Радиационный баланс земной поверхности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция 17. Радиационный баланс земной поверхности

1. Система «Солнце-Земля»

Солнечная система - это система небесных тел, которые двигаются в области гравитационного влияния Солнца. В нее входят Солнце, 8 планет (ранее считавшаяся девятой планета Плутон недавно лишена такого статуса) с 53 спутниками, более 100000 малых планет (астероидов), сотен миллиардов комет и мелких метеоритных тел.

Солнце - это желтая звезда средней величины, возраст которой примерно 5 млрд. лет. Представляет собой раскаленный газовый шар, диаметр которого в 109 раз, а масса в 323000 раз больше Земли. Среднее расстояние от Земли до Солнца составляет 149,6 млн. км (астрономическая единица). Температура в недрах Солнца составляет 20 млн. градусов Цельсия, а на поверхности - около 6000є С.

В межпланетное пространство Солнце постоянно излучает энергию общей мощностью 3,83 * 10²⁰ МВт, одна двухмиллиардная доля которой приходит на Землю, однако и ее хватает для развития жизни.

Наиболее динамичны внешние слои Солнца (атмосфера), которые делятся на фотосферу, хромосферу и корону.

Фотосфера - нижняя область солнечной атмосферы, толщиной до 300 км; из нее выходит все видимое излучение. Над фотосферой находится хромосфера - которая видна при полных затмениях Солнца как розовое кольцо толщиной 7000-8000 км. В ней наблюдаются светлые образования - флокулы и тёмные - волокна, которые выступают за диск Солнца и называются протуберанцами. Солнечная корона - внешняя и наиболее разреженная часть атмосферы Солнца, распростирается на расстояние более 10 солнечных радиусов. Из нее идут поток частиц, которые образуют солнечный ветер. Переходный слой между хромосферой и короной является источником значительной части ультрафиолетового солнечного излучения.

Активность Солнца оценивают числами Вольфа (по количеству пятен), хотя этот показатель не в полной мере отражает процессы, происходящие на Солнца в период повышенной активности. Считается несомненным существование 11-летнего цикла солнечной активности, более спорно существование 2 2-летнего цикла и мало обоснованно существование 80-90-летнего цикла.

Земля двигается около Солнца по эллипсоидной орбите, поэтому расстояние до Солнца меняется от 152 млн. км (афелий - 5 июля) до 147 млн. км (перигелий - 3 января). Полный оборот вокруг Солнца земля делает за 365 суток 6 часов 9 минут и 9,6 секунды. Это звездный (сидерический) год.

солнечный гравитационный радиация небесный

Земная ось вращения не направлена перпендикулярно к плоскости земной орбиты (эклиптики), а наклонена под углом 66є33ґ. Благодаря этому наклону солнечный свет на протяжении года неравномерно прогревает земную поверхность, что приводит к смене сезонов. Так 21 марта и 23 сентября солнечные лучи в полдень падают вертикально на экватор, равномерно освещают северное и южное полушарие, и в связи с суточным вращением Земли во всех широтах день равен ночи. Это дни весеннего и осеннего равноденствия.

22 июня солнечные лучи в полдень вертикально падают на параллель 23є27ґ с. ш. Это северный тропик. В это же время над поверхностью Земли на север от параллели 66є33ґ с. ш. Солнце совсем не заходит за горизонт и там господствует полярный день. Эта параллель называется северным полярным кругом, а сам день 22 июня - днем летнего солнцестояния. Этот период соответствует лету в северном полушарии. Поверхность Земли на юг от 66є33ґ ю. ш. совсем не освещается Солнцем и там господствует полярная ночь. А сама параллель - южный полярный круг. В южном полушарии - зима.

22 декабря солнечные лучи вертикально падают в полдень на параллель 23є27ґ ю. ш. - южный тропик, а сам день - день зимнего солнцестояния. В этот день на север от северного полярного круга наблюдается полярная ночь, а к югу от южного полярного круга - полярный день. Кроме этого в этот период в северном полушарии - зима, а в южном - лето.

В каждом полушарии выделяют 13 поясов освещенности.

2. Солнечная радиация

2.1 Понятие о солнечной радиации

Излучения Солнца, земной атмосферы и самой Земли подчиняются общим законам излучения. Так, согласно закону Стефана-Больцмана излучательная способность абсолютно черного тела Е пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры Т:

,

где д - постоянная Стефана-Больцмана (5,67*10^-11 кВт/м*К⁴)

Произведение длины волны л_m, которой соответствует максимальная энергия излучения тела, на его абсолютную температуру Т есть величина постоянная (закон Вина):

л_m * Т = 2898 мкм * °К

Из закона Вина следует, что при изменении температуры тела в ту или другую сторону соответственно происходит смещение максимума энергии спектра в сторону более длинных или коротких волн.

Под солнечной радиацией понимают спектр электромагнитных волн, излучаемых Солнцем. Спектр солнечной радиации близок к спектру излучения абсолютно черного тела с температурой около 6000°К. Этот спектр за пределами земной атмосферы делят на 3 качественно различные части: ультрафиолетовую (длина волн от 0,01 до 0,39 мкм), видимую (от 0,40 до 0,76 мкм) и инфракрасную (от 0,76 до 4,0 мкм). За ультрафиолетовой частью спектра находится рентгеновское излучение, а за инфракрасной - радиоизлучение Солнца. Максимум энергии излучения приходится на волну длиной 0,475 мкм (зелено-голубые лучи).

Излучение с длинами волн от 0,1 до 4,0 мкм - коротковолновое (99% энергии), а волны от 4 до 100 мкм - длинноволновое.

Интенсивность солнечной радиации на перпендикулярную к лучам поверхность при отсутствии атмосферы и при среднем расстоянии от Земли до Солнца называется солнечной постоянной (1,37 кВт/м²).

