Солнечная радиация, распространяясь в атмосфере Земли и взаимодействуя с компонентами атмосферы (газами, атмосферными аэрозолями и облаками), оказывает решающее влияние на формирование погоды и климата планеты. Часть солнечной радиации, проникающая до поверхности, регулирует все биологические процессы, являясь источником существования и развития биосферы. Следует подчеркнуть, что на спектральный  диапазон 0,35-1,0 мкм приходится две трети солнечной энергии, падающей на верхнюю границу атмосферы Земли, и более 96 % солнечной энергии приходится на спектральный диапазон 0,25-2,5мкм . Поэтому, очевидно, что солнечное излучение в коротковолновом диапазоне играет ведущую роль в процессах, происходящих в атмосфере и на поверхности Земли.

  Систематические спектральные измерения характеристик солнечной радиации в атмосфере выполнялись на кафедре физики атмосферы физического факультета Ленинградского (ныне – Санкт-Петербургского) государственного университета и в Главной геофизической обсерватории им. А. И. Воейкова под руководством академика К. Я. Кондратьева, начиная с 60-х годов прошлого века. Большую часть радиационных наблюдений составляли самолетные эксперименты в условиях безоблачной атмосферы , , , , , и около десяти экспериментов было проведено в условиях сплошной облачности , , , . Результаты этих исследований получили международное признание и в настоящее время это направление исследований активно развивается за рубежом , , , , .

   В 80-х годах самолетные радиационные измерения проводились над поверхностью пустыни и обширных водоемов с применением улучшенной модели спектрометра. В результате 10-летних наблюдений был накоплен большой объем данных измерений, однако, для оперативной обработки не хватало ресурсов имевшейся в то время вычислительной техники. Весь массив данных был обработан только в конце 90-х годов и в настоящее время получена обширная база данных результатов измерений радиационных характеристик (полусферических потоков, интенсивностей, коэффициентов спектральной яркости) в различных условиях в атмосфере, которая включает 30000 спектров, в том числе спектры 2203 потоков, измеренных по схеме «зондировка».

   При интерпретации результатов измерений в условиях безоблачной атмосферы обратная задача решалась численным методом, в случае облачной атмосферы использовались аналитический метод теории переноса излучения.

   Несмотря на то, что было накоплено значительно меньше результатов измерений в условиях облачной атмосферы по сравнению с безоблачной, случаи безоблачной атмосферы и протяженной облачности, выделены в отдельные разделы, потому что математические методы их описания сильно различаются. К тому же слоистообразная облачность играет особенно важную роль в формировании радиационного режима атмосферы в силу ее большой протяженности (несколько сотен километров) и длительности существования (несколько суток).

   Для решения практических задач климатологии, определения фонов и контрастов в атмосфере, радиационного режима искусственных и природных поверхностей необходимо задавать оптические параметры атмосферы адекватные реальным значениям. В наибольшей степени этому требованию отвечают величины, полученные с использованием экспериментальных данных. К сожалению, до настоящего времени в численных моделях атмосферы (особенно облачной) использовались теоретические значения исходных параметров, которые приводили к неверным оценкам поглощения солнечной радиации в атмосфере. Влияние атмосферных аэрозолей и облачности, а также их взаимодействие с солнечной радиацией в численном моделировании глобальных изменений температуры земной поверхности до сих пор учитывалось лишь как остаточный член для достижения совпадения с наблюдаемыми величинами. Анализ накопленного обширного материала убедительно доказывает, что процесс поглощения солнечной радиации в запыленной и облачной атмосфере значительно более существенен, чем считалось ранее. Во многих публикациях экспериментально установлен-ные повышенные значения поглощения солнечной радиации классифицируют как эффект «аномального» поглощения коротковолновой радиации в облаках. Употребленный термин свидетельствует о недооценке значимости этого процесса. Поэтому особый интерес представляет корректная интерпретация результатов измерений на основе теории переноса радиации в атмосфере и построение оптической и радиационной моделей.

   Наши результаты представляют собой данные измерений потоков солнечной радиации в абсолютных единицах и оптические параметры атмосферы, восстановленные из этих данных, а также характеристики отражения солнечной радиации различными типами подстилающей поверхности (коэффициенты спектральной яркости).

   Перечислим основные результаты с указанием разделов, где они изложены:

   В главе 1 определены характеристики солнечного излучения в атмосфере, параметры, описывающие атмосферу и подстилающую поверхность, приведены основные сведения о взаимодействии солнечного излучения с компонентами атмосферы (газами, аэрозолями и облачностью).

