Солнечная радиация и её влияние на природные и хозяйственные процессы.

СОДЕРЖАНИЕ

   Введение………………………………………………………..……………….2

Глава 1. Теоретические аспекты солнечной радиации. 5

1.1.   Поглощение и рассеяние прямой солнечной радиации в атмосфере. 5

1.2.   Рассеянная солнечная радиация. 12

1.3.   Суммарная радиация и радиационный баланс. 14

Глава 2.   Влияние солнечной радиации на природные и хозяйственные процессы   19

2.1.   Солнечная радиация и климат. 19

2.2.   Воздействие  солнечной  радиации  на  развитие  растений  и  животных  24

Заключение…………………………………………………………………….29

   Список литературы.. 33

Введение

Под солнечной радиацией понимается весь испускаемый Солнцем поток радиации, который представляет собой электромагнитные колебания различной длины волны. В гигиеническом отношении особый интерес представляет оптическая часть солнечного света, которая занимает диапазон от 280-2800 нм. Более длинные волны – радиоволны, более короткие – гамма-лучи, ионизирующее излучение не доходят до поверхности Земли, потому что задерживаются в верхних слоях атмосферы, в озоновом слое в частности. Солнечная радиация является главным источником энергии для всех физико-географических процессов, происходящих на земной поверхности и в атмосфере.

Изучение данной проблемы имеет большое значение, потому что вся живая природа чутко реагирует на сезонные изменения окружающей температуры, на интенсивность солнечного излучения – весной покрываются листвой деревья, осенью листва опадает, затухают обменные процессы, многие животные впадают в спячку и т.д. Человек не является исключением. На протяжении года у него меняется интенсивность обмена, состав клеток тканей, причем эти колебания различны в разных климатических поясах. Так, в южных районах содержание гемоглобина и количество эритроцитов, а также максимальное и минимальное давление крови в холодный период возрастают на 20 процентов по сравнению с теплым временем. В условиях Севера наибольший процент гемоглобина найден у большинства обследованных жителей в летние месяцы, а наименьший – зимой и в начале весны. В последнее время в связи с резким возрастанием загрязнения окружающей природной среды, усиления содержания в атмосфере углекислого газа, повышения радиационного фона значительно возросло число спонтанных, стихийных, вредных мутаций как у животных, так и у человека.

Курсовая работа «Солнечная радиация и ее влияние на природные и хозяйственные процессы» носит описательный характер, предполагает развитие знаний в рамках данной проблемы.

Цель данной работы: определение роли солнечной радиации в природных и хозяйственных процессах.

Для достижения цели поставлены следующие задачи:

– собрать и изучить литературу о солнечной радиации;

– охарактеризовать поведение солнечной радиации в земных условиях;

– рассмотреть значение солнечной радиации на природные и хозяйственные процессы.

Для реализации целей и задач использовались следующие методы исследования: анализ научно-методической литературы по теме исследования, сбор информации, сравнение, обобщение, систематизация.

Предмет исследования: Воздействие солнечной радиации на физиологические процессы на планете Земля. Объект исследования: Прямая и рассеянная солнечная радиация. Курсовая работа состоит из введения, двух частей, заключения и списка литературы, включающего 10 источников.

Глава 1. Теоретические аспекты солнечной радиации

1.1. Поглощение и рассеяние прямой солнечной радиации в атмосфере

Основным источником энергии почти для всех природных процессов, происходящих на поверхности земли и в атмосфере, является лучистая энергия, поступающая на Землю от Солнца. Энергия, поступающая к поверхности земли из глубинных ее слоев, выделяющаяся при радиоактивном распаде, приносимая космическими лучами, а также излучение, приходящее к Земле от звезд, ничтожно малы по сравнению с энергией, поступающей на Землю от Солнца. Кроме лучистой энергии, т. е. электромагнитных волн, от Солнца приходят к Земле также различные потоки заряженных частиц, главным образом электронов и протонов, движущихся со скоростями в сотни и тысячи км/сек. Основная часть лучистой энергии, излучаемой Солнцем, представляет собой ультрафиолетовые, видимые и инфракрасные лучи. Эта часть электромагнитного излучения Солнца и называется в метеорологии солнечной радиацией [3, с. 157]

Солнечная радиация, поступившая на верхнюю границу атмосферы, на своем пути до земной поверхности претерпевает ряд изменений, вызванных ее поглощением и рассеиванием в атмосфере. Радиация, поступающая от Солнца в атмосферу и затем на земную поверхность в виде параллельного пучка лучей, называется прямой. Значительная часть прямой радиации, пришедшей к верхней границе атмосферы, достигает земной поверхности. Часть солнечной радиации рассеивается молекулами атмосферных газов и аэрозолями и поступает к земной поверхности в виде рассеянной радиации.      Проходя через земную атмосферу, солнечная радиация ослабляется вследствие поглощения и рассеяния атмосферными газами и аэрозолями. При этом изменяется и ее спектральный состав. В спектре появляются линии и полосы, обусловленные поглощением в земной атмосфере и называемые теллурическими. На рис. 1 показано распределение энергии в солнечном спектре. Кривая а приближенно характеризует ее распределение за пределами земной атмосферы, а кривые б и в - на земной поверхности при высотах солнца 35 и 15°. На кривых б и в ультрафиолетовая часть спектра обрывается слева при Х = 0,29 мкм, так как ультрафиолетовая радиация с более короткой длиной волны полностью поглощается верхними слоями атмосферы. Участок спектра с Х < 0,29 мкм можно наблюдать только на высотах более 30 км. Ультрафиолетовая же радиация с Х >0,29 мкм, достигающая земной поверхности, обладает очень малой энергией. Сильно ослабляется при прохождении через атмосферу также и коротковолновая часть видимой радиации и в меньшей степени длинноволновая, видимая и инфракрасная часть солнечного спектра. В инфракрасной части спектра имеется ряд полос поглощения, вызванных наличием в атмосфере водяного пара. При различной высоте солнца и различной высоте пункта наблюдений над земной поверхностью масса атмосферы, проходимая солнечным лучом, неодинакова. Вследствие этого различен и спектральный состав солнечной радиации. При уменьшении высоты солнца особенно сильно уменьшается ультрафиолетовая часть радиации, несколько меньше – видимая и лишь незначительно – инфракрасная.

