Нагревание почвы солнечными лучами зависит от географической широты места, сезона и др. Почва поглощает тепло и нагревается летом, отдает тепло и охлаждается зимой. Аналогичный теплооборот, но в меньшем масштабе, происходит днем и ночью. Для атмосферных явлений, в том числе для климата, температура поверхности почвы (так же, как и океанов) очень важна, ибо зависит от нагревания подстилающей поверхности.
На температуру почвы заметное влияние оказывает снежный покров. Наблюдения, проведенные в Антарктиде в январе 1958 г. на станции Восток (расположенной на 78° ю. ш., на 3,5 км выше уровня моря), показали, что температура снега на глубине 8 м была —57,9°, а на глубине 12 м —57,3°. Последняя, видимо, близка к средней годовой, так как колебания здесь уже должны затухнуть;
Большое значение имеет солнечная радиация для здоровья людей. Необходимо располагать данными о суточном и годовом ходе радиации в том или ином районе, о максимальных и средних значениях и т. д. С этой целью на курортах оборудуются специальные актинометрические станции, ведущие постоянные наблюдения.
Существенно важно также знать радиационный режим при строительстве городов. Необходимо так размещать и ориентировать здания, чтобы они хорошо освещались Солнцем. Однако это совсем не простая задача: максимальные суммы радиации не всегда совпадают с летними месяцами.
Солнечная энергия используется в народном хозяйстве непосредственно. Можно без преувеличения сказать, что с тех пор как существует человечество, существует и идея использования солнечной энергии. В последнее время эта проблема становится все более актуальной и конкретной. Естественно, что солнечные установки имеет смысл ставить там, где велик приход солнечной энергии и много безоблачных дней. Суть использования солнечной энергии состоит в преобразовании ее в тепловую и электрическую. Самый простой способ преобразования солнечной энергии в тепловую — это создание так называемого горячего ящика, в основе которого лежит оранжерейный эффект стекла.
Ящик из дерева или бетона покрывают сверху стеклом — одним или в несколько слоев, а металлическое дно закрашивают черной краской. Солнечная радиация проходит почти без поглощения через стекло и нагревает дно примерно до 70–90°. Когда стекло многослойно, температура воздуха в ящике может достигать 200°. Но в этом случае возрастают и потери тепла. Существует и другой метод, основанный на концентрации солнечной энергии с помощью зеркальных отражателей, собирающих лучи в фокус. Разработано несколько видов конструкций в зависимости от формы отражателя — чаши, корыта. Тело, помещаемое в фокусе зеркала, может нагреваться до 3000–4000 °C. В таких установках, называемых солнечными печами, проводятся физико-химические исследования тугоплавких материалов.
В электрическую энергию солнечная преобразуется получением термоэлектричества и фотоэлектричества. При этом эффективно используются батареи из полупроводников. Солнечные фотоэлектрические батареи нашли большое применение на искусственных спутниках Земли. На третьем советском искусственном спутнике Земли впервые были установлены такие батареи. Когда спутник проходил в солнечных лучах, питание радиопередатчика шло от солнечных батарей. Одновременно происходила подзарядка электрохимических батарей для снабжения спутника электроэнергией во время его движения в земной тени. Они оказались вполне надежными источниками электроэнергии. Использование солнечной энергии будет особенно успешным на орбитальных обсерваториях и в будущем при изучении других планет.
Облака
Процесс перехода пара в жидкое состояние в атмосфере и на земной поверхности называется конденсацией, а превращение пара непосредственно в твердое состояние (без жидкой фазы) — сублимацией. По-разному идет процесс конденсации в очищенном от примесей воздухе и при их наличии. Лабораторные опыты показали, что в чистом воздухе капельки воды начинают образовываться только при 6—8-кратном пересыщении паром в результате объединения молекул водяного пара. Атмосфера Земли всегда содержит множество гигроскопических частиц, которые и становятся ядрами конденсации. На них активно сгущается водяной пар при относительной влажности около 100 % и менее. Для того чтобы водяной пар в атмосфере начал конденсироваться, необходим ряд условий: существование ядер конденсации, понижение температуры воздуха до определенных значений, обусловленное охлаждением деятельной поверхности и прибегающих слоев воздуха, соприкосновение теплого воздуха с холодной деятельной поверхностью, смещение двух масс воздуха с разной температурой и поднятие воздуха.
