Радиационный баланс земной поверхности

 

Поступающая на земную поверхность коротковолновая радиация трансформируется в длинноволновую. В результате верхние слои почвы, воды и снега, а также растения излучают радиацию в инфракрасной части спектра. Эта радиация называется собственным излучением земной поверхности.

По закону Стефана-Больцмана излучение абсолютно черной поверхности

(2.10)

 

где: σ =5,7×10^-8Вт/м²×К⁴ – постоянная;

T – абсолютная температура.

 

Поскольку излучение земной поверхности по своим параметрам мало отличается от излучения абсолютно черного тела, Земля, величина E_s может быть рассчитана по формуле (2.10). При T =288К=15ºС, E_s =0,42 кВт/м².

Отдача радиации компенсируется ее поглощением, что препятствует остыванию земной поверхности. Абсолютная температура земной поверхности находится в пределах от 190 до 350 К. При таких температурах испускаемая температура имеет длину волны λ; в пределах от 4 до 120 мкм, а максимум энергии приходится на 10–15 мкм. Следовательно, вся излучаемая Землей радиация находится в инфракрасном диапазоне, не воспринимаемом глазом человека.

Атмосфера нагревается как за счет солнечной радиации, так и за счет собственного излучения земной поверхности. Кроме того, она получает тепло за счет теплопроводности от земной поверхности, а также при конденсации водяного пара. Атмосфера, так же как и земная поверхность, излучает инфракрасную радиацию примерно в том же диапазоне длин волн.

Около 70% радиации, излучаемой атмосферой, поступает на земную поверхность, ее называют встречным излучением E_a. Остальная часть радиации атмосферы уходит в мировое пространство. Земная поверхность поглощает 95-99% встречного излучения.

На равнинах в обычных условиях встречное излучение составляет 0,21–0,28 кВт/м², в горах, где влажность воздуха меньше – 0,07–0,14 кВт/м². В экваториальной области встречное излучение в среднем за год равно 0,35–0,42 кВт/м², а в полярных широтах оно убывает до 0,21 кВт/м².

Основной субстанцией, поглощающей земное излучение в атмосфере и образующей встречное излучение является водяной пар. Он поглощает излучение значительной части инфракрасного спектра.

Встречное излучение всегда меньше земного. Разность между собственным излучением и встречным называется эффективным излучением

 

E_e=E_s–E_a, (2.11)

 

где E _е – эффективное излучение;

E_s и E_a – эффективное излучение, а собственное и встречное соответственно.

 

Эффективное излучение представляет собой чистую потерю энергии с земной поверхности. Ночью в безоблачную погоду эффективное излучение особенно велико, поскольку при таком состоянии атмосферы встречное излучение составляет 200–400 кВт/м², а при сплошной облачности оно возрастает на 20–25%.

Встречное излучение измеряется пиргеометрами и балансомерами. Величину собственного излучения Земли можно вычислить по формуле Стефана-Больцмана, эффективное излучение – по формуле (2.11).

В умеренных широтах земная поверхность в среднем теряет половину количества тепла, получаемой ей в процессе поглощения радиации. Атмосфера поглощает земное излучение и отражает его. Встречное излучение препятствует охлаждению земной поверхности ночью и не мешает нагреванию ее днем. Такое явление называется тепличным эффектом.

Радиационный баланс земной поверхности представляет собой разность между поглощенной радиацией и эффективным излучением R=(S×sin h +D)×(1–A)–E_e.

Ночью радиационный баланс отрицателен. После восхода Солнца до высоты 10–15º он становится положительным, а перед заходом, когда Солнце опускается до той же высоты, что и утром, он вновь становится отрицательным. При наличии снегового покрова, альбедо в значительной мере возрастает. В этом случае радиационный баланс земной поверхности становится положительным только, когда Солнце поднимется на 20–25º выше линии горизонта.

Если весь поток солнечной радиации на верхней границе атмосферы принять за 100%, то излучение с земной поверхности, проходящее сквозь атмосферу и уходящее в мировое пространство составит 10% от этой величины. Собственно атмосфера излучает в космос около 60% полученной ей энергии. Отраженная и поглощенная радиация составляют 30% от ее общего количества Таким образом, Земля вместе с атмосферой находится в состоянии радиационного баланса.