Актинометрия

Актинометрия, раздел геофизики, в котором изучаются перенос и превращения излучения в атмосфере, гидросфере и на поверхности Земли; в узком смысле слова А. — совокупность методов измерений радиации Земли в метеорологии. Источником энергии процессов, происходящих на Земле и в атмосфере, является Солнце. При прохождении коротковолновой радиации Солнца (электромагнитное излучение в области длин волн 0,3—3 мкм) через атмосферу Земли, в верхних слоях происходят химические реакции, ионизация, диссоциация молекул; поглощение радиации, главным образом озоном, водяным паром и земной поверхностью приводит к нагреванию атмосферы. С другой стороны, Земля, как всякое нагретое тело, излучает энергию в мировое пространство. Приход-расход энергии излучения атмосферы и подстилающей поверхности является конечной причиной появления различных климатических зон на Земле и смены погоды. В связи с этим основной задачей А. является количественное и качественное исследование прямой, рассеянной и отражённой солнечной радиации, длинноволновой радиации земной поверхности и атмосферы, радиационного баланса атмосферы, разработка приборов и методов измерений превращений лучистой энергии в атмосфере, гидросфере и на земной поверхности. А. тесно связана с атмосферной оптикой и спектроскопией, имеет много общего с гелиофизикой, физикой высоких слоев атмосферы и физикой приземного слоя. Результаты экспериментальных и теоретических работ по А. применяют в климатологии, сельском хозяйстве и промышленности, в медицине, архитектуре, транспорте, в аэрологии и метеорологии.

  Развитие А. началось ещё в 17 в. Первые измерения солнечного тепла (в некоторых относительных единицах) были произведены английским учёным Э. Галлеем в 1693. В 1896 русский учёный Р. Н. Савельев впервые провёл измерения прямой солнечной радиации с воздушного шара, положив этим начало актинометрическим исследованиям в свободной атмосфере. Однако лишь после создания пиргелиометра (1887) и пиргеометра (1905) шведским учёным К. Ангстремом и биметаллического актинометра (1905) русским физиком В. А. Михельсоном исследования солнечной и земной радиации приобрели строго количественный характер.

  История нового периода А. в России тесно связана с именем С. И. Савинова и Павловской обсерваторией. В СССР в 1925 при Главной Геофизической обсерватории (ГГО) была создана постоянная актинометрическая комиссия под руководством которой началось расширение сети актинометрических станций. ГГО — одна из старейших обсерваторий мира, практически руководит в СССР всеми работами в области актинометрических измерений на поверхности Земли и климатологических исследований теплового баланса. Впервые в СССР в 1948 в ГГО начались радиационные измерения с самолёта. Обширные исследования в области А. проводились в Центральной Аэрологической обсерватории и Ленинградском государственном университете.

  С 1954 в ФРГ, США, СССР и в Японии начались исследования свободной атмосферы при помощи актинометрических радиозондов (АРЗ) — приборов, поднимаемых на одной-двух небольших оболочках до 30—35 км и дающих распределение по высоте нисходящих и восходящих потоков длинноволновой радиации и эффективного излучения с достаточной для решения многих задач геофизики точностью. С 1963 впервые в мире в СССР начала работать сеть актинометрического радиозондирования, проводящая регулярные выпуски АРЗ. Кроме того, актинометрические исследования свободной атмосферы при помощи АРЗ проводят с кораблей погоды и в Антарктиде.

  Теоретические работы в А. охватывают широкий круг задач, в особенности вопрос о связи радиации с температурой атмосферы, облачностью, изменениями погоды и климата. Ведущее место среди исследований связи радиации с облачностью занимают работы Физики атмосферы института АН СССР, а по теории климата — ГГО и Гидрометеорологического научно-исследовательского центра СССР.