         В поглощении длинноволновой радиации важную роль играет водяной пар: чем больше в атмосфере водяного пара, тем меньше прямой радиации доходит до Земли при прочих равных условиях. Сравнение кривых а, б и в на рис. 1 показывает, насколько существенно атмосфера изменяет первоначальное распределение энергии в спектре солнечной радиации. Рассеяние радиации в атмосфере происходит главным образом молекулами атмосферных газов и аэрозолями (пылинками, капельками тумана, облаков и др.). Интенсивность рассеяния зависит от количества рассеивающих частиц в единице объема, от их величины и природы, а также от длин волн самой рассеиваемой радиации. Ниже приведены значения коэффициента рассеяния в чистом и сухом воздухе при нормальном давлении для различных длин волн [6, с. 109]

Таблица 1

Коэффициенты рассеяния в чистом и сухом воздухе при нормальном давлении

Из таблицы 1 видно, что лучи рассеиваются тем сильнее, чем меньше длина волны, например: фиолетовые рассеиваются в 14 раз сильнее красных. Этим, в частности, объясняется голубой цвет неба. Хотя фиолетовые и синие лучи рассеиваются еще сильнее, чем голубые, их энергия значительно меньше. Поэтому в рассеянном свете преобладает голубой цвет.

Рассеяние радиации происходит во всех направлениях, однако, не с одинаковой интенсивностью. Наиболее интенсивное рассеяние имеет место в направлении падающего луча (вперед) и в противоположном направлении (назад). Минимумы рассеяния наблюдаются в направлениях, перпендикулярных к прямому лучу. Так происходит рассеяние в совершенно чистом и сухом воздухе. Доля коротких волн в рассеянной радиации больше, чем в прямой. Поэтому чем длиннее путь солнечных лучей, тем больше рассеивается коротких волн и тем больше становится доля длинных. Этим объясняется, например, что Солнце и Луна вблизи горизонта приобретают желтую или даже красноватую окраску.

Поток прямой радиации и ее спектральный состав зависят от высоты солнца и прозрачности атмосферы. Последняя в свою очередь зависит от содержания поглощающих газов и аэрозолей в частности от наличия облаков и тумана. Под влиянием этих факторов поток прямой радиации может изменяться в широких пределах. При одной и той же высоте солнца поток прямой радиации в низких широтах, где в атмосфере содержится много водяного пара и пыли, должен быть меньше, чем в высоких широтах. Однако прозрачность атмосферы влияет на этот поток почти так же, как высота солнца, от которой зависит число проходимых масс.

Поток прямой радиации увеличивается с увеличением высоты места над уровнем моря, так как чем выше находится пункт наблюдения, тем меньшая толща атмосферы пронизывается солнечными лучами и тем меньше они ослабляются. Увеличение потока прямой радиации с высотой в нижних слоях атмосферы происходит быстрее, чем в верхних, так как большая часть аэрозолей и водяного пара сосредоточена внизу. Исключительно большое влияние на прямую радиацию оказывают облака. Плотные облака нижнего яруса практически совершенно не пропускают прямую радиацию.

Если бы прозрачность атмосферы в течение дня не менялась, то изменение прямой радиации было бы симметричным относительно истинного полудня: от нуля в момент восхода она сначала быстро, а потом более медленно увеличивалась бы до наибольшего значения, достигаемого в полдень, а затем так же плавно, сначала медленно, а потом более быстро, уменьшалась до нуля в момент захода солнца. Потоки были бы одинаковыми в часы, симметричные относительно полудня.

Но прозрачность атмосферы в течение дня не остается постоянной, так как количество пыли, водяного пара и других примесей, содержащихся в воздухе, непрерывно меняется. Поэтому суточный ход прямой радиации обычно не бывает симметричным относительно полудня. В часы, близкие к полудню или послеполуденные, в результате усиления восходящих движений воздуха, поднимающих пыль и водяной пар, прямая радиация начинает уменьшаться, так что максимальное ее значение наблюдается не в полдень, а около 10 часов [1, с. 151]

Суточный ход прямой радиации меняется также в течение года, так как меняются продолжительность дня и высота солнца. Суточный ход прямой радиации, поступающей на перпендикулярную лучам и на горизонтальную поверхности, также различен вследствие неодинакового угла падения лучей на эти поверхности. На рис. 2 приведен суточный ход прямой радиации, поступающей на перпендикулярную лучам и на горизонтальную поверхности, в Павловске (под Санкт-Петербургом).

Рис. 2. Суточный ход прямой солнечной радиации в Павловске.

Сплошные линии – на поверхность, перпендикулярную лучам;

прерывистые линии – на горизонтальную  поверхность

Как видно из этого рисунка, приход прямой радиации на горизонтальную поверхность во все часы дня меньше, чем на поверхность, перпендикулярную лучам. Особенно велико это различие в зимнее время, когда мала высота солнца.

Суточный ход прямой радиации зависит и от широты места: в низких широтах максимум в околополуденные часы выражен значительно резче, чем в высоких. Причина заключается в том, что с приближением к полюсу меньше изменяется высота солнца в течение дня. На полюсах, например, изменение высоты солнца на протяжении суток настолько незначительно, что здесь суточный ход прямой радиации практически отсутствует.

Годовой ход прямой радиации характеризуется изменением среднемесячных полуденных ее значений. Наиболее резко выражен годовой ход прямой радиации на полюсе. В зимнее полугодие солнечная радиация здесь отсутствует, а к моменту летнего солнцестояния может достигать 1,30 кал/см² · мин. На экваторе, наоборот, амплитуда годового хода прямой радиации наименьшая. Кроме того, на экваторе годовой ход прямой радиации имеет вид двойной волны. Максимумы, достигающие 1,32 кал/см² · мин., приходятся на дни весеннего и осеннего равноденствия, а минимумы, составляющие около 0,80 кал/см² мин., – на дни летнего и зимнего солнцестояния. В средних широтах в годовом ходе полуденной прямой радиации максимум должен был бы наблюдаться в момент летнего солнцестояния, когда высота солнца наибольшая, а минимум – в момент зимнего солнцестояния, когда она наименьшая. Это объясняется тем, что в летние месяцы вследствие увеличения содержания в воздухе водяного пара и пыли сильно уменьшается прозрачность атмосферы. Большое значение для сельского хозяйства, строительства и решения ряда технических задач имеют данные о суммах прямой радиации, получаемой горизонтальной поверхностью за сутки, месяц, год. Различают теоретические, возможные и действительные суммы прямой радиации. Теоретической суммой называется количество радиации, поступающее от Солнца за тот или иной промежуток времени на единицу горизонтальной поверхности, находящейся на внешней границе атмосферы [5, с. 94]

