Поступила в редакцию

Математическая морфология.

Электронный математический и медико-биологический журнал. - Т. 14. -

Вып. 4. - 2015. - URL:

http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/TITL.HTM

http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-48-html/TITL-48.htm

http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-48-html/cont.htm

УДК 535-31

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗНАЧЕНИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ОСВЕЩЕННОСТИ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ СОЛНЦА

(astahov.doc)

В работе изложен способ определения средних значений энергетической освещенности земной поверхности ультрафиолетовым излучением Солнца. Способ основан на расчете значений энергетической освещенности в ультрафиолетовом диапазоне по известным данным об освещенности земной поверхности в видимом диапазоне. Данные, рассчитанные с помощью предложенного способа, удовлетворительно согласуются с данными, полученными опытным путем.

Ключевые слова: ультрафиолетовое излучение, энергетическая освещённость, видимый диапазон.

Разработка оптико-электронных системы наблюдения (визуализации изображений), использующей в качестве рабочего спектрального диапазона участок ультрафиолетовой области излучения, требует наличия информации о предельных (усредненных) значениях энергетических характеристик излучения естественных источников в этой области.

Ультрафиолетовое излучение занимает область спектра оптического диапазона с длинами волн 10 - 400 нм.

Электромагнитный спектр ультрафиолетового излучения может быть по-разному поделен на диапазоны[1]:

- стандарт ISO по определению солнечного излучения (ISO-DIS-21348) разделяет его на ближний ультрафиолет (NUV: 300 - 400 нм), средний ультрафиолет (MUV: 200 - 300 нм), вакуумный диапазон, состоящий из дальнего ультрафиолета (FUV: 122 - 200 нм) и экстремального ультрафиолета (EUV, XUV: 10 - 122 нм);

- по биологическому воздействию на живые организмы, он разделяется на ближний ультрафиолет, (УФ-A лучи) (UVA:315 - 400 нм), средний ультрафиолет (УФ-B лучи) (UVB: 280 - 315 нм), дальний ультрафиолет, (УФ-C лучи) (UVC: 100 - 280 нм).

Практически единственным мощным естественным источником ультрафиолетового излучения является Солнце [2]. При этом доля ультрафиолетового излучения у земной поверхности составляет 1 - 3,5 % (в основном его часть с длиной волны больше 290 нм – ближний ультрафиолет, тогда как значительная его часть (коротковолновая), поглощается атмосферой в диапазоне высот 30 - 200 км от поверхности Земли) от всего дошедшего до Земли солнечного излучения в оптическом диапазоне.

Характерными особенностями рассматриваемой области спектра являются:

- относительно высокая прозрачность для нее облачности;

- отсутствие излучения собственных источников природных объектов на земной поверхности;

- наличие в приземном слое атмосферы в основном, нисходящего потока излучения (ближнего и, в меньшей мере, среднего ультрафиолета), которое обусловливается прямым и рассеянным верхними слоями атмосферы излучением Солнца.

Пределы изменения параметров внешней облученности (энергетической освещенности) района земной поверхности, где осуществляется наблюдение, зависят от следующих факторов:

- географических координат (в том числе и от высоты над уровнем моря);

- концентрации атмосферного озона;

- от высоты стояния Солнца над горизонтом в момент наблюдения;

- от атмосферного рассеивания, определяемого состоянием атмосферы и облачного покрова;

- от коэффициента отражения ультрафиолетового излучения от подстилающей поверхности.

Анализ открытых источников информации показал, что в них отсутствует систематизированные данные о пределах изменения параметров энергетической освещенности (облученности) ультрафиолетовым излучением земной (горизонтальной) поверхности, аналогичные приведенным в [3] значениям освещенности для горизонтальной поверхности для видимого диапазона (таблица 1).

Пределы изменения параметров внешней освещённости полностью зависят от единственного мощного природного источника светового излучения – Солнца.

Динамика изменения освещенности, прежде всего, носит суточный характер и зависит от высоты Солнца над горизонтом.

В свою очередь, на суточный характер изменения пределов освещённости (как правило, верхнего предела) накладываются такие факторы, как годовое изменение высоты стояния Солнца над горизонтом и географические координаты места наблюдения.

