за умови ідеальної атмосфери помітно менше і, звичайно, вона ще менше за умови реальної атмосфери. При висоті сонця, що дорівнює 20 °, інтенсивність сонячної радіації в порівнянні з сонячної постійної зменшується майже вдвічі, а при висоті сонця 60 ° - на 30%. Різке зменшення інтенсивності сонячної радіації в реальній атмосфері відбувається головним чином через вміст в ній водяної пари і пилу, що володіють поглощательной здатністю.
Так йде справа з приходом сонячного тепла на перпендикулярну променям поверхню.
Фактично на одиницю горизонтальної поверхні доводиться набагато менше сонячної енергії. Так, при падінні променів сонця під кутом 30 ° кількість радіації, що надходить на 1 см2 горизонтальній поверхні, в порівнянні з даними, наведеними в табл. 6, зменшується в 2 рази, а при висоті сонця 5 ° - майже в 12 разів. Потік сонячної радіації, що надходить на горизонтальну поверхню, швидко убуває від екватора до полюсів.
У дні весняного і осіннього рівнодення опівдні на екваторі сонце буває в зеніті, а на полюсах - на горизонті (рис. 13, а).

Положення Землі по відношенню до сонячних променів в різні сезони року

У день літнього сонцестояння в північній півкулі висота сонця на екваторі 66,5 °, на північному тропіку 90 °, а на Північному полюсі лише 23,5 °. В цей час в Арктиці сонце не заходить за горизонт і вступає в силу полярний день, а Антарктика занурюється в полярну ніч (рис. 13, б).
В день зимового сонцестояння в Арктиці сонце знаходиться за горизонтом (полярна ніч), а в Антарктиці спостерігається полярний день (рис. 13, в). Однак як на Північному, так і на Південному полюсі в полярний день промені сонця падають під найменшим кутом. Тривалість періоду з полярним днем, як і з полярної ночі, дорівнює приблизно половині року. Тому в низьких широтах Землі, де висота сонця протягом всього року найбільша, значно тепліше, ніж в середніх і особливо у високих широтах північної та південної півкуль. Цим же пояснюється найбільший нагрівання земної поверхні в полудень, коли сонячні промені падають на неї під найбільшим кутом.