Возможной суммой называется количество лучистой энергии, которое поступало бы в данном месте при средней для него прозрачности атмосферы и при полном отсутствии облаков за тот или иной промежуток времени на единичную горизонтальную площадку, находящуюся на земной поверхности.     Действительной суммой прямой радиации называется фактическое ее количество, поступившее за тот или иной промежуток времени на единичную горизонтальную площадку, находящуюся на земной поверхности. Действительные суммы находятся путем обработки записей актинографа или из наблюдений по актинометру с учетом продолжительности солнечного сияния, устанавливаемой по записям гелиографа.

Таблица 2

Суточные суммы прямой радиации в разные дни в Харькове (кал/см²)

В табл. 2 приведены теоретические, возможные и действительные суточные суммы прямой радиации в Харькове в разное время года. Данные табл. 2 указывают, что в ослаблении солнечной радиации большую роль играют атмосфера (даже в ясные дни при средней прозрачности атмосферы земная поверхность получает лишь около 60% солнечной энергии, приходящей на верхнюю границу атмосферы), а также облачность (она значительно уменьшает приход прямой радиации по сравнению с возможными ее суммами).

Наблюдения показывают, что действительные суммы прямой радиации в весенние и летние месяцы незначительно увеличиваются от высоких к низким широтам, за исключением заполярных областей, где они резко уменьшаются. Осенние и зимние суммы значительно убывают с увеличением широты, что приводит также к сильному уменьшению годовых сумм в том же направлении [6, с. 46]

1.2. Рассеянная солнечная радиация

Приход рассеянной радиации на земную поверхность может достигать нескольких десятых долей кал/см² · мин. Наблюдаются следующие зависимости.

1. Чем больше высота солнца, тем больше поток рассеянной радиации.

2. Чем больше в атмосфере рассеивающих частичек, тем большая доля солнечной радиации рассеивается. Следовательно, поток рассеянной радиации увеличивается при увеличении замутненности атмосферы.

3. Поток рассеянной радиации значительно увеличивается при наличии светлых и относительно тонких облаков, представляющих собой хорошо рассеивающую среду. Особенно велико влияние облаков, освещаемых солнцем сбоку (высококучевых, кучевых). Под влиянием такой облачности рассеянная радиация может увеличиваться в 8-10 раз по сравнению с ее приходом при ясном небе. При сплошной облачности среднего и особенно верхнего яруса рассеянная радиация в 1,5-2 раза больше, чем при ясном небе. Только при очень мощной сплошной облачности и при выпадении осадков рассеянная радиация меньше, чем при ясном небе.

4. Приход рассеянной радиации зависит от характера деятельной поверхности, в первую очередь от ее отражательной способности, так как радиация, отраженная от поверхности, вторично рассеивается в атмосфере и часть ее вновь попадает на поверхность, где добавляется к первично рассеянной радиации. Особенно заметно увеличивает рассеянную радиацию снежный покров, отражающий до 70-90% падающих на него прямых и рассеянных лучей. Чем меньше высота солнца, тем сильнее увеличивается рассеянная радиация за счет вторичного рассеивания. Так, снежный покров увеличивает поток рассеянной радиации на 65% при положении солнца у горизонта и на 12% при высоте солнца 50°.

5. С увеличением высоты над уровнем моря рассеянная радиация при ясном небе уменьшается, так как уменьшается толща вышележащих рассеивающих слоев атмосферы. Но при наличии облаков рассеянная радиация в подоблачном слое атмосферы увеличивается с высотой.

Суточный и годовой ход рассеянной радиации при безоблачном небе параллелен ходу прямой радиации. Но утром рассеянная радиация появляется раньше, чем прямая. Затем по мере поднятия солнца над горизонтом она увеличивается, достигает максимума в 12 - 13 часов, после чего начинает уменьшаться и в момент окончания сумерек обращается  в нуль [2, с. 37]

В годовом ходе максимум рассеянной радиации при ясном небе наблюдается в июле, минимум – в январе. Так же прост годовой ход рассеянной радиации при сплошной облачности. Однако описанный суточный и годовой ход рассеянной радиации сильно нарушается и усложняется при переменной облачности.

Суммы рассеянной радиации, приходящей на земную поверхность, за любой промежуток времени определяют по записи регистрирующих приборов или путем расчета по результатам наблюдений в отдельные сроки.

Суточные суммы рассеянной радиации в основном зависят от высоты солнца и продолжительности дня. Поэтому они растут с уменьшением широты и от зимы к лету. Большое влияние на приход рассеянной радиации оказывают прозрачность воздуха и облачность.

Рассеянная радиация играет особенно значительную роль в высоких широтах и в зимние месяцы. Это хорошо видно, например, из табл. 3, в которой наряду с суммами рассеянной радиации (∑ D) приведены для сравнения суммы прямой радиации (∑ S´), приходящей на горизонтальную поверхность.                           

Таблица 3

Сезонные и годовые суммы прямой (на горизонтальную поверхность) и рассеянной радиации (кал/см²)

Как видно из табл. 3, в зимние месяцы суммы рассеянной радиации повсюду больше, чем суммы прямой радиации, особенно в высоких широтах, где в это время даже полуденные высоты солнца невелики. В летнее время рассеянная радиация тоже играет большую роль в районах со значительной облачностью (Якутск, Павловск). В годовых суммах лучистой энергии доля рассеянной радиации в высоких широтах и в районах с большим количеством облаков превышает 50%. Например, в Архангельске она составляет 56%, в Санкт-Петербурге 51% и т. д. [5, с. 57]

1.3.   Суммарная радиация и радиационный баланс 

Суммарная радиация – это сумма прямой (на горизонтальную поверхность) и рассеянной радиации. Состав суммарной радиации, т. е. соотношение между прямой и рассеянной радиацией, меняется в зависимости от высоты солнца, прозрачности, атмосферы и облачности.

