Солнечная радиация в атмосфере

 

Попадая в атмосферу, солнечная радиация претерпевает различные изменения (рис. 1). Часть её приходит к земной поверхности в виде пучка параллельных лучей через атмосферу и называется прямой радиацией. Приток прямой радиации характеризуется интенсивностью радиации (или потоком радиации, или плотностью потока радиации). Интенсивность радиации (I) – это количество лучистой энергии, поступающей к поверхности, перпендикулярной солнечным лучам, в единицу времени на единицу площади.

 

Рисунок 1 – Распределение солнечной энергии в атмосфере Земли

 

Рассеянная радиация образуется при столкновении солнечных лучей с молекулами воздуха и примесями, когда прямая солнечная радиация превращается в радиацию, идущую по всем направлениям.

Прямая и рассеянная радиации составляют суммарную солнечную радиацию, определяющую тепловой режим тропосферы. С рассеянной радиацией связан ряд особенностей атмосферы – сумерки, заря, рассеянный свет, атмосферная видимость.

Сумерки – период плавного перехода от дневного света к ночной темноте после заката и обратно – перед восходом Солнца. Продолжительность сумерек зависит от географической широты, чем ближе к экватору, тем они короче. Если Солнце опускается за горизонт менее чем на 18º, то полной темноты не наступает и вечерние сумерки сливаются с утренними. Это явление называется белые ночи.

Заря – рассеяние, дефракция и преломление солнечных лучей в мельчайших атмосферных аэрозолях и на более крупных частицах в различных слоях атмосферы. Характерные для зари цвета – пурпурный и желтый, в зависимости от примесей в воздухе, могут меняться в широких пределах, давая совокупность красочных световых явлений до захода и после восхода Солнца.

Рассеянный свет – это рассеянная радиация в дневное время, вследствие чего светло даже там, куда солнечные лучи непосредственно не попадают, и когда солнце скрыто за облаками.

Атмосферная видимость – расстояние, в пределах которого становятся различимы очертания наблюдаемого объекта. Величина его зависит от рассеяния и поглощения света атмосферным воздухом и примесями в нём. В тумане значение расстояния может убывать до нескольких метров, а в слабо запыленном сухом воздухе (особенно арктическом) – достигать десятков и сотен километров.

Попадая на земную поверхность, суммарная радиация большей частью поглощается верхним слоем суши и воды и переходит в тепло, а частично отражается. При этом отношение количества отраженной радиации к общему количеству радиации называется альбедо поверхности и выражается в процентах. Эта величина зависит от характера рельефа, от наличия растительности, от качественного состояния поверхности. Альбедо поверхности воды, снега, льда зависят от высоты Солнца над горизонтом.

Наиболее высокое альбедо характерно для полярных областей (около 70–80 %) и вызвано снежным покровом. Уменьшение значений альбедо в средних широтах (до 40–60 %) связано с тем, что это районы большой облачности из-за штормов на фронтах воздушных масс. Минимальное альбедо (20–30 %) для низких широт обусловлено тем, что в субтропическом поясе высокого атмосферного давления облака почти не формируются, лишь во внутритропической зоне конвергенции (ВЗК) с увеличением облачности альбедо несколько возрастает. Доля солнечной радиации, отраженная земной поверхностью и атмосферой в целом, называется планетарным альбедо. Планетарное альбедо Земли оценивается величиной в 35–40 %, большую долю которого составляет отражение облаками.

Всякое тело, испускает энергию, в том числе и Земля. Разность между излучением земли и излучение атмосферы называют эффективным излучением (Е_эф):

Е_эф = Е_земли - Е_{атмосферы}

В облачную погоду Е_эф меньше чем в ясную, а значит меньше охлаждается Земля.

Разность между поглощенной суммарной радиацией и эффективным излучением называется радиационным балансом (R).

Распределение суммарной радиации и радиационного баланса по планете формирует закон географической (широтной) зональности. В целом названные параметры уменьшаются от низких широт (экватор, тропики) к высоким (умеренные, приполярные).

Суммарный годовой R положителен везде, кроме Гренландии и Антарктиды. На океанах его значение больше, чем на суше, ибо вода поглощает больше радиации, понижен R в пустынях, в районах с муссонным климатом. В декабре R отрицателен на большей части северного полушария – нулевая изолиния проходит южнее 40º с. ш. В июне R положителен в северном полушарии, а также в экваториальных и тропических районах южного полушария, а на широтах южнее 40º ю. ш. – равен нулю.

