Солнечный свет создает освещенность которая. Характерные особенности дневного освещения

15.06.2005

Единственным источником естественного освещения является солнце...

Оно излучает прямой солнечный свет, часть которого рассеивается в атмосфере и создает рассеянное излучение. Таким образом, различают свет, падающий непосредственно от солнца и свет «неба» - солнечного света рассеянного атмосферой.

Естественное освещение меняется в зависимости от времени дня, состояния погоды и времени года. Главная особенность естественного освещения - непостоянство интенсивности и спектрального состава его излучения. Изменение освещенности подвержено влиянию закономерных и случайных факторов.

Закономерные факторы, влияющие на изменчивость естественного освещения - высота солнца над горизонтом и географическая широта. Случайные факторы определяются состоянием атмосферы - ясно, дождь, туман. Случайным дополнительным фактором является отражение света от земли и окружающих предметов.

С восходом солнца увеличивается интенсивность света и его цветовая температура . Примечателен тот факт, что в силу преломления солнечных лучей в атмосфере мы видим восход солнца несколько раньше, а закат - чуть позже, чем это имеет место в действительности. Расчеты показывают: когда мы видим, что нижний край Солнца коснулся горизонта, в действительности оно уже зашло.

Лучи, входящие в состав солнечного света, фиолетовые, синие, голубые и зеленые, преломляются в атмосфере Земли сильнее, чем желтые и красные. Поэтому первые лучи при восходе Солнца - синий и зеленый, так же как и последний луч заходящего солнца.

Из-за рассеивания в атмосфере синий луч не наблюдается. Зеленый луч - редкое зрелище. Его удается увидеть при очень чистом, спокойном и однородном воздухе, когда вплоть до горизонта отсутствуют конвекционные восходящие потоки в атмосфере. Чаще всего зеленый луч наблюдают на берегу спокойного моря.

Таблица 1.2.

Спектральная характеристика естественного освещения
Фазы дневного освещения	Цветовая температура излучения, К
Прямые солнечные лучи при восходе и заходе солнца	2200
Прямой солнечный свет через час после восхода солнца	3500
Прямой солнечный свет ранним утром и в предвечернее время	4000.. .4300
Солнечный свет в полдень летом	5400... 5800
Рассеянный дневной свет в тени летом	7000
Рассеянный дневной свет в пасмурную погоду	7500... 8400
Свет от голубого неба	9500.. .30000

В зависимости от высоты солнца над горизонтом естественное освещение делится на периоды эффективного, нормального и зенитного освещения.

Период эффективного освещения характеризуется малой освещенностью и большим содержанием оранжево-красных лучей в естественном свете. При восходе и закате они равноценны свету ламп накаливания (см. табл. 1.2). Их цветовая температура составляет 3000...3200°К.

Благоприятным для глаз является период нормального освещения. В это время плавно изменяется освещенность и незначительно изменяется спектр естественного освещения.

Период зенитного освещения характеризуется наибольшей разницей освещения горизонтальных и вертикальных поверхностей. Он неприятен для глаз из-за высокого контраста между освещенными участками и освещенностью в тенях. Высокий контраст при зенитном освещении наиболее остро ощущается в южных широтах.

Таблица 1.3.

Освещенность земной поверхности в различные периоды года и часы дня, %
Месяцы	Время суток, час
Месяцы
Июнь
Май - июль
Апрель - август
Март - сентябрь
Февраль - октябрь
Январь - ноябрь
Декабрь
	Данные приведены для средней полосы (широта 55°)

В безоблачную погоду, при отсутствии дымки, колебания освещенности, связанные с влиянием атмосферных факторов, невелики. Относительные средние характеристики естественного освещения в безоблачную погоду в зависимости от времени суток приведены в табл. 1.3.

На характер естественного освещения значительное влияние оказывает состояние атмосферы - густота облаков, их высота и расположение по отношению к солнцу, дымка, туман, дождь, снег. При этом изменяется освещенность объектов, контрастность и спектральная характеристика света.