1. До восхода солнца суммарная радиация состоит полностью, а при малых высотах солнца – преимущественно из рассеянной радиации. С увеличением высоты солнца доля рассеянной радиации в составе суммарной при безоблачном небе уменьшается: при h = 8° она составляет 50%, а при h = 50° – только 10-20%.

2. Чем прозрачнее атмосфера, тем меньше доля рассеянной радиации в составе суммарной.

3. В зависимости от формы, высоты и количества облаков доля рассеянной радиации увеличивается в разной степени. Когда солнце закрыто плотными облаками, суммарная радиация состоит только из рассеянной. При таких облаках рассеянная радиация лишь частично восполняет уменьшение прямой, и поэтому увеличение количества и плотности облаков в среднем сопровождается уменьшением суммарной радиации. Но при небольшой или тонкой облачности, когда солнце совсем открыто или не полностью закрыто облаками, суммарная радиация за счет увеличения рассеянной может оказаться больше, чем при ясном небе.

Суточный и годовой ход суммарной радиации определяется главным образом изменением высоты солнца: суммарная радиация изменяется почти прямо пропорционально изменению высоты солнца. Но влияние облачности и прозрачности воздуха сильно усложняет эту простую зависимость и нарушает плавный ход суммарной радиации.

Суммарная радиация существенно зависит также от широты места. С уменьшением широты ее суточные суммы увеличиваются, причем, чем меньше широта места, тем равномернее суммарная радиация распределяется по месяцам, т. е. тем меньше амплитуда ее годового хода. Например, в Павловске (φ = 60°) ее месячные суммы составляют от 12 до 407 кал/см², в Вашингтоне (φ = 38,9°) – от 142 до 486 кал/см², а в Такубае (φ = 19°) – от 307 до 556 кал/см². Годовые суммы суммарной радиации также увеличиваются с уменьшением широты. Однако в отдельные месяцы суммарная радиация в полярных районах может быть больше, чем в более низких широтах. Например, в бухте Тихой в июне суммарная радиация на 37% больше, чем в Павловске, и на 5% больше чем в Феодосии.

Непрерывные наблюдения в Антарктиде за последние 7-8 лет показывают, что месячные суммы суммарной радиации в этом районе в самом теплом месяце (декабре) примерно в 1,5 раза больше, чем на таких же широтах в Арктике, и равны соответствующим суммам в Крыму и в Ташкенте. Даже годовые суммы суммарной радиации в Антарктиде больше, чем, например, в Санкт-Петербурге.  Такой значительный приход солнечной радиации в Антарктиде объясняется сухостью воздуха, большой высотой антарктических станций над уровнем моря и высокой отражательной способностью снежной поверхности (70-90%), увеличивающей рассеянную  радиацию [2, с. 215]

Разность между всеми приходящими на деятельную поверхность и уходящими от нее потоками лучистой энергии называется радиационным балансом деятельной поверхности. Иначе говоря, радиационный баланс деятельной поверхности представляет собой разность между приходом и расходом радиации на этой поверхности. Если поверхность горизонтальна, то к приходной части баланса относятся прямая радиация, приходящая на горизонтальную поверхность, рассеянная радиация и встречное излучение атмосферы. Расход радиации слагается из отраженной коротковолновой, длинноволнового излучения деятельной поверхности и отраженной от нее части встречного излучения атмосферы.

Радиационный баланс представляет собой фактический приход, или расход лучистой энергии на деятельной поверхности, от которого зависит, будет ли происходить ее нагревание или охлаждение. Если приход лучистой энергии больше ее расхода, то радиационный баланс положителен и поверхность нагревается. Если же приход меньше расхода, то радиационный баланс отрицателен и поверхность охлаждается. Радиационный баланс в целом, как и отдельные составляющие его элементы, зависит от многих факторов. Особенно сильно на него влияют высота солнца, продолжительность солнечного сияния, характер и состояние деятельной поверхности, замутнение атмосферы, содержание в ней водяного пара, облачность и др.

Мгновенный (минутный) баланс днем обычно положителен, особенно летом. Примерно за 1 час до захода солнца (исключая зимнее время) расход лучистой энергии начинает превышать ее приход, и радиационный баланс становится отрицательным. Приблизительно через 1 час после восхода солнца он снова становится положительным. Суточный ход баланса днем при ясном небе примерно параллелен ходу прямой радиации. В течение ночи радиационный баланс обычно изменяется мало, но под влиянием переменной облачности он может изменяться значительно [10, с. 85]

Годовые суммы радиационного баланса положительны на всей поверхности суши и океанов, кроме районов с постоянным снежным или ледяным покровом, например Центральной Гренландии  и Антарктиды. Севернее 40° северной широты и южнее 40° южной широты зимние месячные суммы радиационного баланса отрицательны, причем период с отрицательным балансом увеличивается в направлении к полюсам. Так, в Арктике эти суммы положительны только в летние месяцы, на широте 60° – в течение семи месяцев, а на широте 50° – в течение девяти месяцев. Годовые суммы радиационного баланса меняются при переходе с суши на море.

Радиационный баланс системы Земля-атмосфера представляет собой баланс лучистой энергии в вертикальном столбе атмосферы сечением 1 см², простирающемся от деятельной поверхности до верхней границы атмосферы. Его приходная часть состоит из солнечной радиации, поглощенной деятельной поверхностью и атмосферой, а расходная – из той части длинноволнового излучения земной поверхности и атмосферы, которая уходит в мировое пространство. Радиационный баланс системы Земля-атмосфера положителен в поясе от 30° южной широты до 30° северной широты, а в более высоких широтах он отрицателен [4, с. 209]

Изучение радиационного баланса представляет большой практический интерес, так как этот баланс является одним из основных климатообразующих факторов. От его величины зависит тепловой режим не только почвы или водоема, но и прилежащих к ним слоев атмосферы. Знание радиационного баланса имеет большое значение при расчетах испарения, при изучении вопроса о формировании и трансформации воздушных масс, при рассмотрении влияния радиации на человека и растительный мир.

