Солнечная радиация представляет собой поток электромагнитного излучения, который несёт энергию от Солнца к нашей планете. Это фундаментальный процесс, обеспечивающий жизнь и климатические условия на Земле.
Мощность и путь солнечной энергии
Солнце генерирует колоссальное количество энергии, однако до Земли доходит лишь её ничтожная часть — примерно одна двухмиллиардная доля от общего излучения. Несмотря на это, мощность достигающего нас потока огромна и измеряется миллиардами калорий в минуту. Основная часть этого излучения не достигает поверхности, а отражается обратно в космическое пространство.
Защитные механизмы атмосферы
Атмосфера Земли играет роль сложной защитной системы. Земля отражает наиболее опасные для живых организмов лучи. Ключевую функцию в этом выполняет озоновый слой, расположенный на высоте 10–30 километров. Он не только поглощает вредное ультрафиолетовое излучение, но и задерживает часть теплового излучения от поверхности планеты, создавая так называемый парниковый эффект, который критически важен для поддержания комфортной температуры. Интересно, что при увеличении интенсивности солнечной радиации концентрация озона также возрастает, усиливая его согревающее действие.
На своём пути солнечные лучи также встречают другие препятствия: водяной пар, углекислый газ и мельчайшие частицы пыли в атмосфере. Этот естественный «фильтр» поглощает, рассеивает и отражает значительную часть излучения. Особенно высокой отражательной способностью обладают облака. В итоге, поверхность планеты получает лишь около двух третей радиации, прошедшей сквозь озоновый экран. Часть этой энергии также отражается, что зависит от свойств поверхности — например, снег обладает наибольшей отражательной способностью (альбедо).
Энергетический баланс и измерение
Солнечная постоянная — это величина энергии (около 2 калорий в минуту), которую получает квадратный сантиметр поверхности, расположенный перпендикулярно солнечным лучам на верхней границе атмосферы. В целом, на поверхность Земли ежесекундно поступает колоссальное количество энергии, превышающее 100 000 калорий на квадратный сантиметр в минуту. Эта энергия поглощается растительностью, почвой, водами морей и океанов, преобразуясь в тепло, которое движет глобальными климатическими процессами.
Радиация достигает поверхности разными путями: напрямую от Солнца (прямая радиация), в рассеянном виде от небосвода и облаков (диффузная радиация) и в виде теплового излучения от нагретой атмосферы (длинноволновая радиация). Прямая и рассеянная радиация, вместе составляющие суммарную (интегральную) радиацию, наблюдаются только в дневное время. Энергия, которая остаётся после отражения от поверхности, называется поглощённой радиацией. Для её точного измерения используются специальные приборы — актинометры (от греческого «актинос» — луч).
Использование солнечной энергии человеком
В последние десятилетия проблема использования практически неисчерпаемой солнечной энергии приобрела особую актуальность. Человечеству необходимо научиться эффективно собирать и преобразовывать этот дар природы в удобные для применения формы энергии. В нашей стране этими исследованиями активно занимается, например, Институт солнечной энергии в Ашхабаде.
Уже созданы различные виды гелиоустановок (от греческого «гелиос» — солнце), задача которых — сконцентрировать рассеянную солнечную энергию. Для этого применяются системы больших зеркал, например, параболоидные, способные в фокусе создавать температуру до 3600°C. Такая температура позволяет плавить практически любые металлы, а «солнечная плавка» обеспечивает высочайшую чистоту получаемых сплавов, открывая новые перспективы в материаловедении.
Практическое применение солнечной энергии уже стало реальностью: в мире работают солнечные опреснители воды, водонагреватели, сушильные установки. Разработаны компактные «солнечные кухни» для использования в пустынных и отдалённых регионах. Более того, вся энергетика искусственных спутников Земли, космических кораблей и орбитальных станций полностью основана на преобразовании солнечной радиации.