Например, при наличии кучевой облачности освещенность незатененных объектов, освещенных солнцем, увеличивается на 25%, а освещенность в тени возрастает в два с половиной раза. Контрастность освещения снижается приблизительно в два раза в сравнении с освещением в безоблачную погоду. При сплошной облачности наблюдается значительное уменьшение освещенности и контрастности освещения.

С восхождением солнца постепенно увеличивается не только интенсивность света, но и его цветовая температура. Взвешенные в воздухе частицы меньше рассеивают лучи коротковолновой части спектра - фиолетовых, синих и голубых. Увеличение доли синих лучей приводит к расширению коротковолновой части спектра и, следовательно, к увеличению цветовой температуры дневного освещения.

Цветовая температура - это мера объективного впечатления от цвета данного источника света. По определению, цветовой температурой характеризуются источники света с непрерывным спектром излучения, которые излучают свет от нагретого тела.

Зимнее и летнее время

Человек стремится вставать с рассветом, чтобы максимально использовать световой день. Отсюда берет начало идея летнего и зимнего времени, по которому сейчас живут во многих странах мира. Совмещение времени бодрствования со светлыми часами суток позволяет экономить потребление электроэнергии: весной стрелки часов, идущих по поясному времени, переводят на час вперед, а осенью ставят опять по поясному времени.

На рис. 1.6 показано изменение светлого и темного времени суток в течение года для широты 50° (широта Киева). Границей между светлым и темным временем принято считать начало или конец так называемых гражданских сумерек, то есть времени, когда Солнце опустилось за горизонт на 6°. По вечерам к этому моменту на улицах города следует включать освещение. На графике указано солнечное истинное время.

Среднестатистический человек встает в 7 утра и ложится в 23 часа по местному времени. На графике время бодрствования такого человека отмечено двумя горизонтальными пунктирными линиями. Начиная с марта, он встает после рассвета. Переводя часы вперед, его заставляют вставать раньше (сплошные горизонтальные линии). Это оправдано тем, что он будет вставать в светлое время суток, и расходовать меньше электроэнергии на освещение.

Возвращение на зимнее время в октябре к экономии электроэнергии не приводит. Как оказалось, это делается исключительно для того, чтобы зимой люди не вставали много раньше восхода Солнца. Поэтому переход на зимнее время представляется не оправданным.

Рационально вернуться к декретному времени, отказаться от ежегодного перевода часов и жить при неизменном отсчете, который будет отличаться на один час вперед в сравнении с поясным временем. Такой ритм жизни, с биологической точки зрения, наиболее благоприятен для человека.

КУХНЯ - НА СЕВЕР, СПАЛЬНЯ - НА ВОСТОК

Недостаток естественного освещения в квартире негативно отражается не только на обмене веществ и общем физическом здоровье человека. Отсутствие света также может привести к снижению настроения и даже депрессивным состояниям у жильцов. Если вы чувствуете угнетенность и раздражительность без особых причин, задумайтесь - а правильно ли освещено ваше жилье, достаточно ли солнечных лучей попадает в него?

Портал недвижимости Stopmakler подготовил для читателей небольшой ликбез о правильном расположении комнат разного назначения относительно сторон света, для обеспечения правильной инсоляции жилья.

Конечно, количество комнат в современных квартирах нечасто позволяет выбирать назначение того или иного помещения в зависимости от стороны света. Однако, присматривая для себя новое жилье, обязательно нужно обратить внимание, куда «смотрят» его окна, чтобы потом не мучиться догадками, почему же вам так неуютно в новой квартире.

ПРИНЯТЫЕ НОРМЫ ИНСОЛЯЦИИ

Проектируя новый дом, специалисты всегда проводят расчет инсоляции. Как разъясняет Григорий Алтухов, глава ФСК «Лидер», при вычислении коэффициента инсоляции жилья учитываются многие факторы:

Географическая широта, на которой будет располагаться дом (от нее зависит угол падения лучей солнца, когда оно достигает зенита);
- параметры квартиры (ширина и конструкция оконных проемов);
- наличие затеняющих объектов (рядом стоящие дома) - и т. д.