Лучистая энергия Солнца является основным и практически единственным источником тепла для поверхности Земли и её атмосферы. Эта энергия превращается в тепловую отчасти в атмосфере, но главным образом на поверхности почвы и воды. Солнечная радиация, аккумулированная деятельной поверхностью, затрачивается на испарение или конденсацию (LE), на теплообмен между поверхностью почвы и воздухом (P), на теплообмен между поверхностью почвы и нижележащими слоями (A).

Связь между этими величинами выражается уравнением теплового баланса:

R = LE + P + A,

где R – радиационный баланс деятельной поверхности; Р – затраты тепла на турбулентный теплообмен; А – теплообмен в почве; LE – затраты тепла на испарение.

Географическое распределение составляющих теплового баланса достаточно сложно, и в зависимости от того, каковы их соотношения, формируется ландшафтный лик Земли. Например, небольшое значение отношения LE/ P на суше означает её сухость, что способствует формированию пустынь, сухих степей. Напротив, высокие значения параметра LE/ P означают усиление процессов испарения и характеризуют более влажный климат.

Тепловой баланс деятельной поверхности Земли является одним из частных выражений основного закона сохранения энергии. В соответствии с перераспределением этой энергии между составляющими теплового баланса формируются определенные типы климата, микроклимата и метеорологического режима с характерными особенностями экологического равновесия в каждом конкретном случае. Для всей планеты в целом приход и расход тепла равны, т. е. за длинный ряд лет тепловой баланс системы «Земля – атмосфера» равен нулю, и Земля, как планета, находится в тепловом равновесии.

Нагревается от лучистой энергии Солнца, проникающей через атмосферу, не только земная поверхность, идет и обратный процесс, когда от поверхности суши и воды нагреваются приземные слои воздуха. Последовательность процессов при этом примерно следующая. Первенствующую роль играет солнечная радиация.

В утренние часы с восходом солнца приток радиации возрастает, что усиливает нагревание суши. Вследствие турбулентного теплообмена от подстилающей поверхности нагреваются сначала нижние, а затем и вышележащие слои воздуха. Ночью, в результате излучения почвой тепла, температура её поверхности понижается, а воздух остается теплым, но охлаждается от подстилающей поверхности.

В результате сильного радиационного охлаждения земной поверхности может возникнуть инверсия температур – явление, когда нижние слои воздуха холоднее верхних. В том случае, когда изменение температуры воздушных масс происходит в горизонтальном направлении, вводится понятие адвекции. Например, на место холодных воздушных масс (ВМ) притекают тёплые ВМ или наоборот.

Распределение средних температур в каком-либо регионе, как и на всем земном шаре, представляют карты изотерм. Изотермы – это линии, соединяющие точки с одинаковыми значениями температур, наблюдаемых в разных местах.

Анализ изменения многолетних значений температур воздуха позволяет выделить следующие закономерности. Температура воздуха, в целом, убывает от экватора к полюсам в соответствии с изменением радиационного баланса деятельной поверхности. От параллелей изотермы особенно сильно отклоняются в северном полушарии, так как велико воздействие морских течений и снежного покрова, ледников и достаточно четкой смены растительных формаций, экологически обусловленных особенностями ландшафтов и горных массивов и т. д.

Задание 1. Опишите и схематично изобразите процесс распределения солнечной энергии в атмосфере Земли, используя рисунок 1. Ответьте на следующие вопросы:

1. Какие качественные и количественные изменения претерпевает солнечная радиация, попадая в атмосферу Земли?

2. Какие явления в атмосфере связаны с рассеянной радиацией?

3. Расскажите об альбедо поверхности, что оно характеризует?

 

Задание 2. Охарактеризуйте радиационный баланс земной поверхности. Пользуясь картами, опишите географическое распределение суммарной радиации и радиационного баланса в течение года, декабря и июня.

 

Задание 3. Напишите уравнение теплового баланса земной поверхности и перечислите его составляющие. Объясните процесс нагревания или охлаждения деятельного слоя земной поверхности. Опишите основные закономерности географического распределения температуры воздуха у земной поверхности в течение года, январе и июле.