Солнечная, земная и атмосферная радиация

Лекция 3

Тема: Солнечная, земная и атмосферная радиация

Основные понятия и законы излучения

Под радиацией будем понимать электромагнитное излучение разных длин волн: инфракрасное (тепловое), видимый свет, ультрафиолетовое, рентгеновское, g-излучение.

Поток радиации F – количество лучистой энергии Q, поступающей в единицу времени t на единицу поверхности S:

Как любое нагретое тело, Солнце, а также Земля, являются источниками электромагнитного излучения. По закону Стефана-Больцмана поток энергии излучения F тем больше, чем выше температура T излучающего тела:

(s— постоянная Стефана-Больцмана: ).

Как уже отмечалось, нагретые тела излучают электромагнитные волны разных длин. По закону Вина длина волны , соответствующая максимуму излучения, обратно пропорциональна абсолютной температуре излучающего тела:

,

где b – константа, равная 0,28978·10-2 м·К.

Прямая и рассеянная радиация в атмосфере

При T=6000°K (температура излучения Солнца) длина волны =0,475 m, на которую приходится максимум излучения энергии, соответствует синему цвету (видимый участок спектра 0,4-0,75 m).

При T=288°K (средняя температура земной поверхности) =10 m соответствует инфракрасному, т. е. тепловому, излучению.

Поток солнечной радиации, падающей на верхней границе атмосферы на перпендикулярную солнечным лучам площадку, определенный при среднем расстоянии Земли от Солнца, называется солнечной постоянной I0. Численное значение I0»1,38 кВт/м2.

Проходя через атмосферу к земной поверхности, солнечная радиация преобразуется, взаимодействуя с веществом.

Прямой солнечной радиацией называется электромагнитное излучение, доходящее до места наблюдения непосредственно от солнечного диска.

Поток прямой радиации S определяется на площадку, перпендикулярную солнечным лучам (M на рис.3.3 ). Поток прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность (M1 на рис. ) называется инсоляцией.

Инсоляция S’ зависит от угла падения лучей на данную поверхность и от интенсивности прямой радиации S: или (см. рис. 3.3). Здесь — высота солнца над горизонтом, z – зенитное расстояние Солнца.

Если солнце прикрыто облаками или скрыто за горизонтом, поток прямой радиации так же, как и инсоляция, равны 0.

Проходя через атмосферу, солнечная радиация частично рассеивается. Рассеяние света – преобразование его веществом, сопровождающееся изменением направления его распространения и проявляющееся как свечение вещества. Светящийся небосвод на нашей планете – результат рассеяния солнечного света в земной атмосфере.

Благодаря процессам рассеяния, от каждой точки небосвода на дневной половине планеты к земле поступает свет даже в пасмурный день, когда не видно солнечного диска, а также в сумерках, когда солнце скрылось за горизонтом, но не опустилось еще слишком низко (до 18°). На Луне, не имеющей атмосферы, небосвод черный, не посылающий к поверхности планеты света даже днем: свет исходит только непосредственно от пылающего солнечного диска. Сумерки на Луне отсутствуют. На Земле нет таких, как на Луне, резких контрастов температур между теневой стороной предметов и освещенной солнцем. Эти контрасты смягчаются благодаря рассеянию света. Из-за него солнечная радиация попадает и в те точки поверхности земли, которые защищены от прямого попадания лучей солнца.

Если атмосфера свободна от аэрозолей, то есть воздух чист и не содержит капелек влаги, свет будет рассеиваться исключительно на молекулах. Тогда коэффициент рассеяния, характеризующий ослабление радиации путем рассеяния при прохождении среды, содержащей рассеивающие частички, будет описываться законом Релея для молекулярного рассеяния:

,

где c – коэффициент, зависящий от природы газа и концентрации молекул.

Таким образом, волны разной длины рассеиваются по-разному: чем меньше длина волны, тем больше коэффициент молекулярного рассеяния. В таблице приведены значения коэффициента рассеяния света в чистом сухом воздухе для разных длин волн.

Таблица 3.1. Коэффициент рассеяния света разных длин волн

Из таблицы видно, насколько лучше рассеивается в чистом воздухе коротковолновая радиация (голубые, фиолетовые лучи). С этим связан голубой цвет земного небосвода. Красный и желтый цвет солнца и луны у горизонта – результат длинного пути лучей от светила до наблюдателя через атмосферу в этом положении. Коротковолновая радиация на этом пути успевает потеряться из-за рассеяния, и до наблюдателя доходит лишь длинноволновая (красные, желтые лучи).

