Диффузное излучение неба – это солнечное излучение, достигающее поверхности Земли после рассеяния от прямого солнечного луча молекулами или частицами в атмосфере . Его также называют излучением неба , определяющим процессом изменения цвета неба . Примерно 23% прямого падающего излучения от общего количества солнечного света удаляется из прямого солнечного луча путем рассеяния в атмосфере; из этого количества (падающего излучения) около двух третей в конечном итоге достигает Земли в виде рассеянного фотонами излучения небесного света. [ нужна цитата ]
Преобладающими процессами радиационного рассеяния в атмосфере являются рассеяние Рэлея и рассеяние Ми ; они эластичны , а это означает, что фотон света может отклоняться от своего пути, не поглощаясь и не меняя длину волны.
Под пасмурным небом нет прямого солнечного света, и весь свет возникает в результате рассеянного излучения небесного света.
На основании анализа последствий извержения филиппинского вулкана Пинатубо (июнь 1991 г.) и других исследований: [2] [3] Рассеянный свет в крыше, благодаря своей внутренней структуре и поведению, может освещать листья под пологом, позволяя больше эффективный общий фотосинтез всего растения, чем был бы в противном случае; это резко контрастирует с эффектом совершенно ясного неба с прямыми солнечными лучами, которые отбрасывают тени на листья подлеска и тем самым ограничивают фотосинтез растений верхним слоем кроны (см. Ниже).
Атмосфера Земли рассеивает коротковолновый свет более эффективно, чем более длинноволновый. Поскольку длина волны короче, синий свет рассеивается сильнее, чем более длинноволновый свет, красный или зеленый. Следовательно, в результате, глядя на небо вдали от прямых солнечных лучей , человеческий глаз воспринимает небо как голубое. [4] Воспринимаемый цвет аналогичен цвету монохроматического синего цвета (с длиной волны 474–476 нм ), смешанного с белым светом, то есть ненасыщенным синим светом. [5] Объяснение синего цвета, данное Рэлеем в 1871 году, является известным примером применения анализа размерностей для решения физических задач; [6] .
Рассеяние и поглощение являются основными причинами ослабления солнечного излучения атмосферой. Рассеяние меняется в зависимости от отношения диаметров частиц ( частиц в атмосфере) к длине волны падающего излучения. Когда это отношение меньше одной десятой, происходит рэлеевское рассеяние . (В этом случае коэффициент рассеяния изменяется обратно пропорционально четвертой степени длины волны. При больших отношениях рассеяние меняется более сложным образом, как описано для сферических частиц теорией Ми . ) Законы геометрической оптики начинают применяться при более высоких отношениях. соотношения.
Ежедневно в любом месте по всему миру, где наблюдается восход или закат , большая часть солнечного луча видимого солнечного света достигает поверхности Земли почти по касательной . Здесь путь солнечного света через атмосферу удлиняется так , что большая часть синего или зеленого света рассеивается от линии воспринимаемого видимого света. Это явление оставляет солнечные лучи и освещаемые ими облака, окрашенные в обильную оранжево-красную окраску, которую можно увидеть, глядя на закат или восход солнца.
На примере Солнца в зените , среди бела дня небо голубое из-за рэлеевского рассеяния, в котором также участвуют двухатомные газы N2и О2. На закате и особенно в сумерках поглощение озоном ( O
3) существенно способствует сохранению голубого цвета вечернего неба.
Под пасмурным небом практически нет солнечного света , поэтому весь свет представляет собой рассеянное небо. Поток света не сильно зависит от длины волны, поскольку размер облачных капель превышает длину волны света и рассеивает все цвета примерно одинаково. Свет проходит сквозь полупрозрачные облака, словно матовое стекло . Интенсивность колеблется (примерно) от 1/6 прямого солнечного света для относительно тонких облаков до 1/1000 прямого солнечного света под самыми толстыми грозовыми облаками . [ нужна цитата ]
Одно из уравнений для полной солнечной радиации: [7]
где H b - интенсивность излучения луча, R b - коэффициент наклона для излучения луча, H d - интенсивность рассеянного излучения, R d - коэффициент наклона для диффузного излучения и R r - коэффициент наклона для отраженного излучения.
R b определяется как:
где δ — склонение Солнца , Φ — широта, β — угол от горизонтали, а h — угол солнечного часа .
R d определяется как:
и R r :
где ρ — отражательная способность поверхности.
Извержение филиппинского вулкана Пинатубо в июне 1991 года выбросило в воздух около 10 км 3 (2,4 кубических миль) магмы и «17 000 000 метрических тонн » (17 тераграммов ) диоксида серы SO 2 , в результате чего общее количество SO 2 увеличилось в десять раз. 2 , как пожары в Кувейте в 1991 году , [8] в основном во время взрывного плинианского/ультра-плинианского события 15 июня 1991 года, создавшего глобальный стратосферный слой дымки SO 2 , который сохранялся в течение многих лет. Это привело к падению средней глобальной температуры примерно на 0,5 ° C (0,9 ° F). [9] Поскольку вулканический пепел быстро выпадает из атмосферы, [10] негативные последствия для сельского хозяйства, последствия извержения были в основном немедленными и локализованы на относительно небольшой территории в непосредственной близости от извержения, что вызвано образовавшимся толстым пепловым покровом. [11] [12] Однако в глобальном масштабе, несмотря на снижение общего солнечного излучения на 5% за несколько месяцев и сокращение количества прямых солнечных лучей на 30%, [13] не было никакого негативного воздействия на мировое сельское хозяйство. [2] [14] Удивительно, но наблюдалось 3-4-летнее [15] увеличение глобальной производительности сельского хозяйства и роста лесного хозяйства, за исключением регионов бореальных лесов . [16]
Средством открытия было то, что первоначально наблюдалось загадочное снижение скорости заполнения атмосферы углекислым газом (CO 2 ), которое отображено в так называемой « кривой Килинга ». [17] Это заставило многих учёных предположить, что снижение произошло из-за понижения температуры Земли, а вместе с этим и замедления дыхания растений и почвы , что указывает на пагубное воздействие слоя вулканической дымки на мировое сельское хозяйство. [2] [14] Однако в ходе исследования снижение скорости наполнения атмосферы углекислым газом не соответствовало гипотезе о том, что скорость дыхания растений снизилась. [18] [19] Вместо этого выгодная аномалия была относительно прочно [20] связана с беспрецедентным увеличением роста / чистой первичной продукции , [21] глобальной растительной жизни, что привело к увеличению эффекта поглотителя углерода в результате глобального фотосинтеза. [2] [14] Механизм, благодаря которому стало возможным увеличение роста растений, заключался в том, что 30%-ное сокращение прямого солнечного света также может быть выражено как увеличение или «усиление» количества рассеянного солнечного света. [2] [18] [22] [14]
Этот рассеянный световой свет, благодаря своей внутренней природе, может освещать листья под пологом , обеспечивая более эффективный общий фотосинтез всего растения , чем это было бы в противном случае, [2] [14] , а также увеличивая испарительное охлаждение с растительных поверхностей. [23] Напротив, при абсолютно чистом небе и прямом солнечном свете, который исходит от него, тени отбрасываются на листья подлеска , ограничивая фотосинтез растений верхним слоем кроны. [2] [14] Этот рост глобального сельского хозяйства из-за слоя вулканической дымки также естественным образом является результатом воздействия других аэрозолей, которые не испускаются вулканами, таких как загрязнение «умеренно густой дымовой нагрузкой», поскольку тот же механизм, «аэрозоль за обоими стоит прямое радиационное воздействие. [16] [24] [25]