Соприкасясь с холодной почвой, воздух охлаждается и в зависимости от ряда условий образует росу, иней, жидкий или твердый налет, кристаллическую изморозь. Роса и иней чаще всего появляются осенью в ясные или малооблачные ночи при слабом ветре. В местах с повышенной влажностью роса и иней наиболее обильны. Роса дает дополнительную влагу растениям, за одну ночь роса образует в среднем слой воды в 0,1–0,3 мм.
Выпадение переохлажденного дождя или мороси на холодную поверхность может привести к возникновению гололеда — слоя прозрачного или мутного льда, образующегося на поверхности Земли. Обычное время формирования гололеда осень или ранняя весна, когда температура воздуха близка к 0–5°. Скопление капель или кристаллов (или тех и других вместе), взвешенных в воздухе, непосредственно над поверхностью Земли создает туман. При тумане горизонтальная видимость становится менее 1 км. Туман состоит из капелек воды. Известны частые морские туманы, например, у берегов Ньюфаундленда, у места встречи теплого Гольфстрима с холодным Лабрадорским течением. Туманы также наблюдаются в дальневосточных морях нашей страны — Японском и Охотском в условиях смыкания теплого Цусимского течения с холодным Приморским. Возникают туманы над незамерзающими участками морей, озерами, реками, болотами. Городские туманы (особенно в крупных и промышленных городах) распространяются обычно на значительные расстояния от границ города. Но за городом они реже. Так, в Москве число дней с туманами в несколько раз больше, чем в пригородах. Больше всего туманов бывает в ночные часы и меньше всего — после полудня. Над материками туманы чаще осенью, а над морями и океанами — весной.
Разрабатывается ряд методов для искусственного создания и рассеяния тумана, чтобы защитить растения от заморозков. С этой целью в воздух нужно ввести ядра конденсации (гигроскопические кислоты или соли), на них образуются капельки воды, т. е. туман. Рассеяние тумана особенно важно для авиации. Для этого предложено несколько методов. Например, можно нагревать воздух над взлетно-посадочной площадкой. Другой способ состоит в воздействии на туманы охлаждающими веществами, например твердой углекислотой. При этом окружающий воздух быстро охлаждается, водяной пар кристаллизуется на частицах и выпадает в виде ледяных кристаллов. А в толще тумана за счет этого образуются достаточно большие просветы, необходимые для взлета или посадки самолета. Хотя эти методы и дорогостоящие, по работа и поиск наиболее эффективных из них продолжается.
Видимое скопление продуктов конденсации и сублимации в свободной атмосфере — это и есть облако. Такое «сухое» определение означает удивительное по красоте и разнообразию явление, имеющее очень большое значение. Ведь именно из облаков выпадают дождь и снег, в них возникают грозы, с ними связан приток лучистой энергии, а значит, и тепло Земли, воды и самого воздуха. Облака отличаются от туманов тем, что образуются в более высоких слоях, чаще всего при восходящих потоках воздуха.
Облака различны не только по виду, но и по строению. Различают три основных класса облаков: кучевые, волнистые и слоистые. Это подразделение основано на условиях, при которых они возникают. Поэтому исследование форм облаков имеет очень большое значение для знания состояния атмосферы и прогноза погоды, в частности осадков.
Кучевые облака при относительно небольшой горизонтальной протяженности сильно развиты по вертикали. Своим происхождением они обязаны восходящим движениям воздуха. В отличие от кучевых волнистые облака распространены по горизонтали — это барашки, валы и гряды, порожденные волнообразными движениями воздуха. Сплошной слой пелены, горизонтальное распространение которой на один-два порядка превосходит вертикальную мощность, — это слоистые облака. Как видно из определения облаков, данного вначале, они состоят из мелких капелек воды или кристаллов льда. Поэтому различают ледяные и водяные облака. Бывают и смешанные облака, т. е. состоящие одновременно из переохлажденых капель и кристаллов.
Наблюдения, произведенные на 6-километровой высоте над Москвой, показали, что переохлаждение бывает часто и при температурах ниже —25° — его вызывают чисто кристаллические облака. Исследованиями облаков с самолетов удалось установить, что водяные капли в них различны по размерам. Замечены так называемые крупные, переходные к каплям осадки, имеющие уже определенную скорость падения. Водяные облака в 1 см3 содержат до 100–800 капель, а в слоистых облаках их может быть больше 400 и только в крупнокапельных вершинах кучевых облаков всего 40–50 капель в 1 см3.