  Особенно большие возможности получила А. в связи с запуском искусственных спутников Земли (ИСЗ). По измерениям радиации в области 8—12 мкм, где атмосфера слабо влияет на излучение земной поверхности, определяют радиационную температуру этой поверхности, что позволяет устанавливать во многих случаях наличие или отсутствие облачности; измерения уходящей коротковолновой (отражённой) и длинноволновой радиации дают баланс системы Земля — атмосфера, который играет большую роль при климатологических исследованиях. Возможности спектральных радиационных исследований с ИСЗ вызвали постановку так называемых обратных задач А., в которых по результатам измерений энергий излучения делается попытка найти температурный профиль атмосферы и распределение её основных поглощающих компонентов (водяного пара, углекислого газа, озона) по высоте. Эти задачи поставили новые проблемы в математике, спектроскопии, технике актинометрического приборостроения и теории переноса лучистой энергии, что явилось новым толчком для развития А.

  Большую роль в развитии А. играет объединение усилий ряда стран при проведении исследований по международным программам в периоды Международного года спокойного Солнца, Международного года геофизического сотрудничества, Международного геофизического года и т. д. Основные материалы по А. публикуются в журналах по физике атмосферы, аэрологии и метеорологии, в трудах научно-исследовательских организаций.

  Лит.: Кондратьев К. Я., Актинометрия, Л., 1965; Хргиан А. Х., Очерки развития метеорологии, т. 1, 2 изд., Л., 1959; Янишевский Ю. Д., Актинометрические приборы и методы наблюдений, Л., 1957; Главная геофизическая обсерватория им. А. И. Воейкова за 50 лет Советской власти, Л., 1967; Кондратьев К. Я., Борисенко Е. П., Морозкин А. А., Практическое использование данных метеорологических спутников, Л., 1966.

АКТИНОМЕТРИЯ — раздел метеорологии, изучающий лучистую энергию в условиях атмосферы.

Так как основным источником энергии процессов, происходящих на Земле и в атмосфере, являет­ся Солнце, то главную задачу А. составляет ко­личественное и качественное исследование прямой солнечной радиации, непосредственно доходя­щей до поверхности Земли, а также радиации, рассеянной молекулами атмосферного воздуха и различными твёрдыми и жидкими примесями в воз­духе (рассеянная или диффузная радиация). Кроме того, А. изучает собственное длинноволновое излу­чение земной поверхности и атмосферы (см. Земное излучение). А. также изучает процессы ослабления радиации в атмосфере и'географическое распределе­ние баланса лучистой энергии. Наконец, одной из важнейших задач А. является разработка новых конструкций измерительных приборов для всех указанных видов радиаций.

Начало актинометрич. измерениям было положено в 1838 Пулье (Франция). Современная научная А. берёт начало от работ русского физика О. Д. Хволъсона, сконструировавшего в 1890 совершенный по тому времени актинометр в Магнитно-метео-рологйч. обсерватории в Павловске, под Петербур­гом. В дальнейшем история русской и советской А. была тесно связана с Павловской обсерваторией, являвшейся до последнего времени ведущим науч­ным учреждением в этой области не только в СССР, но и во всём мире.

Развитие А. в основном шло в направлении:

1)     конструирования актинометров (относительных приборов для измерения прямой солнечной радиации) и пиргелиометров  (абсолютных приборов для той же цели), приборов для измерения других видов радиации (рассеянной, эффективного излучения земной поверхности), альбедо  и пр., а также са­мопишущих приборов с автоматич. регистрацией;

2)     организации сети актинометрич. станций, ве­дущих наблюдения однотипными приборами и по определённой программе, и 3) климатология, интер­претации полученных материалов. Рассмотрение развития А. в' указанных направлениях позволяет наиболее полно вскрыть сё содержание.

После актинометра О. Д. Хвольсона в 1896 К. Анг­стрем (Швеция) построил на термоэлектрич. прин­ципе компенсационный пиргелиометр, показания к-рого, па основании закона Джоуля-Ленца, можно переводить в калории (за единицу времени на еди­ницу площади), принятые за меру интенсивности радиации. Прибор Ангстрема в настоящее время применяется в качестве стандартного в СССР и Зап. Европе. В США в качестве стандартного принят водоструйный пиргелиометр Смитсониапского ин-та (1912). В 1905 русский физик В. А. Михельсон скон­струировал биметаллический актинометр, являю­щийся до сих пор непревзойдённым образцом про­стого и точного прибора и распространённый во всех странах мира. Актинометр Михельсона, построенный на принципе изгиба биметаллической пластинки под действием солнечных лучей, нуж­дается в градуировке по пиргелиометру. Имеется ряд других конструкций актинометров. В 1912 русский геофизик С. И. Савинов в Павловской обсерватории сконструировал первый удачный самопишущий при­бор актинограф, дающий возможность непрерыв­но регистрировать изменения интенсивности ра­диации.

