Радиационный баланс земной поверхности

1% солнечной радиации – длинноволновая. Это так называемые гамма-лучи, рентгеновские лучи, радиоволны.

Видимый свет сопровождает 46% всей солнечной энергии; 47% приходится на инфракрасное излучение, 7% - ультрафиолетовое.

Приток прямой солнечной радиации на земную поверхность характеризуется интенсивностью радиации J, то есть количеством лучистой энергии, поступающей за единицу времени (1 мин) на единицу площади S (1 см кв.), перпендикулярной солнечным лучам.

J выражается в кал/ см² мин. J солнечной радиации перед вступлением ее в верхнюю границу атмосферы называется солнечной постоянной. При среднем расстоянии Земли от Солнца она равна 2, 0 -+ 0, 04 кал/см² мин. За стандартное значении е по международному соглашению принята величина 1, 98 кал/см² мин.

За одну минуту лучистая энергия, поступающая на Землю, составляет 25 ^. 10¹⁷ степени кал/см² мин., за год – 1, 37 ^. 10²⁴ степени кал/см² мин.

Распределение энергии в спектре солнечной радиации до поступления ее в атмосферу можно приближенно найти путем экстраполяции результатов наземных наблюдений. В последнее время важные результаты получены также с помощью ракет и спутников.

 

Спектральный состав солнечной радиации

Радиацию, приходящую к земной поверхности непосредственно от Солнца, называют прямой солнечной радиацией, в отличие от радиации, рассеянной в атмосфере.

Солнечная радиация распространяется от Солнца по всем направлениям. Но расстояние от Земли до Солнца так велико, что прямая радиация падает на любую поверхность на Земле практически в виде параллельного пучка лучей.

 

Проходя сквозь атмосферу, солнечная радиация частично рассеивается атмосферными газами и аэрозольными примесями и переходит в особую форму рассеянной радиации. Она частично поглощается молекулами газов и примесями и переходит в теплоту, то есть идет на нагревание атмосферы, а частично достигает земную поверхность и нагревает ее. Какая-то часть рассеянной радиации, отражаясь, уходит в межпланетное пространство.

Рассеяние тем больше, чем больше примесей в атмосферном воздухе. Вообще рассеяние – это частичное преобразование радиации, идущей в определенном направлении, в радиацию, идущую по всем направлениям. Солнечные лучи, встречаясь с молекулами газов, примесями и аэрозолями, теряют свое прямолинейное направление движения и распространяются от рассеивающих частиц таким образом, как если бы они сами были источниками радиации. Около 25% радиации превращается в атмосфере в рассеянную радиацию, две трети от нее доходят до земной поверхности, но это уже особый вид радиации, так как рассеянная радиация приходит к земной поверхности не от солнечного диска, а от всего небесного свода. Из-за этого ее приток измеряют на горизонтальной поверхности. Понятно, что единица площади, расположенной перпендикулярно к солнечным лучам, получит максимально возможное в данных условиях количество радиации.

Приток солнечной радиации в кал. на земную поверхность или на любой вышележащий уровень в атмосфере характеризуется интенсивностью радиации I, то есть количеством лучистой энергии, поступающей за единицу времени (одну мин) на единицу площади (кв.см), перпендикулярной солнечным лучам. Эту величину называют еще потоком радиации, а также плотностью потока радиации.

Приток солнечной радиации на горизонтальную поверхность часто называют инсоляцией, хотя этот термин применяется и в более общем значении.

Интенсивность солнечной радиации перед ее вступлением в атмосферу (на верхней границе атмосферы) называют солнечной постоянной. Она не зависит от поглощения и рассеяния радиации в атмосфере, поскольку на нее атмосфера не влияет. Солнечная постоянная зависит, таким образом, только от излучательной способности Солнца и от расстояния между Землей и Солнцем.

Земля вращается вокруг Солнца по мало растянутому эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. В начале января она близка к Солнцу (147 млн.км), в начале июля – наиболее отдалена (152 млн.км). Так как интенсивность радиации меняется обратно пропорционально квадрату расстояния, то солнечная радиация в течение года меняется на +- 3, 5%. При среднем расстоянии до Солнца солнечная постоянная равна 2, 00 +- 0, 04 кал/см² мин. Однако за стандартное ее значение по международному соглашению принята величина 1, 98 кал/см².мин.

При рассеивании радиации изменяется ее спектральный состав в пользу коротковолнового излучения, но в солнечном спектре у земной поверхности не наблюдаются волны короче 0, 29 мк.

На интенсивность рассеивания влияют размеры рассеивающих частиц: чем они меньше, тем сильнее рассеиваются коротковолновые лучи в сравнении с длинноволновыми. Поэтому в рассеянной радиации лучи фиолетового и синего частей спектра преобладают над оранжевыми и красными. А максимум энергии прямой солнечной радиации приходится у земной поверхности на область желто-зеленой части спектра.

