Солнечная радиация является основным источником тепловой энергии почти для всех природных процессов, происходящих в атмосфере и на поверхности земли, а также одним из главных климатообразующих факторов. Приход солнечной радиации к любой точке земной поверхности определяется прежде всего астрономическими факторами — продолжительностью дня и высотой солнца. Продолжительность дня зависит от широты места и вычисляется по времени восхода и захода солнца. За время восхода (захода) солнца принимается момент появления над горизонтом (исчезновения под горизонтом) верхнего края диска солнца.

 

На рис. 2 продолжительность дня и ночи в Вологде представлена графически, а в табл. 1 приложения приведено время восхода и захода солнца и продолжительность дня. Самый продолжительный день в Вологде 22 июня (день летнего солнцестояния) длится 18 ч 37 мин, самый короткий 22 декабря — 6 ч 04 мин (день зимнего солнцестояния). В период весеннего (21 м а р та ) и осеннего (23 сентября) равноденствий день равен ночи.

Переход ото дня к ночи (от света к тьме) и обратно совершается постепенно и называется сумерками. Период сумеречного освещения, достаточного для производства работ на открытом воздухе и в помещении у окна, называется гражданским и сумерками. Границами гражданских сумерек являются, с одной стороны, моменты восхода и заход а солнца, с другой — глубина погружения солнца за горизонт на 6— 7° (табл. 1 приложения). Продолжительность сумерек изменяется в течение года, увеличиваясь от 49 мин в марте до 137 мин в июне, к сентябрю продолжительность их снова уменьшается до 48 мин. С середины первой декады июня и до конца месяца вечерние и утренние сумерки сливаются и наблюдаются так называемые «белые ночи».

Положение солнца на небосклоне определяется высотой и азимутом. Высота солнца над горизонтом — это угол, образуемый солнечными лучами при падении на горизонтальную поверхность. Самая большая высота солнца (54°) наблюдается в полдень в июне, самая малая (7°)— в декабре. Азимут — угол между плоскостью меридиана и вертикальной плоскостью , проходящей через солнце,— определяет, с какой стороны падают солнечные лучи. Азимут солнца обычно отсчитывают в обе стороны от направления на юг.

 

На рис. 3 схематически (сплошными линиями) изображен путь солнца по небу на 15-е число каждого месяца. Азимут солнца отложен на окружности влево и вправо от направления на юг, высота — по радиусу к центру. С рисунков можно снять приближенные значения высоты и азимута в любой момент времени и в любой день. Например, 15 июня в 13 ч высота солнца равна 53°, азимут 24°, 15 сентября в 9 ч — высота 41°, а азимут 60°. Н а рис. 3 также можно проследить, что место восхода и захода солнца смещается в летние месяцы на север, а в зимние на юг. Так, в июле солнце всходит на северо-востоке, а заходит на северо-западе, в декабре всходит на юго-востоке, а заходит на юго-западе.

2.1. Продолжительность солнечного сияния

Одной из важнейших характеристик радиационного режима является продолжительность солнечного сияния.

Для записи солнечного сияния служит гелиограф универсальной (полярной) модели. Этот прибор несколько преуменьшает данные о солнечном сиянии, так как не всегда регистрирует сияние при малой высоте солнца над горизонтом из-за слабого напряжения радиации.

Различают возможную и фактическую продолжительность солнечного сияния. Возможная (теоретическая) продолжительность в данном пункте равна продолжительности дня. Действительная же продолжительность солнечного сияния зависит от количества и характера облачности, прозрачности атмосферы , степени закрытости горизонта.

При безоблачном небе возможная продолжительность солнечного сияния за год на широте Вологды составила бы 4129 ч. Фактически же солнце светит здесь в среднем 1693 ч в году, что составляет 41 % возможной продолжительности солнечного сияния (табл. 2, см. стр. 16). Отношение (в процентах) наблюдавшейся продолжительности сияния к возможной дает представление о сравнительной ясности неба в данном пункте.

В Вологде минимальная продолжительность солнечного сияния наблюдается в декабре (13 ч), что объясняется наименьшей продолжительностью дня и наибольшей повторяемостью пасмурного неба. С января продолжительность солнечного сияния начинает увеличиваться, особенно резко она увеличивается весной. В апреле солнце уже светит в среднем 187 ч, а в мае 264 ч. Летом, в июле, продолжительность солнечного сияния достигает наибольших значений (292 ч), но нередко максимум смещается на май или июнь, а в отдельные годы — на апрель или август. Осенью с уменьшением продолжительности дня и увеличением повторяемости пасмурной погоды продолжительность солнечного сияния заметно уменьшается: до 124 ч в сентябре и 55 ч в октябре. В отдельные годы количество часов солнечного сияния может значительно отличаться от среднего значения (см. табл. 2).

Число дней без солнца, т. е. таких дней, в которые солнечные лучи в дневное время не достигают поверхности из-за облачности, характеризует условия освещенности. Наибольшее число дней без солнца (25) наблюдается в декабре, наименьшее (1)— в июле.