По принятым санитарным нормам и правилам (СанПиН), инсоляция в жилых помещениях должна соответствовать нормативной продолжительности. Например, для Москвы, входящей в центральную зону, инсоляция жилья должна быть не менее двух часов в день. Такая продолжительность инсоляции для 1-3-комнатных квартир по правилам обеспечивается не менее чем в одной из комнат. Для многокомнатных квартир - не менее чем в двух комнатах.

Коммерческий директор корпорации «Баркли» Екатерина Фонарева поясняет, что различные ограничения по расположению квартир действуют для каждого конкретного случая, но при этом имеется и одно общее ограничение. Оно заключается в том, что при проектировании все окна в квартире нельзя ориентировать только на север.

СЛОВО КОМПАСУ

Северная сторона - самая холодная и темная, поэтому в тех помещениях, где окна выходят на север, необходимо позаботиться об утеплении стен и окон. Кроме того, следует обеспечить и качественное искусственное освещение, которое будет возмещать малую инсоляцию.

Южная сторона - наиболее теплая и светлая, причем вне зависимости от времени года: и летом, и зимой южные комнаты хорошо прогреваются солнцем, получая достаточный объем инсоляции.

Восточная сторона дома хорошо прогревается солнцем в летний период, однако зимой сильно охлаждается. Утром комнаты, выходящие окнами на восток, пронизаны солнечным светом, а во второй половине дня он сменяется тенью.

Западная сторона больше других подвергается воздействию солнечных лучей и «продувается всеми ветрами». При проектировании домов, с западной стороны по возможности предусматриваются заградительные посадки деревьев.

БОЛЬШЕ СОЛНЦА - БОЛЬШЕ ЗДОРОВЬЯ

Правильная инсоляция жилья крайне важна для человеческого организма. При недостатке естественного освещения страдает обмен веществ, снижается острота зрения, замедляется рост детей. Также недостаточная инсоляция является причиной стресса: если в квартире мало света, у жильцов заметно снижается настроение, возникают депрессии и общая подавленность.

Покупатели жилья обращают повышенное внимание на его освещенность. Вкусы расходятся только в том, что кто-то любит свет вечернего солнца, а кто-то - утреннего, но темные квартиры не привлекают практически никого.

РАСПОЛОЖЕНИЕ КОМНАТ ПО СТОРОНАМ СВЕТА С УЧЕТОМ ИНСОЛЯЦИИ

Кабинет или мастерскую ориентируют «по компасу» в зависимости от того, в какое время дня это помещение будет использоваться. Если вы обычно начинаете работу с утра, то лучше, чтобы окна кабинета, как и спальни, выходили на восток или юго-восток. В этом случае мягкие утренние лучи взбодрят вас, а инсоляция от жаркого полуденного солнца будет направлена уже на западную сторону дома. Если же работа происходит в вечернее время, то кабинет или мастерскую лучше сделать с западной или юго-западной стороны: к вечеру солнечный свет становится не таким резким, как в полуденное время, но при этом инсоляция будет достаточной для рабочего места.

Кухню , кладовки и прочие подсобные помещения лучше всего ориентировать на север, северо-запад или северо-восток. Эти помещения не жилые, и поэтому интенсивная инсоляция в них не нужна.

ОПРЕДЕЛЯЕМ СТОРОНЫ СВЕТА

Для того чтобы сориентироваться по сторонам света, не обязательно иметь под рукой компас - в большинстве случаев будет достаточно просто посетить будущую квартиру в безоблачный солнечный день. Например, в средней полосе России солнце в семь часов утра находится на восточной стороне, к часу дня оно перемещается на юг, а в семь вечера освещает дом с западной стороны.

