Радиационные процессы в атмосфере

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Необходимость нахождения радиационного баланса атмосферы возникает во многих задачах моделирования климата, прогноза погоды, оценки последствий человеческой деятельности. Одна из основных проблем, возникающих при численном моделировании атмосферной радиации, связана с наличием большого числа молекулярных линий поглощения, что сильно затрудняет вычисление интегральных по спектру характеристик излучения. Атмосфера не является оптически тонкой или оптически толстой одновременно для всех участков спектра.

Резко меняющиеся вероятности поглощения квантов в близлежащих энергиях приводят к сложному закону пространственного затухания интегральной интенсивности излучения, заметно отличающемуся от экспоненциального. Спектр излучения коррелирует с каждым резонансом поглощения. Основная передача радиации происходит в крыльях линий. Кроме того, имеет место значительная изменчивость и неоднородность по высоте концентраций поглощающих и рассеивающих компонент атмосферы.

В настоящее время усилиями экспериментаторов, теоретиков и вычислителей накоплено большое количество спектроскопических данных о сечениях поглощения в линиях атмосферных газов и малых примесей [3-8], а также данных о рассеянии и поглощении радиации частицами облаков и атмосферными аэрозолями. Информация о сечениях поглощения сведена в компьютерные библиотеки данных, что облегчает ее уточнение и, главное, значительно увеличивает доступность информации для использования. Например, банк данных HITRAN-92 в диапазоне от 40 см-1 до 22650 см-1 содержит параметры примерно 700 тысяч линий молекулярного поглощения 32 атмосферных газов с учетом разного изотопного состава молекул (всего с изотопами. солнце радиация спектр атмосфера

Радиация в атмосфере

Радиация в атмосфере - это электромагнитное излучение Солнца, которое распространяется со скоростью 300 000 км / с. ее составляющими являются видимый свет и невидимые глазом гамма-лучи, рентгеновские, ультрафиолетовые, инфракрасные лучи, радиоволны. Солнце является для Земли основным источником тепла и света.

Лучистая энергия Солнца превращается в тепло частично в самой атмосфере, но главным образом на земной поверхности. Она нагревает верхние слои почвы и воды, а от них и воздуха. Нагретая земная поверхность и нагретая атмосфера сами излучают невидимую инфракрасную радиацию в космическое пространство и охлаждаются.

Излучения Солнца, которое получает поверхность Земли, может быть разделено на прямой, рассеянный и поглощено. Это связано с его изменениями при прохождении через атмосферу.

Прямое солнечное излучение приходит к земной поверхности непосредственно от солнечного диска в виде пучка параллельных лучей. Приток прямого излучения характеризуется интенсивностью - количеством лучистой энергии, поступающей на поверхность, перпендикулярную к солнечным лучам. Интенсивность потока солнечного излучения на верхней границе атмосферы при средней расстоянии Земли от Солнца называется солнечной постоянной. По последним данным она равна 1,353 кВт / м 2 .

В среднем на каждый квадратный километр земной поверхности приходится за год 4,27 Ч 10 16 Дж солнечного излучения.

Чтобы получить такое количество тепла искусственно, надо было бы сжечь более 400 тыс. т каменного угля. За год земная поверхность получает от Солнца почти в 250 раз больше энергии, чем ее производят все электростанции мира. При этом солнечное излучение, достигающее Земли, составляет менее двух миллиардных процента всего излучения Солнца. Насколько значительное это количество энергии понимаем, когда становимся свидетелями стремительного таяния снега в теплый день, быстрого испарения влаги после дождя, силы ветра во время бури или безумства морского шторма. Все эти процессы происходят под влиянием Солнца.

На пути к Земле небольшая часть солнечного излучения поглощается атмосферой. Поглощение это носит выборочный характер, ибо различные газы поглощают излучение неодинаково. Азот и кислород поглощают только ультрафиолетовые волны. Более сильным поглотителем является озон. Интенсивно поглощает излучение в инфракрасной области углекислый газ. Основным же поглотителем в атмосфере является водяной пар, сосредоточена главным образом в нижней части тропосферы. Солнечное излучение поглощают также облака и атмосферные примеси. Благодаря явлениям поглощения средняя температура воздуха составляет +14 ° С, тогда как в случае отсутствия атмосферы она равнялась 6-22 ° С. А это значит, что Земля превратилась бы в мертвую ледово-каменной пустыню.

В целом в атмосфере поглощается 15-20% солнечного излучения. Поглощение меняется во времени в зависимости от содержания в воздухе поглощенных субстанций (прежде всего водяного пара и пыли), а также от высоты Солнца над горизонтом, так как при этом изменяется толщина воздуха, через которую проходят лучи.