Глава 2.   Влияние солнечной радиации на природные и хозяйственные процессы

2.1.   Солнечная радиация и климат

Солнце – это главная сила, управляющая климатической системой и даже самые незначительные изменения в количестве солнечной энергии могут иметь серьезные последствия для климата земли. Солнечная активность увеличивается и уменьшается каждые одиннадцать лет (или, как полагают некоторые специалисты, каждые двадцать два года) солнечного цикла. За последние 3 миллиона лет регулярные колебания количества солнечного света, падающего на поверхность планеты, вызвали серию ледниковых периодов, перемежавшихся короткими теплыми межледниковыми интервалами. В соответствии с гипотезой Миланковича полушария Земли в результате изменения ее движения могут получать меньшее или большее количество солнечной радиации, что отражается на глобальной температуре. За миллионы лет сменилось множество климатических циклов. В конце последнего ледникового периода ледяной покров, в течение 100 тысяч лет сковывавший север Европы и Северной Америки, начал уменьшаться и 6 тысяч лет назад исчез. Многие ученые считают, что развитие цивилизации приходится в основном на теплый промежуток между ледниковыми периодами.

Поступающая на поверхность Земли солнечная радиация является основной энергетической базой формирования климата. Она определяет основной приток тепла к земной поверхности. Атмосфера нагревается, поглощая как солнечную радиацию, так и собственное излучение земной поверхности. Нагретая атмосфера излучает сама. Так же как и земная поверхность, она излучает инфракрасную радиацию в диапазоне невидимых глазу длинных волн. Значительная часть (около 70%) излучения атмосферы приходит к земной поверхности, которая практически полностью ее поглощает (95-99%). Это излучение называется «встречным излучением», так как оно направлено навстречу собственному излучению земной поверхности. Основной субстанцией в атмосфере, поглощающей земное излучение и посылающей встречное, является водяной пар. Помимо водяного пара в состав атмосферы входят углекислый газ (СО₂) и другие газы, которые поглощают энергию в диапазоне волн 7-15 мкм, т.е. там, где энергия земного излучения близка к максимуму. Сравнительно небольшие изменения концентрации СО₂ в атмосфере могут оказать воздействие на температуру земной поверхности. По аналогии с процессами, происходящими в оранжереях, когда проникающая сквозь защитную пленку радиация нагревает землю, излучение которой пленкой задерживается, обеспечивая дополнительный нагрев, этот процесс взаимодействия земной поверхности с атмосферой носит название «парникового эффекта». Явление парникового эффекта позволяет поддерживать на поверхности Земли температуру, при которой возможно возникновение и развитие жизни. Если бы парниковый эффект отсутствовал, средняя температура поверхности земного шара была бы значительно ниже, чем она есть сейчас.

Влияние внешних факторов на глобальную температуру воздуха изучается на основе моделирования. Большинство работ в этом направлении свидетельствуют о том, что в последние 50 лет предполагаемые темпы и масштабы потепления, обусловленные увеличением выбросов парниковых газов, вполне сопоставимы с темпами и масштабами наблюдаемого потепления или превышают их. Изменения концентрации в атмосфере парниковых газов и аэрозолей, изменения солнечной радиации и свойств земной поверхности меняют энергетический баланс климатической системы. Эти изменения выражаются термином «радиационное воздействие», которое используется для сравнения того, как в силу целого ряда человеческих и естественных факторов на глобальный климат оказывается нагревающее или охлаждающее влияние [9, с. 45]

На территории России зимой наибольших значений суммарная солнечная радиация достигает на юге Дальнего Востока, в южном Забайкалье и Предкавказье. В январе крайний юг Приморья получает свыше 200 мДж/м², остальные перечисленные районы – свыше 150 мДж/км². К северу суммарная радиация быстро убывает за счет более низкого положения Солнца и сокращения продолжительности дня. К 60° с.ш. она уже уменьшается в 3-4 раза. Севернее полярного круга устанавливается полярная ночь, продолжительность которой на 70° с.ш. составляет 53 дня. Радиационный баланс зимой на всей территории страны отрицательный.

В этих условиях происходит сильное выхолаживание поверхности и формирование Азиатского максимума с центром над Северной Монголией, юго-востоком Алтая, Тувой и югом Прибайкалья. Давление в центре антициклона превышает 1040 гПа (мбар). От Азиатского максимума отходят два отрога: на северо-восток, где формируется вторичный Оймяконский центр с давлением свыше 1030 гПа, и на запад, на соединение с Азорским максимумом, – ось Воейкова. Она протягивается через Казахский мелкосопочник на Уральск – Саратов – Харьков – Кишинев и далее вплоть до южного побережья Франции. В западных районах России в пределах оси Воейкова давление понижается до 1021 гПа, но остается более высоким, чем на территориях, расположенных севернее и южнее оси.

Ось Воейкова играет важную роль климатораздела. К югу от нее (в России это – юг Восточно-Европейской равнины и Предкавказье) дуют восточные и северо-восточные ветры, несущие сухой и холодный континентальный воздух умеренных широт из Азиатского максимума. К северу от оси Воейкова дуют юго-западные и западные ветры. Роль западного переноса в северной части Восточно-Европейской равнины и на северо-западе Западной Сибири усиливается благодаря Исландскому минимуму, ложбина которого достигает Карского моря (в районе Варангер-фьорда давление составляет 1007, 5 гПа). С западным переносом в эти районы нередко поступает относительно теплый и влажный атлантический воздух. На остальной части Сибири преобладают ветры с южной составляющей, выносящие континентальный воздух из Азиатского максимума. На рис. 3 показано, что над территорией Северо-Востока в условиях котловинного рельефа и минимальной солнечной радиации зимой формируется континентальный арктический воздух, очень холодный и сухой. Из северо-восточного отрога высокого давления он устремляется в сторону Северного Ледовитого и Тихого океанов [10, с. 90]

Рис. 3. Средняя температура воздуха в январе

У восточных берегов Камчатки зимой формируется Алеутский минимум. На Командорских островах, в юго-восточной части Камчатки, в северной части Курильской островной дуги давление ниже 1003 гПа, на значительной части побережья Камчатки давление ниже 1006 гПа. Здесь, на восточной окраине России, область низкого давления расположена в непосредственной близости от северо-восточного отрога, поэтому образуется высокий градиент давления (особенно близ северного берега Охотского моря); холодный континентальный воздух умеренных широт (на юге) и арктический (на севере) выносится на акваторию морей. Преобладают ветры северных и северо-западных румбов. Арктический фронт зимой устанавливается над акваторией Баренцева и Карского морей, а на Дальнем Востоке – над Охотским морем. Полярный фронт в это время проходит южнее территории России. Лишь на Черноморском побережье Кавказа сказывается влияние циклонов Средиземноморской ветви полярного фронта, пути движения которых смещаются с Передней Азии на Черное море в связи с более низким давлением над его просторами. С фронтальными зонами связано распределение осадков.