Стороны света можно определить и по расположению находящегося рядом с домом православного храма. Нижняя перекладина креста на куполе своим опущенным концом всегда обращена на юг, а поднятым - на север. Алтарь в православном храме всегда располагается на восточной стороне.

Также можно сориентироваться по сторонам света и при помощи обычных часов со стрелками. Такие часы располагают горизонтально, направляя часовую стрелку в сторону солнца. Зимой угол между часовой стрелкой и цифрой 1 делится пополам, и его биссектриса всегда указывает на юг. Летом же необходимо делить пополам угол между часовой стрелкой и цифрой 2 - биссектриса этого угла тоже будет лежать в южном направлении.

Это уникальное энергосберегающее осветительное оборудование, которое является полноценной зелёной технологией и проводит натуральный солнечный свет по трубе-световоду через крышу во внутренние пространства, где нет возможности поставить окна или недостаточно дневного света. Системы Solatube® являются зенитными фонарями и мансардными окнами нового поколения.

Традиционные способы организации естественного освещения часто не позволяют наполнять помещения комфортным и равномерным освещением без слепящей яркости, а также без нарушения теплофизических свойств ограждающих конструкций. Окна всегда привязаны к сторонам света: так, окно с северной стороны не позволит получить достаточное количество солнечного света, а с южной стороны – мы получим слепящую яркость и высокий теплоприток.

Напротив, световоды Solatube® дают энергоэффективное, равномерное и комфортное освещение помещений естественным солнечным светом в течение всего дня. Особенно, когда диффузор расположен по центру потолка. Системы Solatube® не проводят тепло и холод в помещение, нет протечек и конденсата.

Кроме того, обеспечение в помещении большего количества естественного света благотворно влияет на самочувствие и здоровье находящихся в помещении людей. Ведь мы получаем 90% информации через органы зрения, и солнечный свет играет в этом процессе огромную роль. Поэтому улучшение организации естественного освещения, способствует повышению работоспособности даже в тех случаях, когда процесс труда практически не зависит от зрительного восприятия.

Более того, санитарными нормами (СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03) предусмотрено наличие полноценного естественного освещения рабочих мест, на которых человек находится более 4 часов в день. Проведенные за рубежом оценки эффективности применения ССО Solatube® показали увеличение производительности труда персонала на 16%. У работников, которые находятся в условиях естественной освещенности, на 20% меньше проявляются симптомы различных заболеваний и улучшается самочувствие. То есть помимо энергосбережения применение данной технологии освещения позволяет обеспечить такие характеристики экологического строительства, как комфорт и экологичность (так как данное оборудование не оказывает негативного воздействия на окружающую среду).

Элементы системы

Система представляет собой светоприемный купол с линзами, которые улавливают и перенаправляют лучи вниз в световод, который проходит по подкрышному пространству. Многократно отражаясь, свет выходит в помещение через потолочный светильник-рассеиватель и равномерно освещает помещение.

Эффективность

Купол системы способен улавливать не только прямые солнечные лучи, но и собирать свет всей полусферой, обеспечивая исключительное освещение помещений даже в облачные дни, зимние месяцы, раннее утро и к концу дня, когда солнце низко над горизонтом, на что не способны традиционные световые проемы. Установка систем возможна на любом этапе строительства и эксплуатации здания.

Светопередача

Системы освещения Solatube® передают свет на расстояние более 20-ти метров без смещения спектра в диапазоне 400 нм ÷ 830 нм с энергетическими потерями не более 17%. В настоящее время это самый высокий показатель в мире.

Энергосбережение

Системы Solatube® обладают энергосберегающими свойствами, не проводят тепло и холод в помещение и являются элементами капитального строительства. Благодаря своим техническим свойствам, системы Solatube® снижают до 70% энергетические затраты на освещение и кондиционирование зданий, в которых они установлены.

Теплопроводность

Система Solatube® обеспечивает хорошую теплоизоляцию. Ее уникальные характеристики, такие как система двойного купола, технология преломления лучей Raybender® 3000 и покрытие световода Spectralight® Infinity в совокупности дают самую энергоэффективную систему дневного освещения, существующую сегодня на мировом рынке, имеющую коэффициент теплопроводности менее 0,2 Вт/м*С.