Рассеяние на крупных частицах (аэрозоли) не подчиняется теории Релея, справедливой только для частиц, диаметр которых больше 0,1l. В основном, наличие крупных частиц в атмосфере смещает положение максимума интенсивности в спектре рассеянного света на более длинные волны, а для частиц с радиусом больше 10 m рассеяние перестает зависеть от длины волны. При этом рассеянный свет становится белым. Вот почему в пыльном или задымленном воздухе небосвод выглядит уже не синим, а белесым или желтоватым, а в тумане или облаках воздух бел, как молоко.

Поток рассеянной радиации измеряется энергией, поступающей на единицу горизонтальной поверхности в единицу времени от всего небесного свода. При измерениях датчик, фиксирующий поток радиации, прикрывается от прямых солнечных лучей специальным затеняющим экраном.

Поглощение и отражение радиации в атмосфере.

Помимо рассеяния, солнечное излучение на пути через атмосферу к земле теряется в процессе поглощения его газами, составляющими атмосферу. Интенсивно поглощается, как уже отмечалось, рентгеновское и ультрафиолетовое излучение в верхних слоях атмосферы, нагревая термосферу и стратосферу. Тепловая радиация частично поглощается водяными парами и углекислым газом. Видимый свет атмосферой поглощается слабо.

Солнечная радиация, прошедшая через атмосферу, частично поглощается земной поверхностью. Этот процесс количественно характеризуется коэффициентом поглощения (здесь – энергия радиации).

Поглощение радиации вызывает нагревание земной поверхности. Поверхность земли неоднородна по своим свойствам, и разные участки ее, получая одинаковое количество тепла, нагреваются по-разному. Связано это с неодинаковой теплоемкостью различных веществ. Действительно, количество тепла , необходимое для нагревания массы вещества на градусов (), равно . (Напомним, что удельная теплоемкость вещества – это количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг данного вещества на 1°С.) Таким образом, вещества с разной теплоёмкостью, получив одинаковое количество тепла на килограмм массы (), нагреются по-разному.

Таблица 3.2. Удельная теплоёмкость некоторых веществ.

Поскольку , можно заключить, что вещества с большой теплоемкостью (вода, дерево) нагреются меньше, чем вещества с малой теплоемкостью (песок, асфальт). В таблице 3.2 приведены примеры удельной теплоемкости различных поверхностей, которые помогают понять, почему в жаркий день вода остается прохладной, песок на пляже прогревается, железная крыша на солнцепеке становится раскаленной, а деревянные поверхности нагреваются незначительно.

Часть падающей на земную поверхность радиации отражается ею. Коэффициент отражения – альбедо – определяется как ( – по-прежнему энергия излучения). В таблице 3.3 в качестве примера представлены значения альбедо некоторых поверхностей.

Таблица 3.3. Альбедо некоторых поверхностей

Для непрозрачных поверхностей . Таким образом, поверхности, которые хорошо отражают радиацию, будут плохо ее поглощать, и наоборот.

Шероховатые, темные (мокрые) почвы отражают меньше, чем гладкие и светлые. Альбедо мутной воды выше, чем прозрачной, из-за того, что прозрачная вода частично пропускает радиацию вглубь.

Радиационный баланс планеты Земля, земной поверхности и атмосферы.

Наглядное представление о преобразованиях радиации, об энергетических потоках в системе Земля-атмосфера дает рассмотрение радиационного баланса этой системы. Под радиационным балансом будем понимать алгебраическую сумму (приход-расход) радиации, получаемой телом от внешних источников и отдаваемого им другим телам.

В нашем случае таким телом является планета вместе с ее атмосферой. Тепло она получает от Солнца, а отдает его в космическое пространство. За длительный период (например, год) радиационный баланс системы Земля-атмосфера близок к 0, т. е. Земля, как планета, находится в тепловом равновесии. Это означает, что она не разогревается и не остывает.

Для некоторого участка земной поверхности радиационный баланс варьирует в зависимости от условий и принимает как положительные, так и отрицательные значения. Если приход радиации больше расхода, то радиационный баланс положителен, и деятельный слой Земли нагревается; при отрицательном балансе — охлаждается. В частности, радиационный баланс днем положителен, ночью отрицателен.

В приводимой далее схеме баланса (Рис. 3.4) радиация, которая теряется рассматриваемой областью, берется с минусом, а приобретаемая – с плюсом. На 1 см2 поверхности на верхней границе атмосферы в год падает солнечной энергии 1050 кДж/см2·год. Примем эту величину за 100 единиц, и в таких единицах будем выражать все радиационные потоки. Следует иметь в виду, что приведенные числа не являются абсолютными: у разных авторов они несколько разнятся, — но это не меняет существа расчета.

Пояснения к приведенной схеме даны в таблице 3.4.

Рисунок 3.4. Схема радиационного баланса системы Земля – атмосфера.

Таблица 3.4. Пояснительная таблица к схеме радиационного баланса системы Земля – атмосфера.

Примечание. Приведенные числа не являются абсолютно точными. У разных авторов они несколько разнятся, но это не меняет существа расчета.