Температура поверхности Земли в среднем составляет 15°С (288 К). Имея такую температуру, Земля излучает в атмосферу в основном длинноволновую инфракрасную (тепловую) радиацию.Длина волны, на которую приходится максимум энергии, составляет 10 мкм (рис. 1.4).

Атмосфера поглощает значительную часть длинноволнового излучения земной поверхности. Основными поглотителями длинноволновой радиации являются углекислый газ (С0₂) и особенно вода (Н₂0), поскольку воды в атмосфере много. Облака состоят из жидкой (капли), твердой (кристаллы) и газообразной (водяной пар) воды. Они интенсивно поглощают длинноволновое излучение Земли, действуя как изоляционный слой, подобно стеклянным стенкам парника. Такое воздействие носит название парникового эффекта.

Если ночь пасмурная, то она относительно теплая. Если же небо безоблачное, то часть энергии, излучаемая поверхностью Земли, уходит в космическое пространство и ночь холодная.

В дневное время потеря энергии за счет длинноволнового излучения незаметна, так как перекрывается приходящей солнечной энергией. Облака могут поглощать, отражать и излучать длинноволновую радиацию. Сама атмосфера также излучает длинноволновую радиацию. Ту часть длинноволнового излучения атмосферы, которое направлено вниз к поверхности Земли, называют излучением атмосферы.

Длина волны, мкм Рис. 1.4. Излучение поверхности Земли и полосы поглощения

Обозначение для прямой и рассеянной солнечной радиации, в основном заключающейся в интервале длин волн от 0,17 до 4 мкм,

Влияние солнечной радиации на климат

Спектр излучения Солнца, наблюдаемый выше атмосферы Земли и на уровне моря

Солнечная радиация сильно влияет на Землю только в дневное время, безусловно -- когда Солнце находится над горизонтом. Также солнечная радиация очень сильна вблизи полюсов, в период полярных дней, когда Солнце даже в полночь находится над горизонтом. Однако зимой в тех же местах Солнце вообще не поднимается над горизонтом, и поэтому не влияет на регион. Солнечная радиация не блокируется облаками, и поэтому всё равно поступает на Землю (при непосредственном нахождении Солнца над горизонтом). Солнечная радиация -- это сочетание ярко-жёлтого цвета Солнца и тепла, тепло проходит и сквозь облака. Солнечная радиация передаётся на Землю посредством излучения, а не методом теплопроводности.

Сумма радиации, полученной небесным телом, зависит от расстояния между планетой и звездой -- при увеличении расстояния вдвое количество радиации, поступающее от звезды на планету уменьшается вчетверо (пропорционально квадрату расстояния между планетой и звездой). Таким образом, даже небольшие изменения расстояния между планетой и звездой (зависит от эксцентриситета орбиты) приводят к значительному изменению количества поступающей на планету радиации. Эксцентриситет земной орбиты тоже не является постоянным -- с течением тысячелетий он меняется, периодически образуя практически идеальный круг, иногда же эксцентриситет достигает 5 % (в настоящее время он равен 1,67 %), то есть вперигелии Земля получает в настоящее время в 1,033 больше солнечной радиации, чем в афелии, а при наибольшем эксцентриситете -- более чем в 1,1 раза. Однако гораздо более сильно количество поступающей солнечной радиации зависит от смен времён года -- в настоящее время общее количество солнечной радиации, поступающее на Землю, остаётся практически неизменным, но на широтах 65 С. Ш. (широта северных городов России, Канады) летом количество поступающей солнечной радиации более чем на 25 % больше, чем зимой. Это происходит из-за того, что Земля по отношению к Солнцу наклонена под углом 23,3 градуса. Зимние и летние изменения взаимно компенсируются, но тем не менее по росту широты места наблюдения всё больше становится разрыв между зимой и летом, так, на экваторе разницы между зимой и летом нет. За Полярным кругом же летом поступление солнечной радиации очень высоко, а зимой очень мало. Это формирует климат на Земле. Кроме того, периодические изменения эксцентриситета орбиты Земли могут приводить к возникновению различных геологических эпох: к примеру, ледникового периода.

Таблицы

Литература

1.Романов С.И., Троценко А.Н., Фомин Б.А. Использование

2.численных методов для описания переноса солнечного излучения

в рассеивающей атмосфере при строгом учете селективности

газового поглощения. // Препринт ИАЭ им.Курчатова И.В. 5304/1,

Москва 1991.

3.Основы радиационных процессов в атмосфере. - Л.:

Гидрометеоиздат, 1984.

4.Севастьяненко В.Г. Теплопередача излучением в реальном

спектре. // Дисс.доктора физ.-мат.наук.- ИТПМ. Новосибирск.

1980.

Размещено на Allbest.ru