Гарантия и срок эксплуатации

Системы Solatube®, благодаря применению современных высоких технологий при их изготовлении, имеют 10-ти летний срок гарантии и неограниченный срок эксплуатации. При установке в любое сооружение они становятся элементами капитального строительства и не подлежат замене в течение всего срока эксплуатации здания.

Применение

Система устанавливается на любые виды кровли в помещения любого назначение (от частного до промышленного и коммерческого). Системы Solatube® успешно работают уже более десяти лет во многих российских городах в зданиях различного назначения. К наиболее значимым пилот-проектам с применением систем Solatube® можно отнести:
* Детские сады (Краснодар, Славянск-на-Кубани, Ижевск, Среднеуральск);
* Средняя школа №35 (Краснодар);
* Нижегородская правовая академия (Нижний Новгород);
* Уральский дом науки и техники (Екатеринбург);
* Лечебно-оздоровительный комплекс «Витязь» (Анапа);
* Больница СКЖД (Ростов-на-Дону);
* Сочинская инфекционная больница (Сочи);
* Вокзальный комплекс «Анапа» (Анапа);
* Здание Морского вокзала (С-Петербург);
* Научно-адаптационный корпус и Океанариум (Владивосток, о.Русский);
* Административное здание и цеха завода «Марс» (Москва, Ульяновск);
* Офисы «ИКЕА» в ТЦ МЕГА (Краснодар, Москва);
* Офисы «Данон» (Московская область);
* Офисы «FASION HOUSE Аутлет Центр» (Московская область);
а также другие объекты в различных регионах России.

В последнее время все большие приходится задумываться об экономии энергоносителей. Цены на свет и газ постоянно растут, приходится думать об использовании бесплатных источников энергии. Владельцам частных домов и дач неплохо поможет сэкономить уличное освещение на солнечных батареях.

Плюсы и минусы

Сада, придомовой территории требует больших затрат — требуется не только установить светильники, но и проложить кабель. Более надежна , а это большой объем земельных работ, плюс солидные затраты на кабель, так как он должен быть в защитной оболочке, а лучше — в броне. Но это не все — в процессе эксплуатации приходится оплачивать солидные счета за электроэнергию — освещение работает ежесуточно, по 6-8 часов. Частично решить проблему может уличное освещение на солнечных батареях.

Достоинства

Почему частично? Потому что наиболее «ответственные» зоны (ворота, парковка, входные двери) придется освещать стационарно — так надежнее. Зато на остальной площади можно поставить светильники на солнечных батареях. Они имеют целый ряд преимуществ.

Недостатки

Как видите, плюсов немало, главный из которых — экономия электроэнергии и очень простой монтаж/демонтаж. Но и минусы есть:

Как видите, вариант не идеальный, но действительно помогает экономить на электричестве, ведь штатное освещение ответственных зон — это далеко не половина расходов на общее освещение двора и сада.

Уличные светильники на солнечных батареях могут иметь различную форму, внешний вид, способ установки, но все они состоят из определенного набора элементов:

Как вы поняли, принцип работы такой: в светлое время суток солнечные лучи улавливаются солнечной панелью, где превращаются в электрическую энергию и передается а аккумулятор. При наступлении сумерек (освещенность 20 Лк) контроллер включает подачу электроэнергии, светодиодная лампа загорается. Утром на рассвете (при освещенности 10 Лк) освещение отключается.

Выбор светильников для уличного освещения на солнечных батареях

В торговой сети есть светодиодные уличные светильники с очень большим разбросом цен — от ста рублей до десятков тысяч. Порой есть модели, которые выглядят почти одинаково, но очень отличаются по цене. Как это понимать и как выбрать осветительные приборы для уличного освещения на солнечных батареях? Все просто — надо смотреть технические характеристики. Именно в них вся разница.