Летом при безоблачной погоде солнце светит с 3 ч утра до 21 ч вечера, зимой с 8 ч до 15— 16 ч (табл. 2 приложения ). В суточном ходе отмечается увеличение количества солнечного сияния от утра к полудню с максимумом в период с 12 до 14 ч. В мае и августе максим ум смещается на 9— 10 ч, в июне — на 10— 12 ч, что связано с характером суточного распределения облачности. Наиболее часто солнце светит непрерывно по 2— 6 ч. Весной нередко возможна непрерывная продолжительность солнечного сияния до 8— 12 ч, а летом до 14— 18 ч.

 2.2. Солнечная радиация

Данные о радиационном режиме города приводятся по материалам актинометрических наблюдений ст. Вологда, Молочное за период 1953— 1958 гг.

Суммы радиации до недавнего времени выражали в калориях на квадратный сантиметр в час, сутки, месяц и год. В новой Международной системе СИ сумма радиации выражается в килоджоулях и мегаджоулях на квадратный метр ( к Дж / м2, МДж / м2). Переход от прежних единиц к единицам системы СИ производится при помощи следующих соотношений:

 

К земле солнечная энергия приходит в виде прямой S и рассеянной D солнечной радиации и излучения атмосферы.

Прямая радиация поступает на земную поверхность параллельным пучком лучей, идущих непосредственно от диска солнца. Она измеряется на поверхности, перпендикулярной направлению солнечных лучей. Прямая радиация, приходящая на горизонтальную поверхность, вычисляется по формуле.

где h — высота солнца над горизонтом.

Часть солнечной радиации рассеивается в атмосфере молекулами атмосферных газов, аэрозолям и и поступает к земной поверхности в виде рассеянной радиации . Прямая и рассеянная paдиации вместе составляют суммарную радиацию Q. Суммарная радиация в основном определяется высотой солнца над горизонтом, продолжительностью дня, облачностью, прозрачностью атмосферы и альбедо подстилаю щей поверхности.

 Возможный годовой приход суммарной радиации в Вологде составляет 5543 МДж / м2, из них на прямую радиацию приходится 4345 МДж / м2 (табл. 3). Облачность снижает количество прямой радиации в 2,7 раза и увеличивает количество рассеянной более чем в 1,5 раза. В результате при реальных условиях облачности приход суммарной радиации составляет в среднем 3352 М Дж / м 2, что на 40% меньше возможной годовой суммы (табл. 4). Доли прямой и рассеянной радиации в суммарной радиации в течение года могут меняться в широких пределах. В течение большей части года преобладает рассеянная радиация, и только с мая по июль вклады прямой и рассеянной радиации в суммарную выравниваются (табл. 5).

За летний сезон поступает почти половина (47 %) годового значения суммарной радиации, а в центральные зимние месяцы (ноябрь — январь) — всего 3 %

В годовом ходе максимум суммарной радиации (582 МДж / м2) приходится на июль, минимум (25 МДж / м2) — на декабрь. Максимум прямой радиации (298 МДж / м2) так же наблюдается в июле, а минимум (4 МДж / м2) смещается на январь. В отдельные годы в зависимости от облачности и прозрачности атмосферы соотношение прямой и рассеянной радиации , общий приход суммарной радиации могут значительно отличаться от средних значений (табл. 6). Так, в июле при средней сумме суммарной радиации, равной 582 МДж / м 2, максимальное значение ее составило 682 МДж / м2, мин имальное 503 МДж / м2.

Часть приходящей солнечной радиации отражается земной поверхностью — это отраженная радиация R, остальная часть поглощается, превращаясь в тепло,— это поглощенная радиация Вк. Отражательная способность поверхности характеризуется альбедо А — отношением (в процентах) отраженной радиации к суммарной: А = R/Q*100 . Альбедо естественных поверхностей отличается большим разнообразием (табл. 7). Наибольшим альбедо обладает снежный покров. Но в зависимости от влажности и цвета снега оно изменяется от 85— 90 % (свежевыпавший снег) до 30 % (тающий ). Наименьшее альбедо (12— 19 % ) имеют высохшая трава и подзолистые почвы. Поэтом у в годовом ходе альбедо хорош о выражены зимний максимум (50— 75 % ) и летний минимум (22— 23 % ) , которые противоположны  максимуму и минимуму в годовом ходе суммарной радиации.

 Значение отраженной радиации зависит в основном от суммарной радиации, а также от характера подстилающей поверхности. В годовом ходе суммарной радиации отмечается один максимум — летом, альбедо же имеет обратный ход, поэтому годовой ход отраженной радиации имеет более сложный характер. С января количество отраженной радиации увеличивается, достигая максимума (189 МДж / м2) в марте. Весной в период таяния снега оно резко уменьшается, несмотря на рост суммарной радиации. С мая количество отраженной радиации снова увеличивается, так как суммарная радиация продолжает расти, а альбедо изменяется очень мало. В июле наблюдается вторичный максимум (134 МДж / м2), который несколько меньше первого. Затем количество отраженной радиации постепенно уменьшается, достигая минимума в декабре. В среднем за год отраженная радиация составляет 31 % суммарной.