С наступлением теплого периода резко возрастает роль радиационного фактора климатообразования. Он определяет температурный режим почти на всей территории страны. Наибольших значений суммарная радиация достигает летом в пустынях Прикаспия и на Черноморском побережье Кавказа – в июле 700 мДж/м2. К северу количество солнечной радиации убывает мало, благодаря увеличению продолжительности дня, поэтому на севере Таймыра она составляет в июле 550 мДж/м2, т.е. 80% от радиации, поступающей на юге страны. Летом на всей территории страны радиационный баланс и среднемесячные температуры положительны. Средняя температура июля на самых северных островах Земли Франца-Иосифа и Северной Земли близка к нулю, на побережье Таймыра – немногим более + 2°С, в остальных прибрежных районах Сибири + 4...+ 6°С, а на берегах Баренцева моря + 8...+ 9°С. При движении к югу температура быстро нарастает до +12...+13°С. Южнее нарастание температуры идет более плавно. Максимального значения + 25°С среднеиюльская температура достигает в пустынях Прикаспия и Восточного Предкавказья.

         Летом суша прогревается, давление над ней понижается. Над Забайкальем, югом Якутии и средним Приамурьем давление устанавливается ниже 1006 гПа, а над югом Даурии даже 1003 гПа. По направлению к океанам давление повышается, достигая 1012 гПа над северными акваториями Восточносибирского и Чукотского морей, над Баренцевым морем и западным побережьем Новой Земли. Воздушные массы устремляются вглубь материка. Арктический воздух – холодный и сухой, особенно в восточных районах Арктики. Продвигаясь на юг, он быстро прогревается и удаляется от состояния насыщения. Гавайский (Северотихоокеанский) максимум летом перемещается к северу, приближаясь к дальневосточным границам России, в результате чего возникает летний муссон. На материк поступает морской тихоокеанский воздух умеренных широт, а иногда и тропический. В связи с перемещением Азовского максимума к северу его отрог проникает на Восточно-Европейскую равнину. К северу и востоку от него давление понижается. Летом усиливается западный перенос. С Атлантики на территорию России поступает морской воздух умеренных широт.

Все воздушные массы, приходящие летом на территорию России, трансформируются в континентальный воздух умеренных широт. Над северными морями, восточнее Таймыра над прибрежными районами Сибири возникает арктический фронт. Над горами Южной Сибири проходит Монгольская ветвь полярного фронта, а над центральными районами Восточно-Европейской равнины и Приморьем возникает внутримассовый фронт между морским слабо трансформированным и континентальным воздухом умеренных широт [10, с.  93]

2.2.   Воздействие солнечной радиации на развитие растений и животных

В предыдущей части данной курсовой работы была установлена взаимосвязь между приходящей солнечной радиацией и поверхностью Земли. Благодаря этой взаимосвязи солнечная радиация оказывает активное влияние на самые различные процессы на Земле, в том числе и на ее биосферу. В.И. Вернадский, говоря о факторах, влияющих на развитие биосферы, указывал среди прочих и солнечную радиацию. Так, он подчеркивал, что без космических светил, в частности без Солнца, жизнь на Земле не могла бы существовать. Живые организмы трансформируют солнечное излучение в земную энергию (тепловую, электрическую, химическую, механическую) в масштабах, определяющих существование биосферы. Перерабатывая солнечную энергию, живое вещество преобразует всю нашу планету. В этом смысле можно считать, что происхождение, образование и функционирование биосферы является результатом действия в том числе и солнечной радиации [7, с. 98]

Поступающая на землю часть лучистой энергии солнца передается электромагнитными колебаниями с длиной волн 300...4000 нм. Для растений наибольшее значение имеет область физиологической радиации, оказывающей существенное влияние на процессы фотосинтеза, роста и развития. Из приходящей к растениям физиологической радиации ими поглощается около 80 %, отражается 10 и пропускается 10 %. Для фотосинтеза и в других физиологических процессах растения используют до 6 % поглощенной радиации, остальное количество идет на теплопередачу и транспирацию. Спектральный состав света сильно влияет на характер роста и развития растений. Пигменты растений поглощают радиацию в диапазоне 320...760 нм. Основные максимумы поглощения находятся в сине-фиолетовой и красной, а минимум – в желто-зеленой области спектра. Ультрафиолетовые лучи в значительной степени поглощаются белковыми молекулами, что может привести к их серьезным повреждениям. Еще двумя важными хромофорами, поглощающими ультрафиолетовые лучи, являются эндогенные фитогормоны. Благодаря им ультрафиолетовые лучи влияют на процессы роста и развития – наблюдаются непропорциональный рост органов, нарушение соотношения в росте корня и побега, образование растений с компактным (альпийским) габитусом. Часть ультрафиолетового и синего излучения с длиной волны не более 510 нм поглощается малоизученным пигментом криптохромом. Синий свет поглощается каротиноидами и хлорофиллом, красный – хлорофиллом, красный и дальний красный – фитохромом. Радиация с большей длиной волны уже поглощается не специальными пигментами, а всей поверхностью растения, в результате чего повышается его температура. Это можно наблюдать в посеве: верхние ярусы листьев улавливают и отражают преимущественно свет видимой коротковолновой части спектра; к нижним же листьям проникает в основном длинноволновое излучение, что на фоне ослабленной фотосинтетической деятельности значительно активизирует их дыхание. Под влиянием этого излучения стебли вытягиваются, в результате удлинения междоузлий формируется рыхлая ткань с крупными клетками, легко повреждающаяся при ультрафиолетовом излучении, что часто происходит при высадке выращенной с загущением и переросшей рассады [7, с. 110]