Мощность

При устройстве освещения необходимо учитывать, сколько света может давать светильник. От этого зависит количество светильников и расстояние, на котором их необходимо устанавливать друг от друга. В технических характеристиках обычно указывается мощность в ваттах, а в случае со светодиодными светильниками она мало о чем говорит.

Чтобы понять уровень освещенности, можно сравнить с аналогом обычной лампы накаливания — их мощность нам более-менее понятна, а также можно перевести этот показатель в Люмы (Лм) — единицы измерения освещенности. Так реально можно оценить насколько эффективной будет именно этот светильник.

Как понимаете, модели с мощностью 1 Вт дают не так уж и много света — примерно как 20 Вт лампа накаливания, потому использовать их можно только для подсветки или маркировки участка — обозначения дорожек, подсветки беседок и т.д.

Класс защиты и материал корпуса

Чтобы уличное освещение на солнечных батареях работало долго и надежно, необходимо чтобы корпус и световой блок (плафон) имели защиту от попадания пыли и влаги. Желательно чтобы класс защиты был не ниже IP44 (больше цифры — это хорошо, меньше — плохо).

Также стоит обратить внимание на материал из которого изготовлены светильники. Обычно это специальный ударопрочный пластик или металл. Если «металл» — отличный от нержавеющей стали или алюминия, предпочтение лучше отдать пластикам. Они точно не ржавеют и длительное время сохраняют хороший внешний вид.

Вид и способ монтажа

По способу монтажа светодиодные уличные светильники делят на несколько групп:

Установка в грунт. Это группа светильников на ножках разной высоты — от 20-30 см до метра и выше. Их установка чрезвычайно проста — они просто втыкаются в грунт в нужном месте.
Самая обширная группа — светильники просто втыкаются в грунт
Светильники-столбы. Как правило, это более высокие модели с высотой ножки от 1,5 метров и выше. Они тоже могут устанавливаться грунт, но требуют уже более серьезных мер по установке — имеют большую высоту и вес. Придется делать лунку, вставлять в нее столб, засыпать грунтом и уплотнять его. Есть модели для установки на твердое покрытие — плитки, асфальта и т.д.
Настенные светильники на солнечных батареях. Есть в разных стилях — от классического «фонарного» дизайна, до моделей в современном стиле. Монтироваться могут на стену, забор, заборные столбы.
Подвесные. Вариантов тоже немало — есть модели, которые можно крепить к потолку, балке и т.п., а есть которые можно развесить на ветках.
Встраиваемые в грунт, дорожки, лестницы. Очень практичные модели, которые позволяют осветить даже лестницы, причем подсвечивают не сверху, как обычно, а на уровне ступеней. Интересное и практичное решение — при таком варианте свет не слепит глаза, а освещенность остается хорошей.
Подсветка лестниц — удобно, экономно и красиво
Декоративные. Выполнены в виде различных фигурок. В дневное время они выглядят как обычный декор, в ночное дополнительно еще излучают свет. Монтажа в данном случае нет — просто ставят светильник в предназначенное для него место.

Выбор уличных светильников на солнечных батареях для уличного освещения действительно велик. По стилю, размерам, цене ассортимент большой, так что можно выбрать.

Автономное уличное освещение на солнечных батареях

При массе плюсов уличное освещение при помощи отдельных светильников на солнечных батареях имеет существенный недостаток: запас энергии в аккумуляторах мизерный. После пасмурного дня его хватает всего на несколько часов. В ясный солнечный день «лишняя» энергия пропадает, так как емкость аккумулятора ограничена и он не в состоянии принять больше. Проблему можно решить, если поставить мощную солнечную батарею, подключить к ней аккумулятор и светильники. В этом случае использовать можно любые светодиодные светильники, которые могут работать от 12 В.

Плюс такого решения — имеется некоторый запас энергии (зависит от емкости аккумулятора), что гарантирует работу даже после пасмурного дня. Недостатки — высокая цена и необходимость прокладки кабелей, так как все требуется объединить в единую систему.