  Во 2-ой главе приведены детали методов расчета радиационных характеристик в атмосфере. Для расчетов интенсивностей и потоков солнечного излучения в условиях безоблачной атмосферы выбран численный метод Монте-Карло, а в условиях сплошной облачности – аналитический метод асимптотических формул теории переноса излучения. Обращено особое внимание на погрешности применяемых методов и область их применимости. Рассмотрены начальные условия (однослойная атмосфера, однородная по вертикали, многослойная облачность, консервативное рассеяния солнечного излучения, учет истинного поглощения радиации в атмосфере и др.).

   В 3-ей главе подробно рассматриваются результаты измерений потоков и интенсивностей коротковолновой солнечной радиации в атмосфере. Описаны примененные приборы и особенности выполнения измерений. Проанализированы погрешности измерений и предложены возможности их минимизации. Детально описаны методы обработки результатов измерений для получения характеристик солнечного излучения в абсолютных энергетических единицах. Примеры вертикальных профилей спектральных полусферических потоков в различных условиях безоблачной атмосферы над различными типами подстилающей поверхности приведены на рисунках и в таблицах Приложения 1. Также рассмотрены результаты самолетных, наземных и спутниковых измерений, проведенных в условиях сплошной облачности, а также подробно изложены современные взгляды на недавно экспериментально обнаруженный эффект «аномального» поглощения коротковолновой солнечной радиации в облачной атмосфере.

   В 4-ой главе излагаются основные методы определения параметров атмосферы из данных измерений солнечной радиации. Подробно рассмотрен метод наименьших квадратов в применении к решению обратных задач атмосферной оптики. Проанализировано влияние погрешностей измерений на точность получаемых решений и изложены методы регуляризации решений. Показано, как на основе предварительного анализа выбрать параметры атмосферы, поддающиеся восстановлению из радиационных наблюдений.

   В 5-ой главе рассмотрены конкретные методы и условия решения обратной задачи атмосферной оптики в условиях безоблачной атмосферы и представлены полученные результаты. Вертикальные профили и спектральные зависимости соответствующих параметров безоблачной атмосферы и подстилающей поверхности показаны на рисунках в тексте и в таблицах Приложения 1.

   В главе 6 представлен аналитический метод для восстановления оптических параметров протяженной слоистой облачности из данных наземных, самолетных и спутниковых измерений потоков и интенсивностей солнечного излучения, включающий в себя полный набор необходимых формул. Пример вывода формул для случая применения к данным измерений потоков солнечного излучения на верхней и нижней границах протяженного облачного слоя вынесен в Приложение 2. Проведен анализ корректности рассматриваемых обратных задач оптики облачной атмосферы, условий существования и устойчивости решений и исследованы погрешности результатов.

   В главе 7 рассмотрены конкретные условия определения оптических параметров облачной атмосферы из данных радиационных самолетных, наземных и спутниковых наблюдений и полученные спектральные и вертикальные зависимости восстанавливаемых величин приведены на рисунках в тексте и в таблицах Приложения 1. Проведен анализ численных значений оптических параметров облачной атмосферы и предложена эмпирическая гипотеза, которая адекватно объясняет как выявленные особенности полученных результатов, так и эффект аномального поглощения солнечной радиации облаками. В заключении суммированы полученные результаты.

   Главы 1 и 3 написаны авторами совместно, раздел 2.1 и главы 4 и 5 – А.В. Васильевым, главы 2 (кроме раздела 2.1), 6 и 7 – И.Н. Мельниковой. Авторы старались излагать материал предельно просто, в стиле, близком к учебнику так, чтобы книга была полезна широкому кругу читателей, включая студентов, специализирующихся по специальностям: атмосферная оптика, физика атмосферы, метеорология, климатология, дистанционное зондирование атмосферы и поверхности, а также распознавание фонов и контрастов природных и искусственных объектов в атмосфере и на поверхности.

  Авторы считают необходимым подчеркнуть, что большая часть измерений была проведена сотрудниками лаборатории коротковолнового излучения кафедры физики атмосферы физического факультета Ленинградского (Санкт-Петербургского) государственного университета. Выражаем глубокую благодарность сотрудникам лаборатории, принимавшим участие в подготовке аппаратуры, проведении измерений и их обработке: А. П. Коваленко, Н. И. Мальцевой, Л. Н. Поберовской, В. В. Овчаренко, И. А. Товстенко и другим. К сожалению, наши коллеги: Балдин Павел Юрьевич, Васильев Олег Борисович, Гришечкин Владимир Сергеевич и Никифоров Алексей Павлович безвременно ушли из жизни. Памяти наших коллег и друзей посвящаем эту книгу.

   Авторы выражают сердечную благодарность академику К. Я. Кондратьеву, профессорам В. К. Донченко и Л. С. Ивлеву и  коллегам и друзьям В. И. Биненко и В. В. Михайлову за плодотворное обсуждение и ценные советы, а также В. П. Якимовой за редактирование рукописи.