Радиация и бюджет энергии

Режим излучения и бюджет энергии определяются климатом как напрямую, так и опосредованно через режим испарения, образования облаков и осадки, а также местные или глобальные влияния на температуры.

1. Количество радиации и радиационный баланс

Общее количество излучения солнечной энергии на земную поверхность называют суммарной (глобальной) радиацией. Она подразделяется на прямую и рассеянную и благодаря отражению и поглощению атмосферой в средних широтах составляет только около половины интенсивности излучения, измеренного в направлении Солнца за пределами атмосферы («солярная константа» = около 1400 Вт • м 2). Около половины суммарной радиации приходится на область видимого излучения (длина световой волны 380 — 780 нм), что в значительной степени соответствует спектральной области фотосинтетически активного излучения в области длин волн от 380 до 710 нм (от англ. photosynthetic active radiation — PAR, PhAR — в основном характерна для области с длинами волн 400— 700 нм; Вт м 2). Так как фотосинтетически активное излучение (см. 6.4.1, бокс 6.2) состоит из фотонов (частиц света), имеющих различную энергию (нагрузку квантов; синие — энергетически бої атые, красные — энергетически бедные), нейтральными нефильтрующими сенсорами излучения в первую очередь будут всегда улавливаться коротковолновые, богатые энергией спектральные области. Так называемые фотонные датчики фильтруют свет, и все фотоны в области между 400 и 700 нм регистрируются примерно равноценно и таким образом становятся фотонными счетчиками. Благодаря прямым стехиометрическим связям между абсорбированными фотонами в области спектра 400 — 700 нм и фотосинтетической фиксации С02, в биологии за стандарт принята плотность фотонного потока (от англ.

Диффузные компоненты суммарной радиации проникают в растительные сообщества сушественно лучше (глубже), чем прямое излучение, создаюшее резкие тени. Растения в зависимости от формы и размера листьев могут повышать долю диффузной радиации в сообществе (например, хвоя или тонкие перистые листья акаций увеличивают долю рассеянного света). Часть суммарной радиации будет отражаться от поверхности, на которую она падает, и на это отражение растительный покров оказывает существенное влияние. Отражение от пустынных кустарников со светлыми листьями составляет около 20 % радиации, от елового леса — лишь 10 %, от голой почвы — до 30%, а от свежевыпавшего снега — до 80 % радиации. Оставшаяся часть, радиационный баланс, представляет собой то количество энергии, которое абсорбируется листьями и, соответственно, сообществом (рис. 13.1). Днем это количество всегда имеет положительное значение, ночью — нулевое

К Тг IR G

Рис. 13.1. Энергетический баланс листа.

За вычетом отраженной (R), излученной (IR) и использованной для фотохимических процессов (Ph) энергии большая часть падающей суммарной радиации (G), энергия радиационного баланса (S), должна быть отдана листом, так как его масса слишком мала, чтобы аккумулировать существенную энергию. В зависимости от водоснабжения она может либо расходоваться на теплоту испарения (транспирацию, Тг, «неощутимый поток тепла»), либо уходить в воздух через конвективную отдачу (К, «ощутимый поток тепла»)

или отрицательное. Отрицательный ночной радиационный баланс возникает благодаря собственному термическому излучению.

Все тела (даже газы) излучают термическую энергию пропорционально четвертой степени их абсолютной температуры. Баланс этого теплового излучения зависит от температуры находящихся напротив или окружающих тел. Теплое тело в холодном окружении излучает больше, чем воспринимает. Для растений при ясном небе в светлую ночь потеря теплоты путем излучения в холодное окружающее пространство значительна, и температура листьев охлаждается на 3 — 5 К по сравнению с воздухом, что может привести к их переохлаждению (К, Кельвин, для разницы температур независимо от «градусной» шкалы). Облачность или туман препятствуют этому эффекту.