Уличное освещение на солнечных батареях: фото-идеи

В этом разделе собраны интересные на наш взгляд идеи подсветки участка и светильники, работающие от солнечных батарей.

Основным источником, определяющим естественную освещенность, является Солнце. Спектральный состав солнечного излучения на границе атмосферы принято аппроксимировать излучением черного тела с температурой К. Истинное распределение энергии в спектре солнечного излучения несколько отличается от распределения для черного тела с К: в области 0,4...0,75 мкм Солнце излучает больше энергии, чем черный излучатель при К, в ультрафиолетовой области – меньше, а в инфракрасной области отличия несущественны. Солнце как излучатель представляет собой шар и теоретически излучает расходящийся поток лучей, однако из-за большого удаления Солнца его излучение на земной поверхности практически представляет поток параллельных лучей. Энергетическая освещенность, которую создают солнечные лучи на перпендикулярной к ним плоскости вне земной атмосферы на среднем расстоянии от Земли до Солнца, характеризуется солнечной постоянной .

Освещенность естественных ландшафтов определяется высотой Солнца над горизонтом и влиянием атмосферы. Высота Солнца для района с геодезической широтой и долготой определяется по следующей расчетной формуле:

где – склонение Солнца на дату наблюдения; – разность долгот Солнца и наблюдателя (часовой угол).

Разность долгот (градус) связана с местным временем соотношением , где – время в часах и его долях.

На заданный момент московского времени величина определяется следующими равенствами для зимнего и летнего времени соответственно:

где – уравнение времени (поправка по времени) в долях часа.

Склонение Солнца задается таблично, но с достаточной для моделирования точностью может быть определено аналитически: , где – время в сутках от дневного равноденствия (22 марта) до даты съемки. Значения определяются по номограмме или по таблицам.

Для моделирования реалистичных изображений при естественном освещении необходимо определить также азимут Солнца , для вычисления которого используются , и :

В процедурах синтеза изображений целесообразно использовать единичный вектор , указывающий направление на Солнце. Если использовать правую топоцентрическую систему координат, в которой ось направлена на север, а ось перпендикулярна поверхности Земли и направлена в зенит, то составляющие вектора по осям будут определяться следующими соотношениями:

(1.3.4)

Отметим, что для характеристик положения Солнца наряду с высотой используется зенитное расстояние .

Воздействие атмосферы проявляется в ослаблении прямого солнечною излучения и его рассеивании. В соответствии с этим освещенность земной поверхности определяется двумя световыми потоками: ослабленной прямой радиацией и рассеянной радиацией солнечного излучения , идущей к Земле.

Существенная нестабильность свойств атмосферы, значительное число факторов, обусловливающих ее изменчивость, не позволяют давать точный прогноз освещенности. Обычно используются приближенные модели с ограниченным числом параметров, характеризующих оптические свойства атмосферы. Для расчетов широко используется модель средней стандартной атмосферы. Спектральная освещенность, создаваемая Солнцем у поверхности Земли на площадке, перпендикулярной солнечным лучам, при безоблачном небе и стандартной атмосфере определяется формулой

, (1.3.5)

где - спектральная освещенность, создаваемая солнечным излучением на границе атмосферы; – оптическая толща атмосферы.

Обобщенным параметром практически можно пользоваться в диапазоне , в пределах которого ослабление прямой солнечной радиации обусловлено в основном молекулярным и аэрозольным рассеиванием (рис. 1.3.1).

Рис. 1.3.1. Ослабление прямой солнечной радиации в атмосфере:

1 – солнечное излучение на границе атмосферы; 2 – солнечное излучение у земной поверхности; 3 – аэрозольное рассеивание; 4 – поглощение в атмосфере

Для этого диапазона зависимость от длины волны для стандартной атмосферы описывается эмпирической формулой

где – оптическая толща атмосферы при нм. При вычислениях по (1.3.6) значения подставляются в нанометрах.

