Абакумова Г.М., Горбаренко Е.В., Незваль Е.И., Шиловцева О.А. Климатические ресурсы солнечной энергии Московского региона

Оглавление

Введение (отрывок)

Солнечная радиация – главный источник энергии для всех физических процессов в атмосфере, океане и на поверхности суши. Соотношение прихода-расхода солнечной энергии, излучения атмосферы и подстилающей поверхности является важнейшим фактором формирования и изменения погоды и климата, причиной появления различных климатических зон. Современные оценки изменений климата, проводимые с помощью многопараметрических теоретических моделей, невозможны без учёта процессов переноса солнечной радиации в реальной атмосфере.

Солнечная энергия обуславливает жизнедеятельность организмов, возникновение облаков и осадков, перенос воздушных масс, оказывает влияние на условия существования и деятельность человека.

Данные о солнечной энергии используются для решения различных прикладных задач: при выборе оптимальных для данного района сельскохозяйственных культур и сроков проведения земледельческих работ; при расчёте теплового баланса зданий и работы систем кондиционирования воздуха; при анализе процессов старения различных материалов; при учёте влияния радиации на тепловое состояние человека. Солнечная радиация определяет режим естественной освещённости земной поверхности, информация о которой необходима при планировании расходов электроэнергии, проектировании различных сооружений и организации работы транспорта [77, 90].

Знания о спектральном составе солнечной радиации применяются в астрофизике, биологии, сельском хозяйстве, медицине, аэрофотосъемке, светотехнике и т.д. [36, 76, 116]. Со спектральным распределением солнечной энергии тесно связаны проблемы определения видимости далёких предметов и восприятия цветов и красок ландшафта. Неоценимо его значение и в изучении структуры и состава земной атмосферы.

В связи с актуальностью проблемы использования естественных ресурсов природной среды необходима оценка климатических ресурсов солнечной радиации – одного из основных возобновляемых источников энергии, использование которого не сопровождается вредным воздействием на окружающую среду [117]. В данной работе под климатическими ресурсами солнечной энергии понимаются основные параметры распределения суммарной интегральной, ультрафиолетовой, фотосинтетически активной радиации разного временного масштаба интегрирования в безоблачной и облачной атмосфере, а также метеорологических характеристик, ее определяющих: облачности и продолжительности солнечного сияния.

Для решения всех этих задач большое значение имеют регулярные наблюдения за приходом солнечной радиации в различных районах земного шара.

В Москве первые эпизодические наблюдения за прямой солнечной радиацией были начаты в 1881 г. в метеорологической обсерватории Петровской сельскохозяйственной академии (ныне Московская сельскохо-зяйственная академия им.К.А.Тимирязева – ТСХА) [19]. Наблюдения проводились с помощью одного из первых актинометрических приборов – радиационного термометра. Инициатором этих наблюдений, приложивїшим много сил для организации обсерватории, был её первый директор (1879-1885 гг.), профессор кафедры земледелия А.А.Фадеев. Там же в 1889 г. под руководством профессора Р.А.Колли ассистент Н.П.Мышїкин с 1 июня по 23 октября проводил непрерывную регистрацию прямой и рассеянной радиации актинографом Ришара и получил первые оценки сумм суммарной радиации [21]. Привязка к абсолютной шкале осуществлялась по пиргелиометру Крова. Параллельно с актинографом проводились наблюдения по актинометру Араго–Дэви. Именно этот прибор был основным до 1909 года.

Неудивительно, что наблюдения за солнечной радиацией были начаты в учреждении, связанном с сельским хозяйством. Уже тогда пришло понимание того, что исследование солнечной радиации имеет не только научное, но и практическое значение: "Кроме общенаучного значения, она (солнечная радиация – прим. авт.) представляет еще значительный практический интерес для сельского хозяина, так как известно, что главнейшая физиологическая функция растения, его питание: обусловливается энергией солнечных лучей" [21].

В 1889 г. в обсерватории Петровской сельскохозяйственной академии были начаты наблюдения за продолжительностью солнечного сияния (ПСС), которые продолжаются до настоящего времени. Наблюдения за ПСС в Москве проводились также с 1881 г. в Магнитно-метеоїролоїгичесїкой обсерватории при Межевом институте, организованной в 1853 г. и просуществовавшей до 1932 г.

Кроме обсерватории Петровской сельскохозяйственной академии в 1904–1914 гг. актинометрические наблюдения по радиационным термо-метрам в Москве эпизодически проводились в метеорологической обсерватории МГУ профессором Э.Е.Лейстом – вначале во дворе универси-тета на Моховой, затем на Пресне [19].

Однако наблюдения по радиационному термометру и актинометру Араго–Дэвине отличались большой точностью и давали только самые общие представления о солнечной радиации.

Самым значительным событием для актинометрии в целом и для развития актинометрических наблюдений в Москве в частности было изо-бретение в 1906 году выдающимся учёным-физиком, профессором Петровской сельскохозяйственной академии В.А.Михельсоном (1860–1927) пластинчатого (биметаллического) актинометра – наиболее современного для того времени относительного прибора. Простота и высокая точность способствовали его широкому распространению не только в России, но и за рубежом. Кроме того, изобретение этого прибора позволило начать регулярные измерения солнечной радиации и содействовало развитию сети актинометрических станций в России [19].

Благодаря появлению пластинчатого актинометра в метеорологической обсерватории Петровской сельскохозяйственной академии, которой В.А.Миїхельїсон руководил с 1894 по 1927 гг., уже с 1909 года были начаты регулярные актинометрические наблюдения. С 1924 года в этой обсерватории появляются приборы для регистрации прямой (актинограф Савинова), а затем и рассеянной солнечной радиации, проводятся эпизодические измерения эффективного излучения. В 1928 г. профессор П.П.Боїриїсов впервые обобщил эти наблюдения и получил первые оценки радиационного режима г.Москвы [33].