Лучистая энергия, вызывая изменения в ходе физиологических процессов, в конечном итоге является мощным фактором формообразования растений. Продолжительность освещения определяет, а зачастую изменяет внешний вид растения. Так, на коротком (8-10 - часовом) дне растения длинного дня образуют большое число листьев или побегов ветвления, многие виды (салат, рудбекия, редис и т. д.) образуют розетку листьев, стебель их укорочен. Короткодневные растения в этих же условиях низкорослы, число листьев невелико, соцветия (например, метелка у проса, риса) малы, также незначительно и число образующихся семян. При увеличении фотопериода (свыше 14-16 часов) развитие за­держивается, а рост может значительно усилиться, в результате чего зачастую наблюдаются даже такие явления гигантизма, как обилие листьев на длинном стебле, появление множества пазушных побегов, ветвистость колоса, махровость цветков, многопочатковость, увеличение числа и размеров цветков и семян в каждом соцветии. Длина дня влияет на изменение соотношения между надземными и подземными органами, а также регулирует образование стеблевых утолщений, клубней, корнеплодов и луковиц у таких растений, как редис, лук, морковь, картофель, георгины. Так, например, редис и картофель, задерживаясь в развитии на коротком дне, направляют ассимилянты в корнеплод или клубни. В результате селекции отбирались сорта, способные и на длинном дне формировать корнеплод (например, у редиса) или после цветения клубни у картофеля. Длина дня влияет на дифференциацию пола: у конопли на длинном дне половина растений мужских, половина женских, а на коротком дне, когда развитие идет быстрее, половина растений оказываются обоеполыми, а половина – женскими. Короткий день ускоряет формирование женских цветков у огурцов и дынь, а также початков у кукурузы. Сочетание различной длины дня и потока с различным спектральным составом радиации (или с разным соотношением энергии, например, красных и синих лучей в излучении ламп «белого» света) в еще большей мере влияет на морфогенетические изменения.

В темноте или при слабой интенсивности радиации обычно наблюдается этиоляция растений (вытягивание и утоньшение стебля и листьев, усиленное растяжение черешков и т. д.) преимущественно за счет растяжения клеток в длину – процесс, биологически направленный на вынесение органов к свету, как это имеет место, например, у стебля, образующегося в почве при прорастании семян. Свет тормозит вытягивание, причем тем сильнее, чем выше его интенсивность. При одной и той же длине дня в зависимости от спектрального состава света и его интенсивности высота растения и его форма меняются: при слабой интенсивности наиболее компактные и низкорослые растения, хотя и с большим числом листьев, формируются при действии оранжево-красных, а при высоких интенсивно­сти – под влиянием сине-фиолетовых лучей.

При освещении некоторых видов растений только красным светом наблюдалось формирование листьев с более простой по форме и удлиненной пластинкой, с меньшим числом долей (например, у редиса, томатов и др.). Ряд водных растений, которым свойственно явление гетерофилии (листья разной формы), образуют при действии красного или зеленого света лишь лентовидные, простые по форме листья; однако на синем или белом свету развиваются нормальные и более сложные по форме листья. В общем для всех растений необходимо наличие в излучении сине-фиолетовых лучей, без которых в той или иной степени рано или поздно наблюдается ненормальный рост, развитие, аномалии в дифференциации и т. д. Таким образом, лучистая энергия в диапазоне 300-800 ммк является мощным регуляторным фактором, влияющим на изменения формообразовательных процессов [9, с. 201]

Наличие в растениях и их органах ряда фоторецепторных систем, различающихся спектрами поглощения и определяющих тем самым спектры действия процессов и их взаимодействие при облучении белым светом, соз дает основу чрезвычайного разнообразия свойств и признаков растений – признаков, количественное и качественное выражение которых зависит от различных воздействий. Таким образом, самые разнообразные процессы в жизни растений регулируются лучистой энергией, источником которой в естественных условиях является излучаемая Солнцем радиация.

Очень важно и многообразно влияние солнечной радиации на животных. Солнечная радиация оказывает мощное биологическое действие, стимулирует физиологические процессы в организме, изменяет обмен веществ и общий тонус организма. Биологическое действие лучей на организм зависит от длины волны – чем короче волны, тем сильнее их биологическое действие. Наиболее сильное действие оказывают ультрафиолетовые лучи. Они стимулируют белковый, жировой, углеводный и минеральный обмены. Отмечено их действие на функции кроветворения и иммунологические процессы, что обусловливает повышение защитных сил организма. Под воздействием УФЛ в коже животных из провитамина 7-дегидрохолестерина образуется витамин D₃ регулирующий фосфорно-кальциевый обмен и предохраняющий молодых особей от рахита, а взрослых – от остеомаляции.

Большое значение имеет бактерицидный эффект УФЛ, в результате чего происходит обеззараживание воздуха, почвы, воды. Наиболее характерной реакцией организма человека на воздействие УФЛ является развитие пигментации (загар). Передозировка ультрафиолетового облучения может привести к ожогам и раздражению кожи, головным болям, повышению температуры тела.

Инфракрасные лучи обладают тепловым действием. В целях улучшения физиологического состояния, роста, развития и сохранности молодняка, а также создания оптимального температурно-влажностного режима в помещениях в осенний и зимне-весенний периоды года широко используют локальный обогрев инфракрасными лампами. ИК лучи повышают температуру воздуха, прогревают кожу и глубоколежащие ткани, способствуют притоку крови к периферическим кровеносным сосудам, благодаря этому создается тепловой барьер, предупреждающий охлаждение организма. ИК лучи совершенствуют теплорегуляцию и способствуют закаливанию организма молодняка сельскохозяйственных животных [8, с. 67]

Видимый свет обеспечивает ориентацию животных в пространстве, повышает двигательную активность за счет активизации нервно-мышечного тонуса. Видимый свет вызывает раздражение зрительного нерва, возбуждает нервную систему и эндокринные железы и через них действует на весь организм. Под влиянием света у животных усиливается секреция половых желез и стимулируется половая функция. Недостаток света у растущих животных может вызвать необратимые качественные изменения в половых железах, а у взрослых животных снижает половую активность, оплодотворяемость или вызывает временное бесплодие. Так, например, у ремонтных свинок и хряков, выращенных в условиях недостаточной освещенности, масса яичников и семенников на 20-24 % ниже, чем у животных-аналогов, содержащихся в условиях нормальной освещенности.