С 1919 появляются приборы для измерения ин­тенсивности рассеянной радиации — пиранометры  (Ангстрем 1919, С. И. Савинов 1922). Наибо­лее удачным из них является пиранометр Ю. Д. Яни-шевского (Павловская обсерватория). Однако обще­признанного стандартного пиранометра до сих пор не существует.

С 20-х гг. были также начаты работы по конструи­рованию пиргеометров — приборов для измере­ния интенсивности т. н. эффективного или ночного излучения, представ­ляющего собой разность собственного излучения земной поверхности и встречного излучения атмо­сферы. В 1933 М. А. Аганиным (Одесса) был скон­струирован эфирный конденсационный п и р г е ог р а ф, позволяющий определять сумму потерянного за ночь тепла. В 20-х гг., с распространением фото­элементов, возникла идея их использования для измерений интенсивности различных спектральных участков радиации (видимого, сине-фиолетового, уль­трафиолетового). Однако фотоэлементы неудобны для применения в естественных (нелабораторных) усло­виях, и показания отдельных экземпляров'их мало сравнимы. Более надёжными, хотя и достаточно грубыми, являются измерения спектральной интен­сивности при помощи актинометров со светофильт­рами. Абсолютно точные данные этого рода даёт спектроболограф, но он требует особой тщатель­ности измерений и не применим в повседневной практике.

Вследствие того, что интенсивность и спектраль­ный состав солнечной радиации и баланс лучистой энергии изменяются в зависимости от географиче­ских условий (поскольку ими определяются высота солнца, долгота дня, климат и др.), необходима организация сети актинометрич. станций, аналогич­ной сети метеорологич. станций обычного типа. Создателем советской актинометрия, сети явился проф. И. Н. Калитин.

В связи с возросшей потребностью в актинометрич. данных для нужд с. х-ва, курортов, строительства жилых и заводских помещений, транспорта и авиа­ции возникла необходимость в общем научном ру­ководстве работой сети станций. С этой целью в 1925 при Главной геофизической обсерватории была соз­дана Постоянная актинометрическая комиссия, воз­главленная Н. Н. Калитиным. Возрос также объём актинометрич. работ в Павловской обсерватории, вследствие чего в 1924 было организовано актино­метрич. отделение, преобразованное затем (в 1930) в Институт актинометрии и атмосферной оптики. Организация работы и руководства сетью, актино­метрич. станций в СССР была признана образцовой в международном масштабе. В настоящее время в СССР имеется значительное число станций, веду­щих систематические актинометрич. наблюдения по одвотшшымпрограммам. Материал паблюденийс 1925 до начала Великой Отечественной войны публико­вался в бюллетенях Постоянной актинометрич. ко­миссии; он даёт большие возможности для изучения радиационного климата СССР и для решения ряда теоретич. вопросов А.

Ценный материал получен рядом актинометрич. экспедиций Главной геофизической обсерватории и Академии наук СССР на Эльбрус, в Среднюю Азию, во время актинометрических наблюдений па судах в Северном Ледовитом океане, в тропических мо­рях и при кругосветных плаваниях (В. А. Берёзкин, В. С. Самойленко и др.). а также рядом специаль­ных актинометрических экспедиций для наблюдения солнечных затмений (1927—П. И. Калитин; 1936— В. А. Берёзкин, М. В. Былов, 10. Д. Янпшевский, А. Н. Гордов).

Тяжёлый удар советской А. был нанесён немецко-фашистскими захватчиками, разрушившими при от­ступлении Павловский институт. В настоящее вре­мя актинометрические наблюдения в СССР возобно­вились па расширенной базе; создаётся и новый актинометрический центр. Среди зарубежных стран большую сеть актинометрич. станций имеют США. В Зап. Европе актинометрич. наблюдения и исследо­вания проводятся преимущественно в крупных мете­орология, обсерваториях, равнинных и высокогор­ных.