Частички атмосферы диаметром более 1, 2 мк вызывают не рассеивание, а диффузное отражение, при котором радиация отражается данными частичками как маленькими зеркалами без изменения спектрального состава.

Рассеивание радиации в атмосфере обуславливает рассеивание света в дневное время, и даже тогда, когда Солнце закрыто облаками. И после захода Солнца вечером темнота наступает не сразу: небо посылает к земной поверхности рассеянную радиацию и само остается светлым. Аналогично утром небо светлеет до восхода Солнца. Явление это называется сумерками (вечерними и утренними). Причина – освещение Солнцем, находящимся под линией горизонта, верхних слоев атмосферы с ее эффектом частичного рассеивания прямой солнечной радиации.

В отсутствие атмосферы было бы светло только там, куда падают прямые солнечные лучи или лучи, отраженные земной поверхностью.

Оставшаяся прямая солнечная радиация достигает земной поверхности, частично отражаясь от нее, но в большей степени поглощаясь ею и нагревая ее.

При наиболее высоком стоянии Солнца, когда воздух наиболее чист, интенсивность прямой радиации на уровне моря составляет 1, 5 кал/см² мин. По мере приближения Солнца к горизонту и увеличения толщи воздуха, проходимой солнечными лучами, интенсивность прямой радиации убывает.

В атмосфере поглощается сравнительно небольшое количество радиации, главным образом, инфракрасной частью спектра. Разные газы поглощают радиацию в разных участках спектра по-разному. Например, азот поглощает радиацию в ультрафиолетовой части спектра; кислород – в видимой и ультрафиолетовой частях; атмосферный озон – в ультрафиолетовой части, углекислый газ сильно поглощает радиацию в инфракрасной части, водяной пар (более других) – в инфракрасной части спектра. Поглощают солнечную радиацию также аэрозоли.

В каждом месте поглощение меняется с течением времени в зависимости от:

1. переменного содержания в воздухе примесей;

2. высоты Солнца над горизонтом, то есть от толщины слоя воздуха, проходимого лучами сквозь атмосферу на пути к земной поверхности.

Явления рассеянной радиации

Голубой цвет неба – это цвет самого воздуха, обусловленный рассеянием в нем солнечных лучей. Воздух прозрачен в тонком слое, как и вода. Но в мощной толще атмосферы воздух имеет голубой цвет, как, скажем, вода глубиной в несколько метров имеет зеленоватый цвет. С высотой, по мере уменьшения плотности воздуха, то есть количества рассеивающих частиц, цвет неба темнеет и переходит в густо синий, а в стратосфере – в чернофиолетовый.

Чем больше в воздухе помутняющих примесей более крупных размеров, чем молекулы воздуха, тем больше доля длинноволновых волн в спектре солнечной радиации и тем белесоватее становится окраска небесного свода.

Частицами тумана, облаков и крупной пыли, диаметром более 1, 2 мк, лучи всех длин волн диффузно отражаются одинаково, поэтому отдаленные предметы заволакиваются уже не голубой, а белой или серой завесой.

Видимость

Отдаленные предметы видны хуже, чем расположенные ближе, вследствие мутности атмосферы, через которую мы их рассматриваем. Это тоже эффект рассеивания света в атмосфере.

Для многих целей необходимо знать, на каком расстоянии перестают различаться очертания предметов за воздушной завесой. Это расстояние называют дальностью видимости или видимостью.

Дальность видимости – расстояние, на котором можно видеть темный объект на фоне неба. Наибольшая видимость – в арктическом воздухе (до нескольких сотен км). В воздухе, содержащем много пыли, дальность видимости составляет от нескольких метров до 1 км.

 

Закон ослабления

Радиация ослабляется в атмосфере путем ее поглощения и рассеивания пропорционально: во-первых, интенсивности радиации (чем она больше, тем больше будет потерь); во-вторых, количеству поглощающих т рассеивающих частиц, встречающихся на пути лучей. Это количество в свою очередь зависит от длины пути лучей, проходящих сквозь атмосферу, и плотности воздуха. При этом для каждой длины волны коэффициент пропорциональности будет свой, так как поглощение и рассеяние избирательно. Ослабление описывается формулой Бугэ:

 

-а J = Jо Рm, где

Р = L

J – интенсивность радиации, при которой солнечная постоянная равна 10;

Р – коэффициент прозрачности, средний для лучей всех длин волн и в идеальной атмосфере равен около 0, 9, в действительных же атмосферных условиях он колеблется от 0, 7 до 0, 82, зимой несколько больше, чем летом; с возрастанием упругости пара в воздухе коэффициент прозрачности несколько убывает, до 0, 72 у экватора;

Jо – интенсивность всей радиации у земной поверхности, равная 1;

m – оптическая масса атмосферы, которая при положении солнца в зените равна 1;

А – коэффициент ослабления или пропорциональности.