Поглощенная радиация определяется по формуле Вк= Q ( 1 —Ак). О на так же зависит от суммарной радиации и альбедо подстилающей поверхности. Годовой ход поглощенной радиации повторяет годовой ход суммарной радиации с максимумом (453 МДж / м2) в июне и минимумом (8 МДж / м2) в декабре.

 Разность между приходом и расходом солнечной радиации называется радиационным балансом. Радиационный баланс может быть положительным или отрицательным. При положительном балансе (апрель — октябрь) земная поверхность получает больше тепла, чем отдает излучением. Полученное тепло расходуется на нагревание почвы, воздуха, испарение. При отрицательном радиационном балансе (ноябрь — март) преобладает излучение и земная поверхность охлаждается. Период наблюдений над радиационным балансом в Вологде так короток, что в табл. 4 приведены сведения только о его составляющих.

Суточный ход солнечной радиации определяется прежде всего изменением высоты солнца в течение дня. Поэтом у максим ум солнечной радиации как при наличии облачности, так и при ясном небе наблюдается в полдень.

2.3. Радиационный режим вертикальных поверхностей

Важное значение при оценке как энергетических потребностей города, так и инсоляции помещений имеет учет количества радиационного тепла, поступающего на стены зданий. Закономерности поступления солнечной радиации на стены зданий в различных районах СССР исследованы 3. И. Пивоваровой [22]. Д ля условий Вологды возможную продолжительность облучения стен каждой основной ориентации (С, Ю, В и 3 ) можно определить по табл. 8, в которой приведено время начала и конца облучения прямой солнечной радиацией южных и северных стен для открытого горизонта в случае безоблачного неба на 15-е число каждого месяца.

Стены южной, восточной и западной ориентации освещаются прямыми солнечными лучам и в течение всего года, стены северной ориентации — только с апреля по сентябрь (табл. 9).

Наилучшие условия облучения прямыми солнечными лучами имеют стены южной ориентации, максимум продолжительности их возможного облучения (11,6 ч) обмечается в марте и сентябре (11,7 ч), минимум (6,2 ч)— в декабре (табл. 8). Возможная продолжительность облучения восточных и западных стен одинакова. Максимальная продолжительность их облучения (9,2 ч) наблюдается в июне, минимальная (3,1 ч)— в декабре. Наибольшая возможная продолжительность освещения северных стен (8,5 ч) наблюдается в июне, наименьшая (1,1 ч)— в сентябре. Фактическая продолжительность освещения солнечными лучами стен всех ориентаций максимальна летом и составляет 5,7— 6,5 ч для южных стен (57— 63 % возможной ), 3,9— 4,7 ч — для западных и восточных стен (45- 52 % возможной ) и 1,3 - 2,9 ч. Для северных стен (28— 37 % возможной ).

 Одной из основных характеристик радиационного режима стен зданий является количество солнечной радиации (табл. 10). В целом за год наибольшее количество солнечной радиации приходит на южные стены. Максимальное значение ее отмечается в марте (Q = 402 МДж/м2 , S= 249 МДж / м2) благодаря высокой прозрачности атмосферы в это время, большому числу ясных дней и достаточно большой продолжительности светлого времени суток. Затем количество радиации, особенно прямой, уменьшается, второй максимум суммарной радиации наблюдается в июле, а прямой радиации — в августе ( Q = 3 5 8 М Дж/м2, S= 165 МДж / м2). С сентября по март южные стены получают прямой радиации больше, чем горизонтальная поверхность: в марте и сентябре в 1,5— 2 раза, с ноября по февраль в 4— 8 раз. Летом горизонтальная поверхность получает прямой радиации больше, чем южные стены.

 Большую часть года доля рассеянной и отраженной радиации в суммарной, поступающей на южные стены, соизмерима с прямой, только в июне — июле она преобладает, а в ноябре — декабре — меньше прямой.

В целом за год на юго-восточные и юго-западные стены приход солнечной радиации несколько меньше, чем на южные за исключением периода май — июль, когда соотношение становится обратным. На восточные и западные стены за год поступает меньше солнечной радиации , чем на южные, юго-восточные и юго западные. Только с мая по июль количество получаемой ими радиации сравнимо с количеством, приходящим на стены южных ориентаций. Северные стены получают только половину суммарной радиации и лишь 6 % прямой, приходящейся на южные стены. Северо-восточные и северо-западные стены облучаются прямой радиацией с марта по октябрь и за год получают ее в 4 раза меньше, чем южные стены.

На вертикальные стены одновременно с прямой солнечной радиацией поступает рассеянная и отраженная от земной поверхности радиация. Вместе они составляют суммарный приход радиации. Вклад рассеянной радиации особенно значителен в осенне-зимнее время, а в сентябре — марте северные стены и в ноябре — феврале северо-восточные (северо-западные) стены освещены только за счет рассеянной и отраженной радиации.