При расчетах обычно используется несколько типовых значений . Для среднезамутненной атмосферы составляет 0,3. Слабой замутненности атмосферы соответствует , повышенной замутненности , высокой .

Освещенность, создаваемая прямым излучением Солнца, на произвольно ориентированной площадке определяется углом между единичным вектором направления на солнце и единичным вектором нормали к площадке :

, (1.3.7)

где – скалярное произведение векторов и .

В программе синтеза изображений обязательно должно учитываться условие неотрицательности освещенности

При невыполнении условий (1.3.8) данная сторона площадки не освещена: . Единичный вектор нормали к площадке должен быть направлен от поверхности, освещенность которой вычисляется. Это означает, что принципиально площадка характеризуется двумя единичными векторами нормали и , определяющими две ее стороны. Очевидно, что .

Отметим, что из общей формулы для определения освещенности (1.2.23) непосредственно следует приводимая в литературе формула для освещенности земной поверхности. Для горизонтальной земной поверхности и, следовательно, .

Освещенность, создаваемая рассеянной радиацией, определяется яркостью неба. Важность учета рассеянной радиации обусловлена тем, что она определяет освещенность участков сцены, находящихся в тени.

Яркость произвольной точки небосвода представляет собой функцию четырех основных параметров : высоты Солнца , пропускания атмосферы , зенитного расстояния точки небосвода и угла между направлением на Солнце и в заданную точку небосвода.

Расчет освещенности произвольно ориентированной площадки с учетом истинного распределения яркости небосвода требует выполнения численного интегрирования с использованием таблично заданных функций. Это весьма серьезно усложняет процедуру вычисления освещенности точек картинной плоскости. Процедуру вычислений можно существенно упростить, если яркость всех точек небосвода принять одинаковой и равной некоторой усредненной величине. Среднюю яркость небосвода можно аппроксимировать зависимостью вида

Величина сравнительно слабо зависит от и . В ряде случаев ее полагают постоянной. Более точное приближение можно получить, если полагать . При этом различия в результатах, полученных на основе более точных моделей и изложенной выше, невелики. Максимальные различия достигают 20 % лишь при значительной высоте Солнца ().

Для определения освещенности от небосвода произвольно ориентированной площадки рассмотрим общую схему определения освещенности, создаваемой протяженным источником (рис. 1.3.2).

Рис. 1.3.2. Определение освещенности произвольно ориентированной площадки небосводом

В соответствии с (1.2.16) освещенность от небосвода площадки определяется следующим образом: , где – проекция на освещаемую плоскость , в которой лежит площадка , видимой части небесной сферы. до . За пределами этого диапазона значения практически являются нулевыми.

Хотя переход от энергетической системы к светотехнической не вызывает принципиальных затруднений, однако для систем видимого диапазона удобнее пользоваться расчетными формулами, выражающими освещенность непосредственно в светотехнической системе. Для таких расчетов может быть использовано соотношение, базирующееся на известном в , но дополненное учетом наклона освещаемой площадки:

где – освещенность плоскости, перпендикулярной к лучам Солнца на границе атмосферы в светотехнической системе единиц; – коэффициенты, характеризующие прозрачность и рассеивание в атмосфере.

Для средних параметров стандартной атмосферы ; . В соответствии с (1.2.29) максимальная освещенность горизонтальной площадки на земной поверхности для стандартных условий составляет 106000 лк (при ).

На величину естественной освещенности большое влияние оказывает характер облачности. Наличие облачности вызывает значительное увеличение рассеянного излучения. При разорванной облачности освещенность "на Солнце" оказывается на 10...30 % выше, чем при безоблачной погоде, а освещенность в тени может возрастать до двукратной величины. Это обстоятельство является причиной значительного разброса в экспериментальных данных по освещенности в тени и оправдывает применение в машинной графике относительно простых моделей расчета освещенности, использование поправочных коэффициентов, увеличивающих значение освещенности в тени по сравнению с расчетными при углах Солнца .