Радиационный баланс земной поверхности и атмосферы

Радиационный баланс земной поверхности (РБЗП) – разность между поглощенной суммарной солнечной радиацией и эффективным излучением земной поверхности:

R = (I·sin h₀+i)·(1–А) – Е_е

Выражается в ккал на 1 см² горизонтальной поверхности в 1 с, измеряется балансомером. Средние климатологические величины радиационного баланса земной поверхности рассчитываются с помощью эмпирических формул по данным метеонаблюдений.

Попытки рассчитать количество поступающей солнечной радиации на земную поверхность относятся к середине XIX века, после того, как были созданы первые актинометрические приборы. Однако только в 1940-е гг. началась широкая разработка проблемы изучения радиационного и теплового баланса. Этому способствовало широкое развитие актинометрической сети станций в послевоенные годы, особенно в период подготовки к МГГ (1957–58 гг.). Только в СССР число актинометрических станций к началу МГГ достигло 200. На этих станциях проводили измерения коротковолновой радиации Солнца, определяли радиационный баланс земной поверхности. На ряде станций были организованы наблюдения за температурой и влажностью воздуха на разных высотах, что позволило произвести вычисления затрат тепла на испарение и турбулентный теплообмен.

Помимо систематических актинометрических наблюдений на станциях в последние годы проводятся экспериментальные работы по исследованию радиационных потоков в свободной атмосфере.

Используя материалы наблюдений и экспериментальных исследований, сотрудники Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова под руководством М.И. Будыко в начале 1950-х гг. впервые построили серию карт составляющих теплового баланса для всего земного шара. Они были опубликованы в 1955 г. Атлас содержал карты распределения суммарной солнечной радиации, радиационного баланса, затраты тепла на испарение и турбулентный теплообмен в среднем за каждый месяц и год. Новая серия карт, уточненных и дополненных, была издана в 1963 г., данная серия карт составила «Атлас теплового баланса земного шара».

Радиационный баланс земной поверхности может быть положительным, т.е. земная поверхность получает больше тепла, чем отдает, и отрицательным.

Суточный ход радиационного баланса в Минске характеризуется следующими показателями. Во все месяцы баланс переходит через 0 утром после восхода Солнца при высоте Солнца 6–8º, вечером – перед заходом при высоте 7–10º.

Таким образом, в течение 50–80 мин. в утренние и вечерние часы, когда Солнце над горизонтом, деятельная поверхность теряет посредствам излучения больше, чем получает от Солнца.

При наличии снежного покрова радиационный баланс переходит к положительным значениям только при высоте солнца около 20–25º, т.к. поглощение снегом суммарной солнечной радиации малó вследствие большого альбедо снега.

В ночные часы радиационный баланс равен эффективному излучению, поэтому он за очень редким исключением отрицательный. Интенсивность баланса в течение всего темного времени меняется мало, его средние значения летом составляют -0,03…-0,04 кВт/м², зимой -0,01…-0,02 кВт/м². В ясные ночи эффективное излучение растет и R= -0,06 кВт/м². В пасмурную погоду ночной баланс приближается к нулю.

В дневные часы быстро растет коротковолновая часть баланса, увеличивается и весь баланс. Отметим, что увеличивается и эффективное излучение (растет температура поверхности). В дневные часы июня эффективное излучение в среднем в 2–2,5 раза больше, чем в ночные, и около полудня составляет 0,09–0,10 кВт/м². Аналогично и в другие месяцы, т.е. днем в результате излучения земля теряет больше энергии, чем ночью, но эти дневные потери полностью перекрываются энергией поступающей коротковолновой радиации (речь идет о средних значениях, но бывают зимние дни, когда в дневное время баланс отрицательный). Интенсивность баланса достигает максимума в полдень, летом – несколько раньше. В летние месяцы дополуденные суммы баланса больше послеполуденных, что соответствует такой же асимметрии дневного хода суммарной радиации, вызванной различием количества облаков до и после полудня. В среднем полуденная интенсивность радиационного баланса в июне около 0,40 кВт/м². Облачность в большинстве случаев уменьшает и суммарную радиацию, и эффективное излучение. Но поскольку суммарная радиация уменьшается сильнее, то уменьшается и баланс. Днем в пасмурную погоду баланс меньше, чем при ясном небе. Наибольшая интенсивность его наблюдается не при безоблачном небе, а тех случаях, когда облачность закрывает небо вблизи зенита, а солнце остается открытым. При этом суммарная радиация велика, а эффективное излучение сильно уменьшается, соответственно растет баланс. Наблюдавшиеся максимальные значения интенсивности баланса составляют 0,55–0,60 кВт/м².

Годовой ход суточных сумм радиационного баланса (как и месячный) носит плавный характер с максимумом в июне и минимумом в январе. В Минске переход от отрицательных значений суточных сумм радиационного баланса к положительным происходит в конце второй декады февраля, а обратный – в начале второй декады ноября. На юге республики на 3–5 дней раньше и позже соответственно. В течение года средние суточные суммы радиационного баланса в Минске увеличиваются от -0,71 МДж/м² в январе до 11,05 МДж/м² в июне. Максимальная суточная сумма (до 1990 г.) наблюдалась в июле и составляла 19,76 МДж/м², минимальная – в феврале и ноябре 4,86 МДж/м².

Радиационный баланс атмосферы – алгебраическая сумма потоков радиации, поглощаемой и излучаемой атмосферой.

Приходной частью радиационного баланса атмосферы является поглощенная атмосферой прямая и рассеянная солнечная радиация и длинноволновое излучение земной поверхности. Расходная часть состоит из собственного излучения атмосферы к земной поверхности (встречное излучение) и в мировое пространство (уходящая длинноволновая радиация).

R_a = E₀ +I_a – E_∞,

где E₀ – излучение земной поверхности; E_∞ – уходящая радиация земной поверхности и атмосферы; I_a – солнечная радиация, поглощенная атмосферой.

Поглощение солнечной радиации в атмосфере сравнительно мало, и радиационный баланс атмосферы определяется потоками земного излучения и уходящей радиации. Т.к. поток уходящей радиации больше потока эффективного излучения, радиационный баланс атмосферы всегда отрицателен. В целом за длительное время на Земле в среднем приближенные оценки составляющих радиационного баланса атмосферы таковы. Если за 100% принять поток солнечной радиации на границе атмосферы, то E₀ = +15%, E_∞ = -65%, I_a = +20%.

Таким образом, R_a = 15+20 – 65 = -30% (около 70 ккал/см² в год)

Отрицательный радиационный баланс атмосферы компенсируется на 75% приходом тепла конденсации и на 25% турбулентным переносом тепла от земной поверхности.