В ночное время на освещенность земной поверхности оказывают влияние [3]:

- солнечный свет, отраженный от Луны;

- свет звезд;

- ночные сумерки;

- лунные сумерки;

- свечение верхних слоев воздуха;

- свет земных огней, рассеянный в атмосфере или отраженный облаками (зарево).

Многочисленные измерения показывают, что свет полной Луны в 465000 раз слабее солнечного, следовательно, в полнолуние и яркость неба, и освещенность любого предмета, и яркость ландшафта во столько же раз меньше, чем днем, когда Солнце занимает на небе то место, на котором ночью была Луна.

Таблица 1 – Значения освещенности для горизонтальной поверхности E_v^вд, Лк

Часть суток

Положение Солнца

Высота Солнца

(в градусах)

Безоблачная погода

Пасмурная

погода

на солнце

в тени

День

над

горизонтом

³ 90000

75000

58000

39000

23000

15000

9000

4000

16000

14000

12000

9000

7000

6000

4000

3000

24000

20000

16000

12000

7000

5000

3000

2000

Сумерки

гражданские

под

горизонтом

–1

–2

–3

–4

–5

–6

700

500

200

3,5

240

9,1

4,7

1,7

0,49

Сумерки

навигационные

(морские)

–7

–8

–9

–10

–11

–12

1,0

0,37

0,12

0,05

0,015

0,006

0,13

0,057

0,031

0,0076

0,0033

0,0017

Сумерки

астрономические

–13

–14

–15

–16

–17

–18

0,003

0,0015

0,0010

0,0007

0,0006

0,0008

0,0006

0,0004

0,0003

Ночь

–20

0,0006

0,0003

Лунное освещение нельзя назвать сильным даже в самых благоприятных условиях: когда полная Луна стоит высоко в небе, а воздух очень прозрачен, величина освещенности доходит до 0,25 Лк, обычно освещенность в полнолуние составляет величину лишь около 0,1 Лк, в туманную или пасмурную погоду оно оказывается в несколько раз меньше этой величины [3].

Приближенно оценить пределы изменения параметров энергетической освещенности (облученности) ультрафиолетовым излучением земной (горизонтальной) поверхности можно используя следующие допущения:

- предположение, что динамика изменения количества солнечной радиации у земной поверхности от высоты стояния Солнца в ближнем ультрафиолете, совпадает с динамикой изменения количества солнечной радиации у земной поверхности от высоты стояния Солнца в видимом диапазоне [3];

- количество солнечной радиации у земной поверхности в ближнем ультрафиолете составляет 3 %, а количество солнечной радиации у земной поверхности в видимом диапазоне составляет 47 % от количества суммарной по всему спектру солнечной радиации у земной поверхности;

- 1 Вт мощности светового излучения от источника белого цвета с равномерным распределением энергии (например, Солнце), в спектре кривой видности глаза соответствует световому потоку в 220 лм [9], следовательно освещенности в 1 Лк соответствует энергетическая освещённость (облученность) равная 4,5·10^-3 Вт/м².

Исходя из этого, эмпирическая зависимость для расчета энергетической освещенности(облученности)земной поверхности в ближнем ультрафиолете E_e^уф через освещенность земной поверхности (для видимого диапазона) E_v^вд, будет иметь вид:

E_e^уф= 3/47·E_v^вд · 4,5 · 10^-3.

В таблице 2 приведены рассчитанные с помощью указанной эмпирической зависимости значения энергетической освещенности (облученности) земной поверхности в ближнем ультрафиолете.