Актинометрические наблюдения в ТСХА, которой в 1927 г. было присвоено имя В.А.Михельсона, проводились почти непрерывно до 1941 года. В 1945 г. они были возобновлены и продолжались до 1950Нх гоїдов.

С 1933 г. по осень 1941 г. актинометрические наблюдения проводились сотрудником Московского университета М.С.Аверкиевым на Красной Пресне в метеорологической обсерватории Московского гидрометеорологического института (бывшая обсерватория Московского университета). Комплекс актинометрических наблюдений за прямой солнечной радиацией (актинометр Михельсона, актинограф Горчинского), рассеянной радиаїцией (пиранометр Янишевского, пиранограф) и эффективным излучением поверхности (пиргеометр Савинова) был дополнен фотометрическими наблюїдениями за естественной освещенностью земной поверїхности (фотометр Вебера и фотометры, сконструированные М.С.Аверїкиевым). Но большая часть результатов этих наблюдений погибла в июле 1941 г. во время пожара в обсерватории, возникшем после одной из первых бомбежек города фашистской авиацией.

Кроме этих двух пунктов, в 1936–1941 гг. эпизодические актинометрические наблюдения проводились на метеорологической станции при строительстве Дворца Советов, а также при кафедре физики Института гигиены 1-го Московского медицинского института. Однако они нигде не были опубликованы и судьба их неизвестна.

В 1947–1952 гг. Государственным научно-исследовательским санитарным институтом им.Эрисмана на вышке здания МГУ им.М.В.Ломоносова на Моховой были организованы наблюдения за прямой, рассеянной и суммарной солнечной радиацией, а также за естественной освещенностью и ультрафиолетовой солнечной радиацией.

Для оценки влияния крупного города на радиационный режим Б.В.Рихтер, сотрудник отдела гигиены и благоустройства населенных мест этого института, обобщил эти наблюдения и привлек для сравнения материалы эпизодических измерений солнечной радиации, проводившихся в Подмосковье [85]. Это станция НИИ земного магнетизма или Московская геофизическая обсерватория (34 км к ЮЮЗ от Москвы, посёлок Красная Пахра, наблюдения 1939 г.); Московский гидрометеорологический техникум в Кучино (35 км к востоку от Москвы, наблюдения 1937–1938 гг.); метеорологическая станция "Собакино" (34 км на ЮЗ от Москвы, посёлок Толстопальцево); станция вблизи посёлка Жаворонки (34 км к западу от Москвы).

В 1956 и 1959–1962 гг. в центре Москвы на высоте 134 м высотного здания, расположенного в районе Котельнической набережной, проводились измерения прямой солнечной радиации. Некоторые результаты этих наблюдений представлены в настоящей монографии.

Об авторах

Кандидат географических наук. Окончила с отличием географический факультет МГУ им.М.В.Ломоносова (кафедра метеорологии и климатологии). Работая в метеорологической обсерватории кафедры, прошла путь от старшего лаборанта до ведущего научного сотрудника. В 1978 г. успешно защитила кандидатскую диссертацию на тему "Исследование влияния Москвы на прозрачность атмосферы и приход солнечной радиации". Специалист в области актинометрии. Автор более 80 научных работ, соавтор пяти монографий, "Справочника эколого-климатических характеристик г.Москвы" и энциклопедии для юношества "Земля".

Екатерина Валентиновна ГОРБАРЕНКО

Кандидат географических наук, старший научный сотрудник кафедры метеорологии и климатологии географического факультета МГУ им.М.В.Ломоносова. Работает в актинометрическом отделе Метеорологической обсерватории МГУ. В 1995 г. защитила кандидатскую диссертацию на тему "Пространственно-временная изменчивость аэрозольной оптической толщины атмосферы на территории СССР". Основная научная деятельность Е.В.Горбаренко посвящена исследованиям в области актинометрии. Она также участвует в разработке и реализации научных тем, связанных с изучением экологии и климата города-мегаполиса Москвы. Результаты научных исследований обобщены более чем в 60 научных трудах и четырех монографиях (в соавторстве).

Елена Иосифовна НЕЗВАЛЬ

Кандидат географических наук, заведующая метеорологической лабораторией кафедры метеорологии и климатологии географического факультета МГУ им.М.В.Ломоносова. Специалист в области актинометрии. В 1958 г. окончила географический факультет МГУ. В 1973 г. защитила кандидатскую диссертацию на тему "Исследование ультрафиолетовой радиации в горах на юге СССР". Результаты исследований обобщены в 125 научных работах. Кроме того, Е.И.Незваль является соавтором четырех монографий, "Справочника эколого-климатических характеристик г.Москвы" (2 тома), а также издания "Летопись погоды, климата и экологии Москвы" за 2000 и 2001 гг.

Ольга Александровна ШИЛОВЦЕВА

Ведущий научный сотрудник Метеорологической обсерватории кафедры метеорологии и климатологии географического факультета МГУ им.М.В.Ломоносова, где работает с момента окончания учебы в МГУ в 1980 г. Высококвалифицированный специалист в области актинометрии. Основное направление научных исследований – радиационный и световой климат города. В 1993 г. защитила кандидатскую диссертацию на географическом факультете МГУ на тему "Климатические ресурсы фотосинтетически активной и ближней инфракрасной солнечной радиации (по наблюдениям в Москве) ". Автор более 100 научных работ, соавтор трех монографий, а также "Справочника эколого-климатических характеристик г.Москвы" (2 тома).