Поглощение и рассеяние солнечного излучения в гелиотеплице атмосферными газами

Известно, что вступая в атмосферу, сначала в её разреженные, а затем более плотные слои, солнечный луч по пути до поверхности Земли значительно ослабляется вследствие рассеивания и поглощения атмосферой.

При прохождении солнечного излучения сквозь земную атмосферу его интенсивность снижается за счет поглощения и рассеяния молекулами сухого воздуха, называемого релеевским рассеянием (если частица значительно меньше длины волны, то рассеяния называется релеевским); поглощения и рассеяния пылью; селективного поглощения водяным паром (), окисью углерода () и углекислым газом ().

В работе рассматриваются вопросы рассеяния поглощения и излучение трехатомных газов.

Основными рассеивателями реллеевского типа в атмосфере являются молекулы газа. Если размер частицы больше примерно 1/10 длины волны, то теория Релея оказывается непригодной, и для объяснения этого явления, необходимо было более полной теории, которая была создана Г. А. Ми. Теория Ми за время своего существования значительно развилась и нашла применение в различных областях науки и техники [1].

Рассеяние света частицами, радиус которых превышает  длины волн падающего света, называется рассеянием Ми. По мере роста отношения размера частиц к длине волны происходит постепенный переход от релеевского рассеяния к рассеянию Ми, которое характеризуется сложной зависимостью интенсивности рассеянного света от угла наблюдателя, а это возрастает с увеличением размера частиц относительно длины волны. Когда размеры частиц велики по сравнению с длиной волны света, зависимость величины рассеяния от длины волны становиться малой, подтверждением этому служит белый свет обыкновенных облаков и голубое небо.

Следовательно, важными параметрами рассеяния частицами являются длина волны, состояние поляризации подающего излучения, размер и показатель преломления частиц, а также угол, под которым наблюдается рассеянное излучение. Особое которое играет важную роль в рассеянии на частицах, а также такому существенному параметру, как показатель преломления. Выразим отношение размера частиц к длине вольны через безразмерный параметр  определяемый как

                                                                                                                        (1)

Где -длина волны в среде, окружающей частицу. Видно, что  представляет собой произведение радиуса частицы на волновой вектор  используемый в волновой теории света.

Необходимо отметить, что самым важным контролирующим фактором в рассеянии Ми является не размер частиц и не длина волны, а именно их отношение, или относительный размер, введенный в (1). Отличительная черта этой теории заключается в ее способности описывать точно и исчерпывающе рассеяние на частицах любых размеров. Поэтому теория Ми является критерием для любой другой теории или приближения.

В составе атмосферы земли кроме азота () кислорода (), Аргона (); — двуокись углерода () и водяные пары (), особенно при повышенной абсолютной влажности воздуха составляют значительные величины.

Как много на земле водяного пара, можно судить на основе факта, что более ¾ поверхности Земли покрыто водой. Смешиваясь с воздухом при испарении и перемещаясь под подвижным резервуаром энергии для метеорологических процессов. Уникальная способность воды запасать и высвобождать энергию особенно хорошо видна из ее теплофизических характеристик: Удельная теплоёмкость  ккал/кг °С; Теплота плавления  ккал/кг; теплота парообразования  ккал/кг.

При прохождения Солнечного луча через атмосферного слоя толщиной  согласно закону Бугера-Беера происходит непрерывное уменьшение его интенсивности.

Газы с симметричным строением молекул, такие, как , ,  не относятся к сильно поглощающим или излучающим веществом. Наиболее важными для техники газами с несимметричной структурой являются многие газы, но наибольшее практическое значение имеет  и . При поглощении солнечного излучения трехатомными газами определяющим фактором является не только длина пути поглощения 1 но и число молекул, встречающихся на пути луча т.е их концентрация. При заданной температуре концентрацию можно заменить парциальным давлением .

Поэтому интенсивность излучения - после прохождения пути 1 запишется в виде [1, 2]:

                                                                                                            (2)

Поглощательная способность  при длине волны находиться в виде

                                                                                             (3)

Где -коэффициент ослабления среды.

В основу методики определения интегральной поглощательной способности  и  положены номограммы в [3].

Солнечная радиация подающая на поверхность гелиотеплицы при прохождения через стеклянное покрытие, поглощалась смесью газов внутри гелиотеплицы, которые определяли по формуле [3].

                                                                                          (4)

где -поправка на перекрытие полос поглощения  и . Суммарная поглощательная способность смеси газов составил , а интенсивность проникающей солнечной радиации во внутрь гелиотеплицы в зимний период составляет 250÷350 Вт/м², при длину пути луча  м в 1 м² основанием в объеме теплицы дополнительно аккумулируется 54,6 Вт или же 14,67 Вт тепловой энергии в 1 м³ объеме гелиотеплице.

Литература:

1.                          Поток энергии солнца и его измерения. под. ред. о. Уайта М: и «Мир» 1980. -555 стр.

2.                          Кутателадзе С. С. основы теории теплообмена М: -1979. -416 стр.

3.                          Крейт Ф. Блек У. Основы теплопередачи. М: «Мир»-1983. -510 стр.