Из поступающей на верхнюю границу атмосферы солнечной радиации 43% отражается в мировое пространство, остальные 57% поглощаются Землей, в том числе 14% поглощается атмосферой и 43% доходит до Земли в виде прямой и рассеянной радиации.

Прямая солнечная радиация - это коротковолновая радиация Солнца, которая поступает от солнечного диска и околосолнечной зоны радиусом 5°.

Интенсивность прямой радиации на горизонтальную поверхность определяется по формуле:

S' = S * sin h_и,

где S - интенсивность прямой солнечной радиации на перпендикулярную к лучам поверхность, кВт/м²; h_и - высота Солнца

Рассеянная солнечная радиация - это коротковолновая радиация Солнца, которая поступает на горизонтальную поверхность от небосвода, за исключением диска Солнца и околосолнечной зоны радиусом 5°. Она обуславливает солнечный свет в пасмурный день.

Общий приход на горизонтальную поверхность прямой и рассеянной радиации называется суммарной радиацией Q:

Q = S' + D,

где S' - интенсивность прямой радиации на горизонтальную поверхность, кВт/м²; D - интенсивность рассеянной радиации на горизонтальную поверхность, кВт/м²

Соотношение между прямой и рассеянной радиацией в составе суммарной радиации зависит от высоты Солнца, прозрачности атмосферы, т.е. от содержания в ней рассеивающих газов, аэрозоля, наличия облаков.

При ясном небе перед восходом Солнца суммарная радиация полностью состоит из рассеянной, а при низком Солнце после восхода - преимущественно из рассеянной радиации. При высоком положении Солнца при ясном небе преобладает прямая радиация. С увеличением облачности доля прямой радиации уменьшается.

Светлые и тонкие облака (перистые, высококучевые и кучевые), особенно освещенные Солнцем сбоку, могут увеличивать рассеянную радиацию в 8-10 раз по сравнению с безоблачным небом. Сильно увеличивает рассеянную радиацию снежный покров, так как отраженная от его поверхности радиация вторично рассеивается в атмосфере.

Плотная сплошная облачность прямую радиацию не пропускает. С увеличением высоты над уровнем моря при ясном небе увеличивается прямая радиация, а рассеянная - уменьшается за счет большей прозрачности воздуха и уменьшения толщины вышележащего слоя атмосферы.

2.2 Радиационный баланс подстилающей поверхности

Часть прямой и рассеянной солнечной радиации, поступающей к земной поверхности, ею отражается. Отражательная способность подстилающей поверхности зависит от ее физических свойств, цвета, состояния и характеризуется величиной альбедо.

Альбедо - это отношение отраженной (коротковолновой) радиации R_k к суммарной Q, поступающей на подстилающую поверхность:

Альбедо выражается в долях единицы или в процентах. Альбедо для свежевыпавшего снега - 80-95%, для темных почв - 5-10%.

Земная поверхность, поглощая суммарную солнечную радиацию (коротковолновую), в то же время сама излучает длинноволновую радиацию. Часть этой энергии уходит в мировое пространство и в значительной части поглощается атмосферой. В этом поглощении большое участие принимают водяной пар, озон, углекислый газ, пыль. Вследствие поглощения излучения Земли атмосфера нагревается и, в свою очередь, излучает длинноволновую радиацию. Часть этой радиации направлена в сторону земной поверхности.

Таким образом, в атмосфере создаются два потока длинноволновой радиации: один из них состоит из излучения подстилающей поверхности Е₃ и направлен вверх, а другой представляет радиацию атмосферы Е_а и направлен вниз. Разность Е_з - Е_а называют эффективным излучением подстилающей поверхности Е_эф.

Радиационный баланс подстилающей поверхности представляет собой разность между приходом и расходом лучистой энергии (равен количеству энергии, поглощенной подстилающей поверхностью).

Уравнение радиационного баланса подстилающей поверхности имеет вид:

В = S' + D + Е_a - R_K - R_a - Е₃, кВт/м²,

где S' - прямая солнечная радиация на горизонтальную поверхность, кВт/м²; D - рассеянная солнечная радиация на горизонтальную поверхность, кВт/м²; Е_а - встречное излучение атмосферы (длинноволновое излучение атмосферы, направленное в сторону подстилающей поверхности), кВт/м²; R_k - коротковолновая радиация, отраженная от подстилающей поверхности, кВт/м; R_a - длинноволновая радиация, отраженная от подстилающей поверхности, кВт/м²; Е_з - длинноволновое излучение подстилающей поверхности, кВт/м².

Величина R_a очень мала, поэтому в практических расчетах её не учитывают.

Принимая во внимание, что Q = S' + D; R_k = Q * А_к, а Е_эф = Е_з - Е_а, получим выражение радиационного баланса в следующем виде:

B = Q - R_k - Е_эф =Q(1 - A_k) - Е_эф.

Разность между суммарной поступающей радиацией и отраженной представляет собой поглощенную подстилающей поверхностью коротковолновую радиацию - коротковолновой радиационный баланс:

B_k = Q - R_k = Q (1-A_k), кВт/м.

Эффективное излучение является длинноволновым радиационным балансом, отсюда полный радиационный баланс может быть представлен в виде разности коротковолнового и длинноволнового балансов:

В = В_к - Е_эф.

Радиационный баланс подстилающей поверхности может быть положительным и отрицательным. В суточном ходе переход от положительных значений к отрицательным или обратно наблюдается при высотах Солнца 10-15°. Ночью приток суммарной солнечной радиации Q ⁼ 0, поэтому баланс отрицательный (В = - Е_эф), происходит радиационное выхолаживание подстилающей поверхности.

Размещено на Allbest.ru