Эта зависимость показывает, какая доля солнечной постоянной доходит до земной поверхности при отвесном падении на нее солнечных лучей.

Все ослабление радиации путем поглощения и рассеяния можно разделить на две части: ослабление постоянными газами (идеальной атмосферой) и ослабление водяным паром и аэрозольными примесями.

Из формулы Бугэ видно, что при неизменной прозрачности атмосферы интенсивность прямой солнечной радиации зависит от оптической массы атмосферы (m), то есть в конечном счете от высоты солнца. Поэтому в течение дня солнечная радиация должна нарастать от восхода солнца до полудня и убывать от полудня до захода солнца. Эта закономерность нарушается непрозрачностью атмосферы в течение дня. Различия интенсивности радиации связаны также с различиями полуденной высоты солнца в разное время года, максимальные значения интенсивности радиации несколько растут с убыванием географической широты местности, несмотря на рост высоты солнца. Это объясняется увеличением влагосодержания и запыленности атмосферного воздуха в южных широтах. С увеличением высоты солнца над уровнем моря максимальные значения интенсивности радиации возрастают из-за уменьшения оптической массы атмосферного воздуха при той же высоте солнца. Всю солнечную радиацию, приходящую к земной поверхности, называют суммарной радиацией (S):

 

Js = J sin h + i, где

 

Js – интенсивность суммарной радиации;

h – высота солнца;

i – интенсивность рассеянной радиации;

J – интенсивность прямой радиации.

Интенсивность суммарной радиации – ее приток за 1 минуту на 1 см² горизонтальной поверхности, помещенной под открытым небом и незатененной от прямых солнечных лучей.

Интенсивность суммарной радиации в полдень на широте Москвы составляет 1, 12 кал/ см² мин при безоблачном небе и 0, 37 - при сплошной облачности.

Падая на земную поверхность, суммарная радиация большей частью поглощается верхним слоем почвы или воды и переходит в тепло, а частично отражается. Величина отражения радиации земной поверхностью зависит от характера поверхности.

 

Альбедо (А) – отношение количества отраженной радиации к общему количеству радиации, падающей на данную поверхность. Выражается данная величина в процентах. В среднем альбедо составляет 10-30%. В условиях влажного Черноземья альбедо равняется 5%. Когда выпадает свежий снег, альбедо составляет 90%. Альбедо морской поверхности равно 5-20%, а облаков – 70-80%.

Преобладающая часть радиации, отраженная земной поверхностью и поверхностью облаков, уходит за пределы атмосферы. Отношение этой уходящей отраженной и рассеянной радиации к общему количеству солнечной радиации, поступающей в атмосферу, называется планетарное альбедо Земли. Эта величина составляет 30-40%.

Часть суммарной радиации за вычетом отраженной радиации поглощается земной поверхностью и идет на нагревание верхних слоев почвы и воды. Эта часть радиации называется поглощенной.

Верхние слои почвы и воды, снежный покров и растительность сами излучают длинноволновую радиацию, которую называют собственным излучением земной поверхности (Еs).

Еs при 15 ° С составляет в среднем 0, 6 кал/см² мин. Столь большая отдача радиации земной поверхностью приводила бы к ее быстрому охлаждению, если бы данное излучение не компенсировалось поглощением солнечной и атмосферной радиации земной поверхностью.

Если взять отношение коэффициента ослабления для действительной атмосферы к коэффициенту ослабления для идеальной атмосферы, то получим значение так называемого фактора мутности. Фактор помутнения дает число идеальных атмосфер, которое нужно взять, чтобы получить такое же ослабление радиации, какое производит действительная атмосфера.

Средние значения фактора мутности в равнинных пунктах умеренных широт близки к 3; в больших городах, с особенно загрязненным воздухом, они могут превышать 4. В горах эти значения равны от 2 до 3. Зимой замутненность меньше, чем летом, весной воздух наименее замутнен продуктами конденсации и мало запылен.

Максимальные значения интенсивности прямой радиации для некоторых пунктов СНГ таковы: Бухта Тикси – 1, 30; Павловск – 1, 43; Иркутск – 1, 47; Москва – 1, 48; Курск – 1, 51; Тбилиси – 1, 51; Владивосток - 1, 46; Ташкент – 1, 52 кал/ см² мин.

На каждые 100 метров высоты интенсивность радиации увеличивается на 0, 01-0, 02 кал/см² мин., максимальное значение интенсивности радиации, наблюдаемое в горах, достигает 1, 7.

