Лучистая энергия в атмосфере

Солнце является практически основным источником энергии на Земле, поэтому знание всех закономерностей прихода к атмо­сфере лучистой энергии Солнца, законов ее поглощения и рассея­ния атмосферой, а также роли земной поверхности и атмосферы в формировании потоков длинноволновой радиации чрезвычайно важ­но. Изучение этой темы следует начать с основных законов излуче­ния абсолютно черного тела (законов Кирхгофа, Стефана-Больцмана и Вина). При этом надо освежить в памяти такие понятия, как спектр излучения по длинам волн, поток радиации, спектральная плотность потока, коэффициенты поглощения, отражения, пропус­кания (массовые и объемные) и т.д.

Далее следует перейти к рассмотрению тех процессов, которые связаны с ослаблением атмосферой потока солнечной радиации. Основным законом является закон Буге. Здесь введены новые поня­тия оптической массы атмосферы, коэффициента прозрачности ат­мосферы. Обратите внимание на связь монохроматических потоков с интегральными, на селективный характер поглощения солнечной радиации в атмосфере, на физический смысл фактора мутности ат­мосферы. Необходимо научиться вычислять суммы прямой, рассе­янной и суммарной радиации, характеристики прозрачности атмо­сферы. Покажем способы решения таких задач на конкретных при­мерах.

Задача 1. При высоте солнца 30° прямая радиация на перпен­дикулярную поверхность у земли составила / = 0,72 кВт/м. Вы­числить коэффициент прозрачности р, коэффициент ослабления т и фактор мутности Т.

Решение.

 

Коэффициент прозрачности идеальной атмосферы Р_и при числе масс атмосферы m = 2 найдем по таблице (см. [2]):

P=

;

Выясните, как изменяются характеристики прозрачности с уве­личением высоты солнца. Изучите факторы, влияющие на величину отраженной и поглощенной солнечной радиации земной поверхно­стью. Рассмотрите излучение Земли и атмосферы. Здесь важно хо­рошо представлять себе как выглядит спектр излучения Земли, на­гретой до средней температуры (например, 273 К). Обращает на се­бя внимание то, что максимум излучения в этом случае близок к окну прозрачности атмосферы. Необходимо знать, по какой причи­не может менять знак эффективное излучение. Следует обратить внимание на формулы, учитывающие присутствие в атмосфере Н₂0, СО₂ и облаков, «удерживающих» часть уходящего от Земли длинноволнового излучения. Потоки прямой и рассеянной радиа­ции, альбедо поверхности, излучение Земли и атмосферы входят в уравнение радиационного баланса деятельного слоя подстилающей поверхности Земли.

Проанализируйте суточный и годовой ход радиационного ба­ланса деятельного слоя земли на различных широтах, в условиях различных отражательных свойств поверхности (величины альбе­до), различного режима температуры, влажности и облачности в нижнем слое атмосферы.

С процессами рассеяния, поглощения, поляризации света свя­зан ряд оптических явлений. Рассмотрите их. Изучите основы тео­рии дальности видимости. Разберитесь в определении метеорологи­ческой дальности видимости (МДВ). Почему она зависит главным образом от прозрачности атмосферы?

Изменение плотности воздуха с высотой может привести к оп­тическим явлениям, обусловленным рефракцией света. Изучите их.

Литература

[1] - Раздел П, гл.6, § 2-7; гл. 7, § 1-5; гл. 8, § 1-2.

Вопросы для самопроверки

1. Что Вы знаете о строении Солнца? Какова температура излучения фотосферы Солнца? Нарисуйте спектр солнечного излучения.

2. Что такое солнечная активность?

3. Что называется солнечной постоянной? В каких единицах она измеряется?

4. Что называется абсолютно черным телом? Как связана величина падающего потока солнечной радиации с его отражением, поглощением, пропусканием?

5. Напишите и проанализируйте законы Кирхгофа, Планка, Стефана-Больцмана, Вина.

6. Объясните физический смысл закона Буге, оптической массы атмосферы, мас­совых и объемных коэффициентов ослабления (их размерности).

7. Что такое коэффициент прозрачности? Как интегральный коэффициент про­зрачности зависит от числа масс атмосферы?

8. Каковы основные выводы теории молекулярного рассеяния?

9. Объясните характер рассеяния лучистой энергии на крупных частицах.

10. Какие газы поглощают солнечную радиацию? Назовите полосы их поглощения.

11. Какой является рассеянная радиация (коротковолновой или длинноволновой)? Почему?

12. Как рассчитать число масс атмосферы? Какие вы знаете способы его определения?

13. Что такое альбедо?

14. Каков спектральный состав излучения Земли и атмосферы? От каких причин он зависит?

15. Какие газы, входящие в состав атмосферы, поглощают излучение Земли?

16. Что такое эффективное излучение Земли? От чего зависит его знак?

17. Какой знак имеет эффективное излучение при инверсии температуры, при тумане?

18. Каковы основные закономерности молекулярного рассеяния света в атмосфере?

19. Каковы основные закономерности аэрозольного рассеяния света в атмосфере?

20. Какие факторы влияют на радиационный баланс подстилающей поверхности?

21. Каков годовой и суточный ход радиационного баланса на северном полюсе, на экваторе, в Санкт-Петербурге?

22. Какие факторы влияют на дальность видимости реальных объектов?

23. Какие оптические явления связаны с астрономической рефракцией?

24. Какие оптические явления обусловлены земной рефракцией?