Содержание хряков-производителей при освещенности 100-150 лк и продолжительности светового дня 9-10 ч положительно влияет на их потенцию и качество спермы. Активность яичников и проявление половой охоты у коров также в значительной степени зависит от светового фактора. Оптимальной для них является 16-часовая освещенность. Практические наблюдения показывают, что коровы, содержащиеся в крайних рядах стойл у окон, быстрее приходят в охоту и оплодотворяются, чем коровы в центральных рядах стойл, где освещенность в 5-10 раз ниже.

Особое значение освещенность помещений имеет для птиц. Использование дифференцированного светового режима, в зависимости от возраста и периода яйцекладки, позволяет обеспечить равномерную круглогодовую яйценоскость. Снижение интенсивности освещения понижает двигательную активность животных, что приводит к более эффективному использованию энергии корма, повышению среднесуточных приростов массы, в связи с чем рекомендуется содержание откармливаемых животных в затемненных помещениях. Однако при этом в мясе накапливается большая доля жира и уменьшается доля белка. В условиях затемнения у животных снижается прочность трубчатых костей. Чрезмерно яркое освещение приводит к повышению агрессивности и каннибализму [9, с. 120]

Учитывая разностороннее влияние солнечной радиации, животных нужно размещать в достаточно светлых помещениях, регулярно предоставлять им моцион, а летом содержать на пастбище или в летних лагерях. Таким образом, под воздействием солнечных лучей повышается общий тонус организма, сопротивляемость его инфекции, естественная резистентность и продуктивность животных.

Заключение

Многие тысячелетия люди воспринимали лишь видимую часть волнового излучения Солнца. Позднее было обнаружено, что Солнце излучает не только видимый, но и невидимый простым глазом свет, а также заряженные частицы. Было установлено, что солнечная радиация способна преобразовать атмосферу Земли и взаимодействовать с ее поверхностью.

Подводя итог к данной курсовой работе что, солнечная радиация сильно влияет на Землю только в дневное время, безусловно – когда Солнце находится над горизонтом. Также солнечная радиация очень сильна вблизи полюсов, в период полярных дней, когда Солнце даже в полночь находится над горизонтом. Показано, что сумма радиации, полученной небесным телом, зависит от расстояния между планетой и звездой – при увеличении расстояния вдвое количество радиации, поступающее от звезды на планету уменьшается вчетверо (пропорционально квадрату расстояния между планетой и звездой). Таким образом, даже небольшие изменения расстояния между планетой и звездой (зависит от эксцентриситета орбиты) приводят к значительному изменению количества поступающей на планету радиации.

Радиационный баланс, например, на самых северных островах России отрицательный; в материковой части изменяется от 400 мДж/м2 на крайнем севере Таймыра до 2000 мДж/м² на крайнем юге Дальнего Востока, в низовьях Волги и Восточном Предкавказье. Максимального значения (2100 мДж/м²) радиационный баланс достигает в Западном Предкавказье. Радиационный баланс определяет то количество тепла, которое расходуется на многообразные процессы, протекающие в природе. Следовательно, близ северных материковых окраин России на природные процессы, и прежде всего на климатообразование, расходуется в пять раз меньше тепла, чем у ее южной окраины.

Однако гораздо более сильно количество поступающей солнечной радиации зависит от смен времён года – в настоящее время общее количество солнечной радиации, поступающее на Землю, остаётся практически неизменным, но на широтах 65° северной широты (широта северных городов России, Канады) летом количество поступающей солнечной радиации более чем на 25% больше, чем зимой. Это происходит из-за того, что Земля по отношению к Солнцу наклонена под углом 23,3 градуса. Зимние и летние изменения взаимно компенсируются, но тем не менее по росту широты места наблюдения всё больше становится разрыв между зимой и летом, так, на экваторе разницы между зимой и летом нет. За Полярным кругом летом поступление солнечной радиации очень высоко, а зимой очень мало. Это формирует климат на Земле. Кроме того, периодические изменения эксцентриситета орбиты Земли могут приводить к возникновению различных геологических эпох: к примеру, ледникового периода. Факторы, влияющие на биогеохимические процессы и на климат Земли, определяются ее пространственным расположением относительно Солнца (наклон земной оси к плоскости орбиты Земли), расстоянием Земли от Солнца, условиями прохождения солнечных лучей и главным образом процессами, происходящими на Солнце, которые называют в целом солнечной активностью. Основой солнечно-земных связей является влияние солнечной активности на неустойчивость технических процессов, которые проходят на Земле, в ее атмосфере и околоземном космическом пространстве.

В результате проделанной работы выявлены основные выводы:

    1. Поступающая на Землю прямая солнечная радиация и отраженная от земной поверхности рассеянная солнечная радиация, являются основными источниками энергии на планете.

         2. Солнечная радиация, поставляющая на Землю тепло и свет, имеет важнейшее значение в генезисе климата, представляя собой основную причину почти всех метеорологических  явлений и процессов, происходящих на земной поверхности и в атмосфере.

    3. Солнечная радиация – один из важных факторов жизнедеятельности растений и животных, в значительной степени определяющий их продуктивность.

Список литературы

1. Шульгин И.А. - Солнечная радиация и растение.  СПб.: Гидрометиздат, 2005. - 234 с.

2. Кузнецов В.Н, Идлис Г.М., Гущина В.Н. - Естествознание. М.: Агар, 

2006. - 358 с.

3.  Мамонтов Г.С., Захаров В.Б. - Общая биология. М.: Высшая школа,

2003. - 366 с.

4. Ку-Нан Лиоу. - Основы радиационных процессов в атмосфере, СПб.: Гидрометиздат, 2000. - 217 с.

5. Никифоров Г.С. -  Психология здоровья, СПб.: Питер, 2003. - 255 с.

6. Шаров В.Б. - Здоровье и радиация, Челябинск: Урало-Сибирский Дом экономической и научно-технической литературы, 2002. - 189 с.

7. Катонов В.И.,  Плиниев С.Г. - О сельском хозяйстве, М:. Л. Сельхозгиз, 2010. - 302 c.

8. Марков, В.М.  - Овощеводство, М.: Колос; Издание 2-е, перераб., 

2005. - 512 c.

9. Вракин В.Ф., Сидорова М.В, - Морфология с/х животных. М.: «Агропромиздат», 2005. - 539с.

10. Оболенский В.Н., - Метеорология, М.: Гидрометеиздат, 2004. - 638с.