 

Встречные излучения

Атмосфера нагревается, поглощая солнечную радиацию и собственное излучение земной поверхности. Кроме того, от земной поверхности идет тепло и за счет теплопроводности, при испарении и конденсации воды.

Будучи нагретой атмосфера имеет также собственное излучение, преимущественно – невидимую инфракрасную радиацию. Атмосферную радиацию, приходящую к земной поверхности, называют встречным излучением (Еа).

Земная поверхность поглощает это Еа на 90-99%, то есть встречное излучение является важным источником тепла для земной поверхности. В умеренных широтах данная радиация составляет 0, 3-0, 4 кал/см».мин, в горных странах – 0, 1-0, 2 кал/см² мин (из-за уменьшения содержания в атмосфере водяного пара), на экваторе – 0, 5-0, 6 кал/см.кв.мин (здесь атмосфера и более нагрета и богата водяным паром). Еа возрастает с увеличением облачности, так как облака сами являются довольно сильными источниками встречного излучения.

Ее - эффективное излучение; является разницей между собственным излучением земной поверхности и встречным излучением атмосферы.

Еа представляет собой чистую потерю лучистой Е, а следовательно, и тепла земной поверхностью.

Ее = Еs – Еа

 

Интенсивность Ее в ясные ночи составляет 0, 10 – 0, 15 кал/см².мин на равнинных станциях в умеренных широтах, 0, 2 кал/см² мин – в горах.

Еа существует и в дневные часы, но перекрывается солнечной поглощенной радиацией.

 

 

R = (Jsin h + i)(1 – А) – Ее, где

R - разность между поглощенной радиацией и эффективным излучением.

 

Радиационный баланс переходит от ночных отрицательных значений к дневным положительным значениям после восхода солнца при его высоте 10-15 м.

При наличии снежного покрова поглощение радиации мало, альбедо имеет большую величину.

В ночные часы, когда суммарная радиация отсутствует, отрицательный радиационный баланс равен эффективному излучению.

Радиационный баланс земной поверхности за год имеет положительное значение для всех мест Земли, кроме Гренландии и Антарктиды, то есть за год годовой приток поглощенной радиации больше эффективного излучения, то есть земная поверхность должна нагреваться год от года. Однако этого не происходит, так как избыток поглощенной радиации уравновешивается передачей тепла от земной поверхности в атмосферный воздух путем теплопроводности и при фазовых преобразованиях воды. Таким образом, для земной поверхности не существует равновесия в получении и отдаче радиации, но существует тепловое равновесие: приток тепла к земной поверхности радиационными и нерадиационными путями равно его отдаче теми же способами.

Годовой радиационный баланс около 60-й параллели составляет 20-30 ккал/см², к более высоким широтам он уменьшается до 10-15 ккал/см², в Антарктиде он возрастает к низким широтам до 100 ккал/см² и выше.

На океанах радиационный баланс выше, чем на суше в тех же широтах, так как океаны поглощают больше радиации.

 

Солнечный ветер

Наиболее мощными конкретными источниками энергии для биосферы – типичной открытой энергозависимой системы – является Солнце с его полями, движение Земли в координатах солнечной системы, разогретое ядро Земли, гравитационное и магнитное поля Земли.

Кроме электромагнитного излучения от Солнца к Земле постоянно идет поток ионизированного газа (плазмы), представляющего из себя солнечный ветер. Он служит переносчиком «вмороженных» магнитных полей солнечного происхождения. Для потока солнечной плазмы магнитное поле Земли служит некоторым препятствием и перед магнитосферой образуется ударная волна, где плазма замедляется и часть кинетической энергии превращается в тепловую. Уплотненная горячая плазма, обтекая геомагнитное поле, деформирует его: силовые линии сносятся на ночную сторону Земли и образуют сильно вытянутый хвост магнитосферы с нейтральным слоем. Через полярные каспы и нейтральный слой возможны прорывы солнечной плазмы к верхним слоям атмосферы, а в остальных областях магнитосферы идет лишь медленное просачивание плазмы.

На высоте около 500 км (силовые магнитные линии здесь замкнуты) происходит захват частиц силовыми полями и образуются протонный и электронный радиационные пояса.

 

 

Вопросы к разделу о радиации в атмосфере:

1.Какие потоки лучистой энергии наблюдаются в атмосфере?

2. Прямая радиация.

3. Спектральный состав солнечной радиации.

4. Формула Буге.

5. Фактор мутности.

6. Закон ослабления.

7. Что такое суммарная радиация?

8. Радиационный баланс.

9. Что такое альбедо?

9. Солнечная постоянная.

10. Как солнечная энергия преобразуется в тепловую? В электрическую?

11. Рассеяние солнечной радиации.

12. Встречные излучения.

13. Солнечный ветер.