Таблица 2 – Значения энергетической освещенности (облученности) для горизонтальной поверхности в ближнем ультрафиолете E_e^уф, Вт/м²

Часть суток

Положение Солнца

Высота Солнца

(в градусах)

Безоблачная погода

Пасмурная

погода

на солнце

в тени

День

над

горизонтом

³ 25,85

21,54

16,66

11,20

6,61

4,31

2,59

1,15

4,60

4,02

3,45

2,59

2,01

1,72

1,15

0,86

6,89

5,74

4,60

3,45

2,01

1,44

0,86

0,57

Сумерки

гражданские

под

горизонтом

–1

–2

–3

–4

–5

–6

2,01·10^-1

1,44·10^-1

5,74·10^-2

2,76·10^-2

9,48·10^-3

3,45·10^-3

1,01·10^-3

6,89·10^-2

2,15·10^-2

8,04·10^-3

2,61·10^-3

1,35·10^-3

4,88·10^-4

1,41·10^-4

Сумерки

навигационные

(морские)

–7

–8

–9

–10

–11

–12

2,87·10^-4

1,06·10^-4

3,45·10^-5

1,44·10^-5

4,31·10^-6

1,72·10^-6

3,73·10^-5

1,64·10^-5

8,90·10^-6

2,18·10^-6

9,48·10^-7

4,88·10^-7

Сумерки

астрономические

–13

–14

–15

–16

–17

–18

8,62·10^-7

4,31·10^-7

2,87·10^-7

2,01·10^-7

1,72·10^-7

2,30·10^-7

1,72·10^-7

1,15·10^-7

8,62·10^-8

Ночь

–20

1,72·10^-7

8,62·10^-8

Общая энергетическая освещенность (облученность), также оцененная с помощью зависимости (1) земной поверхности в ближнем ультрафиолете от основных ночных источников света, при условии, что не учитывались временные или местные явления (лунный свет, лунные сумерки, полярные сияния, зарева), меняется в зависимости от часа, сезона и места наблюдения, но в среднем составляет величину порядка 2,87·10^-7Вт/м².

Полученные с помощью УФ–радиометра «ТКА–ПКМ» оценочные данные о величинах энергетической освещенности (облученности)горизонтальной поверхности для условий наблюдения «День» и «Сумерки гражданские», удовлетворительно согласуются с расчетными данными, приведенными в таблице 2.

Литература

1. ISO 21348 Process for Determining Solar Irradiances.

2. Советская Военная Энциклопедия: [в 8 томах] [Текст]/Пред. Гл. ред. комиссии Н. В. Огарков. – М.: Воениздат, Т. 8. 1978. – С. 191.

3. Шаронов В. В. Наблюдение и видимость [Текст] / В. В. Шаронов. – Воениздат, 1953. – 96 с. ил.

4. Самойлов В. Ф., Хромой Б. П. Телевидение [Текст] : учеб. для электротехн. ин-тов связи / В. Ф.Самойлов, Б. П. Хромой. – М.: Связь, 1975. – 4001с.: ил.

5. Гимаров В. А., Дли М. И., Круглов В. В. Задачи распознавания нестационарных образов //Известия Российской академии наук. Теория и системы управления. 2004. № 3. С. 92-96.

6. Дли М. И., Какатунова Т. В. Нечеткие когнитивные модели региональных инновационных систем // Интеграл. 2011. № 2. С. 16-18.

7. Бояринов Ю. Г., Борисов В. В., Мищенко В. И., Дли М. И. Метод построения нечеткой полумарковской модели функционирования сложной системы // Программные продукты и системы. 2010. № 3. С. 26.

8. Гимаров В. А., Дли М. И., Битюцкий С. Я. Нейро-нечеткий метод классификации объектов с разнотипными признаками //Системы управления и информационные технологии. 2004. Т. 16. № 4. С. 13-18.

9. Бояринов Ю. Г., Стоянова О. В., Дли М. И. Применение нейро-нечеткого метода группового учета аргументов для построения моделей социально-экономических систем // Программные продукты и системы. 2006. № 3. С. 7.

The practice of determining the values of

the irradiance of the earth’s surface by

ultraviolet radiation from the Sun

Astahov S. P., Kasurina V. D., Orlova U. A.

In this article practice of determining the average values of the irradiance of the earth’s surface by ultraviolet radiation from the Sun was stated. This method based on calculation values of the irradiance in the ultraviolet range, when evidence about illumination of the earth’s surface in the visible range is defined. The evidence, which was compute by using proposed technique, is consistent with the experimental data.

Key words: ultraviolet radiation, irradiance, visible range of radiation.

Филиал ФГБОУ ВО

«Национальный исследовательский университет «МЭИ»»

в г. Смоленске

Поступила в редакцию 4.12.2015.