Обширный материал, получаемый актинометрич. станциями и экспедициями, подвергается тщатель­ной и глубокой обработке. Статистическая обработка результатов актинометрич. наблюдений позволяет установить такие характеристики радиационного климата места наблюдений, как максимальные и минимальные величины интенсивности отдельных видов радиаций, суточный и годовой ход интенсив­ности, а также суточные, сезонные н годовые суммы тепла радиации и потери тепла излучением. Эти данные о радиационном климате представляют боль­шую ценность при разрешении многих вопросов с.-х. планирования, поскольку радиационные усло­вия определяют длину вегетационного периода и особенности его протекания. Изучение баланса лу­чистой энергии приобретает особое значение для го­сударственных мероприятий по борьбе с засухой в ряде районов СССР. Соотношение между прямой и рассеянной радиацией и спектральный состав радиации, т. е. распределение энергии по участкам спектра с различной длиной волн, представляют большой интерес для курортологии. При проекти­ровании и строительстве городов и отдельных соору­жений особое значение приобретает так называемый световой к л п м а т, т. е. данные о количестве и интенсивности энергии видимой части спектра и их вариациях в зависимости от времени года и усло­вий погоды.

Актиномотрнч. наблюдения используются также для теоретических исследований. Одной из важных проблем этого рода является определение солнеч­ной постоянной (см.), т. е. интенсивности солнеч­ной радиации па границе земной атмосферы. В этой области А. тесно соприкасается с астрофизи­кой (см.) и с физикой Солнца (гелиофизикой). Ве­личина солнечной постоянной вычисляется на осно­вании точных спектроболомотрических измерений интенсивности радиации в различных участках сол­нечного спектра при различных высотах Солнца. Вследствие трудности спектроболометрических изме­рений предложен ряд косвенных методов для опреде­ления солнечной постоянной из наблюдений над суммарным потоком прямой радиации (Н. П. Кали­тин, 1919), из наблюдений со светофильтрами (В. Г. Фесепков, 1931) или из определений прозрачности атмосферы для различных длин воли, по яркости неба около Солнца с помощью пиранометра и т. д. В СССР определения Н. Н. Калитина и В. Г. Фесенкова дали результаты, близкие к результатам спектроболометрич. измерений.

Знание солнечной постоянной позволяет систе­матически изучать прозрачность земной атмосферы для радиации. Атмосфера является мутной средой для проходящего солнечного луча и обладает изби­рательным (в зависимости от длины волны) поглоще­нием и рассеянием. Прозрачность атмосферы для радиации является величиной переменной, завися­щей от времени года, погоды и географич. условий; поэтому для изучения влияния атмосферы на ра­диацию (оптических свойств атмосферы) требуются систематич. сетевые наблюдения. В СССР изучением оптич. свойств атмосферы занимались И. П. Кали­тин, И. И. Тихапопский, В. Г. Каетров, В. Г. Фесеп­ков, И. А. Хвостиков, В. В. Шулейкин, А. П. Гор­дов и др.

В последнее время выявилось еще одно направле­ние теоретич. работ в области А. — исследование проблемы озона. Резкий обрыв солнечного спек­тра в ультрафиолетовой части, наблюдаемый на Земле, не соответствует температуре Солнца и может быть объяснён только поглощением ультра­фиолетовой радиации озоном в стратосфере. Из этого по измерениям интенсивности ультрафиолетовой части спектра можно судить о количестве озона в стратосфере над местом наблюдения, о его верти­кальном распределении и вариациях. Это, в свою очередь, позволяет решять ряд вопросов, связан­ных с тепловым балансом атмосферы, поскольку озон имеет широкие полосы поглощения не только в ультрафиолетовой, но и в инфракрасной частях спектра.

Лит.: Калягин II. П., Актинометрия. Л.—М., 1038; его ж е. Лучи Солнца. \Т.—Л., 1947; его ж е, Развитие актинометрических работ в СССР за последние 30 лет, «Известии Акад. наук СССР. Серия географи­ческая и геофизическая», 1347, т. 11, Д» 5; О б о л с н­с к и й В. Н., Курс метеорологии, М.—Свердловск, 1944; Тверской П. И., Курс геофизики. 3 изд., Л.—М., 1 936.